格賓網(wǎng)加筋粉質(zhì)粘土數(shù)值模擬研究

賈 虎

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，四川 成都 621000)

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格賓網(wǎng)加筋粉質(zhì)粘土數(shù)值模擬研究

賈 虎

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，四川 成都 621000)

結(jié)合川西南地區(qū)某井場道路軟土工程實(shí)例，運(yùn)用 FLAC3D建立了數(shù)值分析模型，對格賓網(wǎng)加筋粉質(zhì)粘土進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出格賓網(wǎng)加筋粉質(zhì)粘土可以有效降低路面不均勻沉降、減小路堤邊坡變形，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

公路，格賓網(wǎng)，粉質(zhì)粘土，加筋土

川西南地區(qū)由于地質(zhì)以及氣候的作用，粉質(zhì)粘土以及淤泥質(zhì)軟土占很大比例，此類軟土吸水能力強(qiáng)，毛細(xì)現(xiàn)象顯著，且能長期保持水分，不易揮發(fā)。傳統(tǒng)的軟土處理方法，如換填法，土壤固化劑法，由于粘土層較厚、含水率較高的原因，均不能達(dá)到理想的效果。

蔣建清、楊果林等人[1]將格賓網(wǎng)引入道路工程中，進(jìn)行了紅砂巖粗粒土加筋試驗(yàn)研究，取得了良好的效果。在此研究的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用FLAC3D模擬格賓網(wǎng)加筋粉質(zhì)粘土，探究了其加筋粉質(zhì)粘土的工程特性。

1 FLAC3D程序簡介

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)是由Cundall和美國ITASCA公司開發(fā)出的有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序，主要適用地質(zhì)和巖土工程的力學(xué)分析。巖土工程問題內(nèi)在的復(fù)雜性及缺乏合適的分析工具推動了FLAC(1986年)和FLAC3D(1994)的開發(fā)。今天，兩種程序已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用。

FLAC3D程序設(shè)有空單元模型；各向同性彈性材料模型；橫觀各向同性彈性材料模型；德魯克—布拉格(Drucker-Prager)彈塑性模型；摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)彈塑性模型；遍布節(jié)理材料模型；應(yīng)變軟化/硬化塑性材料模型；雙線性應(yīng)變硬化/軟化一致節(jié)理模型；雙屈服塑性材料模型；改進(jìn)的劍橋(Cam-clay)模型等多種本構(gòu)模型[2-4]。

另外，程序設(shè)有結(jié)構(gòu)單元模型，有梁(Beam)單元、錨桿(Cable)單元、樁(Pile)單元、殼(Shell)單元、土工格柵(Geogrid)單元和襯砌(Liner)單元，單元通過node和link相連，可以實(shí)現(xiàn)不同單元的連接。此外，程序允許輸入多種材料類型，亦可在計(jì)算過程中改變某個(gè)局部的材料參數(shù)，增強(qiáng)了程序使用的靈活性，極大地方便了在計(jì)算上的處理。同時(shí)，用戶可根據(jù)需要在FLAC3D中創(chuàng)建自己的本構(gòu)模型，進(jìn)行各種特殊修正和補(bǔ)充。

2 數(shù)值分析模型的建立

針對現(xiàn)場鉆前工程公路處治情況，采用FLAC3D分別建立了數(shù)值分析模型，對普通連砂石換填與格賓網(wǎng)加筋效果進(jìn)行對比。其中，地基與路堤填土本構(gòu)模型均采用Mohr-Coulomb模型。格賓網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用各向同性彈性模型。數(shù)值模擬中格賓網(wǎng)及填土的主要參數(shù)如表1所示，相關(guān)材料間的接觸面參數(shù)如表2所示。

表1 主要對象物理力學(xué)參數(shù)

表2 界面參數(shù)

FLAC3D數(shù)值模型路堤及相關(guān)尺寸如圖1所示，其中圖1b)為普通連砂石換填數(shù)值模型。圖2為格賓網(wǎng)加筋示意圖和數(shù)值模型。格賓網(wǎng)加筋模型底部為80 cm固結(jié)土，用砂土參數(shù)進(jìn)行模擬。上部80 cm的淤泥質(zhì)軟土。道路結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)為底部20 cm的連砂石換填，兩側(cè)按照1∶1.5比例放坡。上部20 cm高的格賓網(wǎng)內(nèi)填人頭石與級配碎石。頂部8 cm的碎石磨耗層為道路的面層。普通連砂石對比組數(shù)值模型如圖1所示。下部軟土層結(jié)構(gòu)相同，上部道路結(jié)構(gòu)層為40 cm普通連砂石換填，頂部8 cm碎石磨耗層。

鉆前工程公路路堤的承載力必須能滿足日常工作時(shí)，各種汽車車輛的行駛，特別是大型機(jī)械工程車輛。因此在數(shù)值模擬時(shí)，考慮作用在路堤表面的荷載為并裝三軸掛車的最大允許軸荷(限值：24 t；軸距：1.4 m)，其他參數(shù)為車寬2.5 m，單側(cè)作用面積為0.07 m2進(jìn)行模擬[5]。

3 結(jié)果及分析

3.1 路面沉降分析

分析圖3,圖4數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：在240 kN荷載作用下，普通連砂石換填路面最大沉降4.94 cm。格賓網(wǎng)加筋過的軟土路基路面的最大沉降為2.57 cm。格賓網(wǎng)處理效果明顯。最大沉降均位于加載點(diǎn)正下方，此處產(chǎn)生了較大的屈服變形，實(shí)際使用中應(yīng)予以補(bǔ)強(qiáng)。格賓網(wǎng)處理過的道路在縱向0.08 m，0.28 m，0.48 m深度平面沉降變化平緩，說明格賓網(wǎng)作為一個(gè)三維約束結(jié)構(gòu)，具有良好的受力整體性。整體抵抗路面不均勻沉降的能力較普通連砂石換填提高約20%～45%。

3.2 豎向土壓力分析

分析圖5,圖6數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：采用常規(guī)換填法的路堤部位出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在距離路堤中心1 m處土壓力突變明顯。這種突變易在反復(fù)的荷載作用下造成道路結(jié)構(gòu)層的破壞。格賓網(wǎng)加筋后的應(yīng)力峰值在淺層和中層減小不明顯，但是有效避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象。在0.38 m深層，接近基底的土壓力明顯小于前者。這有利于保證軟土路基承載力，減輕道路結(jié)構(gòu)層的剪切破壞。

3.3 路堤側(cè)向位移分析

格賓網(wǎng)加筋法處理與普通連砂石換填法處理路堤的側(cè)向位移變形量如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)在不同監(jiān)測點(diǎn)，格賓網(wǎng)加筋對路堤側(cè)向位移約束明顯。在圖7,圖8的水平位移云圖中可以發(fā)現(xiàn)格賓網(wǎng)加固的路堤堤角處的塑性屈服區(qū)位移量與影響范圍均明顯小于普通換填法。

表3 不同處理方式路堤側(cè)向位移變形量

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了格賓網(wǎng)作為一種常見的土工材料，其加筋處理軟土路基相比于普通的連砂石換填法。格賓網(wǎng)的加入可以大幅減小路面不均勻沉降、約束路堤的側(cè)向位移、避免應(yīng)力集中。在粘土層較厚處理不易或者普通換填法處理效果不佳的情況下，可以取得較為理想的處理效果。這對實(shí)際工程的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 蔣建清,楊果林,李 昀,等.格賓網(wǎng)加筋紅砂巖粗粒土的強(qiáng)度和變形特性[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(7):1079-1086.

[2] 孫書偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:水利水電出版社,2011.

[3] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:水利水電出版社,2009.

[4] 胡 斌.深切峽谷區(qū)大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定性的動態(tài)數(shù)值仿真研究[D].成都：成都理工學(xué)院博士學(xué)位論文，2001:48-49.

[5]GB1589—2004,道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值[S].

Researchonthenumericalsimulationofgabionmeshreinforcedsiltyclay

JiaHu

(SichuanShuyuPetroleumConstructionandInstallationEngineeringLimitedCompany,Chengdu621000,China)

Combining with the soft soil engineering of a well site road in Sichuan southwest area as an example, using FLAC3Destablished the numerical analysis model, made numerical simulation research on gabion mesh reinforced silty clay, pointed out that the gabion mesh reinforced silty clay could effectively reduce the uneven settlement of pavement, reduced the embankment slope deformation, avoid the stress concentration phenomenon.

highway, gabion mesh, silty clay, reinforced soil

1009-6825(2017)08-0079-03

2017-01-04

賈 虎(1978- )，男，工程師

TU446

A