土工格室柔性搭板處治橋頭跳車影響因素分析

王維國(guó)

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南 湘潭, 411105)

土工格室柔性搭板處治橋頭跳車影響因素分析

王維國(guó)

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南 湘潭, 411105)

運(yùn)用有限元軟件ABAQUS研究了加筋前后路堤頂部豎向位移和坡腳下地基的水平位移, 分析了土工格室模量、填料參數(shù)、柔性搭板布置間距、布置層數(shù)和路堤高度等因素對(duì)路堤位移的影響。結(jié)果顯示: 土工格室柔性搭板體系能夠有效減少路橋過渡段不均勻沉降, 且當(dāng)增大土工格室的彈性模量或增加布置層數(shù)時(shí), 將顯著改善處治橋頭跳車的效果。

柔性搭板; 橋頭跳車; 數(shù)值分析; 差異沉降; ABAQUS

在軟土地基上修建道路往往出現(xiàn)因大變形所帶來的病害, 地基的差異沉降是導(dǎo)致這種病害的主要原因。特別是在路橋過渡段容易造成橋頭跳車現(xiàn)象, 嚴(yán)重影響高等級(jí)公路的使用。諸多工程實(shí)踐表明,在路堤中進(jìn)行加筋處理, 能夠很好地改善路堤性能, 提高其穩(wěn)定性。目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)路堤加筋進(jìn)行了系列研究。羊曄等[1]通過室內(nèi)小比例模型實(shí)驗(yàn), 得到土工格柵加筋結(jié)構(gòu)可有效控制高速公路過渡段的不均勻沉降。王廣月等[2]采用極限平衡法對(duì)降雨條件下土工格室柔性護(hù)坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析, 計(jì)算結(jié)果表明格室防護(hù)體系的穩(wěn)定性隨格室土體含水率、鉚釘間距、格室坡長(zhǎng)和邊坡角度的增大而減小, 且影響顯著。謝永利等[3]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試, 并結(jié)合有限元分析, 對(duì)土工格室處治路基不均勻沉降的作用機(jī)理進(jìn)行了研究。楊曉華等[4–5]運(yùn)用有限元軟件對(duì)土工格室加固淺層飽和黃土地基及鐵路軟弱基床進(jìn)行數(shù)值分析,并結(jié)合實(shí)際工程案例得到土工格室可有效約束軟弱地基的側(cè)向位移和擴(kuò)散應(yīng)力, 達(dá)到加固地基的目的。蘇永華[6]、馬國(guó)棟[7]、劉柱[8]等利用實(shí)際工程建立有限元模型, 并分析其加固機(jī)理, 比較不同加筋種類對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響, 指出土工格室作用效果比土工格柵要更顯著。張宏光[9]、俞永華[10]等分別對(duì)土工格室柔性搭板進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真, 得出柔性搭板體系較單純的土工格室加筋能更好地消除橋頭跳車。土工格室柔性搭板做為一種新興臺(tái)后填土的處治方法, 弄清楚它處治跳車的作用性狀和機(jī)理, 對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重大的意義。隨著國(guó)內(nèi)外有限元軟件的成熟和材料本構(gòu)模型的發(fā)展, 三維數(shù)值仿真技術(shù)可以更為直觀地對(duì)不同工況及邊界條件做出較為合理地分析。本文將應(yīng)用大型有限元ABAQUS分析土工格室模量、填料參數(shù)、柔性搭板布置間距、布置層數(shù)和路堤高度等對(duì)路堤加筋效果的影響進(jìn)行分析。

1 模型與參數(shù)

1.1 模型

參考實(shí)際工程, 考慮路堤沿左右對(duì)稱, 取半幅路堤作為計(jì)算模型。路堤頂寬14 m, 路堤填土高度6 m, 邊坡坡率1∶1.5, 計(jì)算長(zhǎng)度取30 m。路堤以下是軟土地基, 深度15 m, 計(jì)算寬度取43 m, 計(jì)算長(zhǎng)度仍為30 m, 臺(tái)背共布設(shè)土工格室4層, 按楔形等間距布置, 頂層為雙層結(jié)構(gòu), 層高均為20 cm。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型(單位: cm)

1.2 材料參數(shù)

路堤填土和地基土均采用ABAQUS所提供的摩爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)模型模擬, 并依據(jù)理想塑性摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則與非相關(guān)流動(dòng)法則。路堤填料參數(shù)為: 彈性模量25 MPa, 泊松比0.3, 重度20 kN·m-3, 黏聚力C = 30 kPa, 內(nèi)摩擦角φ = 30°。地基為軟黏土, 其計(jì)算參數(shù)為: 彈性模量10 MPa, 泊松比0.35, 重度17 kN·m-3, 黏聚力C = 15 kPa, 內(nèi)摩擦角φ = 10°。土工格室結(jié)構(gòu)層采用線彈性模型, 彈性模量取路堤填料的2倍, 50 MPa, 泊松比取0.15, 重度為20 kN·m-3。

1.3 邊界條件與荷載

對(duì)重力式橋臺(tái)來說, 在實(shí)際施工中, 是將土工格室錨固于橋臺(tái)之上, 并做回填處理。因此, 在有限元分析中,土工格室與橋臺(tái)接觸, 并限制其連接端x, y, z方向的位移均為0。模型中各部分具體邊界條件見表1。各結(jié)構(gòu)層的自重荷載按所給出的材料重度予以施加, 同時(shí)將路面荷載和汽車荷載等效為均布荷載, 取值為50 kPa。

表1 邊界條件

2 土工格室作用性狀

土工格室柔性搭板是由多層土工格室復(fù)合體一端錨固于橋臺(tái)上, 另一端伸入路堤一定長(zhǎng)度, 且各層土工格室的分布長(zhǎng)度由路堤面到路堤底部呈一定梯度, 形成的一種楔型柔性加筋體系。

2.1 加筋路堤豎向位移

式中：Rs為整個(gè)系統(tǒng)的可靠度；Rh為人的可靠度；Rm為設(shè)備可靠度。其中Rh由各個(gè)工位上工人所裝配零部件的準(zhǔn)確度決定的。發(fā)動(dòng)機(jī)由上百個(gè)零部件組成。在流水線上裝配時(shí)，主體部分固定在流水線上，隨流水線的移動(dòng)而移動(dòng)；各種零部件分布在不同的裝配工位上，不斷地添加到主題部分上，最終形成完整的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。

加筋前后路堤頂面中軸線豎向位移曲線如圖2所示。從圖2可以看出, 在路堤未做加筋處治時(shí), 路堤頂面近橋臺(tái)端的豎向位移值約為9 cm, 且沿路堤縱向呈一直線趨勢(shì), 路橋之間沒有過渡, 這樣容易在路橋過渡段形成臺(tái)階形沉降, 導(dǎo)致橋頭跳車現(xiàn)象發(fā)生。在路堤經(jīng)過加筋處治后, 豎向位移曲線在橋頭處治區(qū)呈拋物線狀, 路橋過渡段的不均勻沉降在較長(zhǎng)的范圍內(nèi)得以平緩地過渡, 最大沉降值也低于未加筋路堤, 故與剛性搭板相比, 柔性搭板處治區(qū)與未處治區(qū)銜接處不會(huì)產(chǎn)生二次跳車現(xiàn)象。這說明土工格室柔性搭板能有效地減小路堤頂面沉降, 改善差異沉降所引起的橋頭跳車現(xiàn)象。

圖2 路堤頂面豎向位移曲線

2.2 坡腳下地基水平位移

土工格室在應(yīng)用于處治路堤填土的過程中, 與其中的填料共同作用, 構(gòu)成具有強(qiáng)大剛度和拉伸強(qiáng)度的復(fù)合體。并對(duì)周圍土體提供了側(cè)向約束作用, 從而可以有效地限制地基土體的側(cè)向變形。圖3為加筋前后距離橋臺(tái)臺(tái)背1 m和15 m處的地基水平位移曲線。

從圖3可以看出, 坡腳下地基土體的水平位移呈現(xiàn)向右凸出的拱形, 未加筋時(shí), 最大水平位移為28.9 mm, 加筋后, 拱形頂部顯著減小, 坡腳下土體的最大水平位移為21.9 mm, 這說明土工格室柔性搭板能明顯減少軟土地基的橫向水平位移。同時(shí)對(duì)于不加筋路堤來說, 在靠近臺(tái)背的1 m處與路堤中部區(qū)域的地基土體水平位移曲線基本重合, 而加筋后, 靠近臺(tái)背固定端的地基水平位移程度要明顯小于路堤中部, 兩者在坡腳下的最大水平位移相差8.2 mm, 這是由于土工格室一端錨固于橋臺(tái)上, 與橋臺(tái)為剛性連接, 有效限制了近橋臺(tái)端地基土體的側(cè)向位移, 使得軟土地基的整體性得到加強(qiáng)。

圖3 坡腳水平位移曲線

3 土工格室作用性狀影響因素分析

3.1 土工格室彈性模量

把土工格室看做為線彈性體, 土工格室的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)以彈性模量表征。分別取土工格室的彈性模量為45、50、60及75 MPa進(jìn)行模擬對(duì)比分析, 結(jié)果見圖4。由圖4可以看出, 彈性模量對(duì)路堤的豎向位移可以產(chǎn)生直接影響, 土工格室的彈性模量越大, 其抗壓能力及抗彎剛度也隨之增大,對(duì)土體的約束能力也越強(qiáng), 路基頂面的位移也就越小。但這種影響僅僅在有鋪設(shè)土工格室的范圍之類, 超過土工格室長(zhǎng)度之外并無顯著影響, 土體的豎向位移趨于一致。

圖4 彈性模量與豎向位移關(guān)系

3.2 填料參數(shù)

保持計(jì)算模型中的其他材料參數(shù)不變, 分別取路堤填料的變形模量E為20、25、35及50 MPa, 土工格室模量取2倍填料模量, 將這4種情況進(jìn)行模擬對(duì)比分析, 結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出, 路堤填料模量的改變對(duì)路堤豎向位移有較大的影響。隨著填料模量的增大, 路堤的位移值逐漸減小。特別是在填料模量很小的情況下, 這種改變影響更大?？梢钥闯? E = 20 MPa與E = 25 MPa兩曲線的差別相較E =35 MPa與E = 50 MPa兩曲線的差別更加明顯, 這也說明超過一定范圍, 模量對(duì)位移的影響越來越弱。

圖5 填土模量與豎向位移關(guān)系

3.3 柔性搭板布置間距

保持模型其他各項(xiàng)條件均不變, 將柔性搭板布置間距分別取為1.4、1.5、1.6及1.8 m, 將這4種情況進(jìn)行模擬分析, 模擬所得路基頂面豎向位移曲線如圖6所示。

從圖6可以看出, 土工格室布置間距對(duì)路堤豎向位移有影響。但影響并不是單一的, 與遠(yuǎn)橋臺(tái)端相比, 布置間距的減小對(duì)近橋臺(tái)端的沉降值減小更為明顯。在距橋臺(tái)距離1～4 m范圍內(nèi), 布置間距為1.4 m的沉降值小于間距為1.5、1.6和1.8m時(shí)的情況, 沉降的最大差值出現(xiàn)在距橋臺(tái)距離2 m處。對(duì)于后3種布置間距, 雖然沉降會(huì)隨布置間距的增大而增大, 但其沉降曲線差別很小, 這說明布置間距只有在一定范圍內(nèi)對(duì)路堤沉降有影響。工程上建議布置間距取1.5 m左右。

圖6 布置間距與豎向位移關(guān)系

3.4 柔性搭板布置層數(shù)

在其余參數(shù)不變的情況下, 分析柔性搭板布置層數(shù)對(duì)路堤沉降的影響。分別模擬布置層數(shù)為3～6層4種工況, 其路基頂面豎向位移曲線如圖7所示。

由圖7可以看出, 柔性搭板的布置層數(shù)對(duì)沉降有一定的影響。在近橋臺(tái)端, 柔性搭板布置層數(shù)為3～5層時(shí), 其沉降值隨布置層數(shù)的增加而減小, 但布置6層柔性搭板時(shí),其沉降值在近橋臺(tái)端要大于布置5層的情況。在距橋臺(tái)14 m后的遠(yuǎn)橋臺(tái)端, 其減小路堤沉降的影響更為顯著, 這說明增加層數(shù)使得沉降值的減小逐漸向遠(yuǎn)處發(fā)展。

圖7 布置層數(shù)與豎向位移關(guān)系

3.5 路堤高度

保持模型各項(xiàng)參數(shù)不變, 取路堤高度為6、8、10和12 m四種情況進(jìn)行對(duì)比分析, 結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出, 路堤高度的變化對(duì)路堤頂部的豎向位移有顯著影響。在近橋臺(tái)端, 隨著路堤高度的增加, 土工格室柔性搭板能明顯減少路堤的豎向位移, 并且高度為12 m的路堤豎向位移值要小于高度為6、8和10 m時(shí)的位移值。路堤高度的增加使豎向位移產(chǎn)生了更大幅度的增加。雖然柔性搭板能減少路基的沉降量, 但在距離臺(tái)背14 m范圍之外, 逐漸超過各層土工格室的鋪設(shè)長(zhǎng)度, 這種影響隨著遠(yuǎn)離臺(tái)背端而減弱, 并不足以抵消由于路堤高度增加帶來的地基豎向位移增量。

圖8 路堤高度與豎向位移關(guān)系

4 結(jié)論

本文通過大型有限元軟件ABAQUS建立加筋路堤與軟土地基的三維模型進(jìn)行數(shù)值分析, 得到以下結(jié)論。

(1) 土工格室柔性搭板體系能夠有效地消化軟土地基所帶來的不均勻沉降, 控制和協(xié)調(diào)路堤與橋臺(tái)過渡段的沉降差, 從而實(shí)現(xiàn)改善橋頭跳車的目的。

(2) 土工格室布置于路堤中, 與其中填料構(gòu)成復(fù)合體, 對(duì)周圍土體提供了側(cè)向約束作用, 并減少了地基土體的水平位移。

(3) 土工格室的彈性模量越大, 對(duì)土體的約束作用越明顯, 其豎向位移就越小。因此, 在實(shí)際工程運(yùn)用中應(yīng)盡量使用模量大, 抗彎剛度強(qiáng)的格室材料。

(4) 增加柔性搭板的布置層數(shù)可以有效減小地基的沉降量, 但土工格室布置在5層以下時(shí), 其數(shù)量的增加對(duì)地基加固效果有限。建議實(shí)際工程中的柔性搭板應(yīng)大于5層進(jìn)行布置為宜。

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(責(zé)任編校: 江河)

Analysis of the factors influencing geocell flexible approach slab for treating vehicle dumpping

Wang Weiguo
(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

By employing the finite element software ABAQUS, the vertical displacement at the top of the embankment and the horizontal displacement of the foundation under the foot of the embankment are studied. At the same time, effects of the geomorphic modulus, packing parameters, layout of the flexible slab, number of layers and height of the embankment on displacement are analyzed. The results show that the flexible slab system can effectively reduce the differential settlement in the roadbed-bridge transition section, and the treatment effect of the flexible slab system will be improved when the elastic modulus of the geocell is increased or the number of layers is increased.

flexible approach slab; vehicle dumpping; numerical analysis; differential settlement; ABAQUS

U 416.1

A

1672–6146(2017)03–0059–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.013

王維國(guó), 510543970@qq.com。

: 2017–04–01