高填方加筋路堤的穩(wěn)定性數(shù)值分析

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(1.浙江交工錢潮建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051； 2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

山區(qū)高填方路堤多采用半挖半填結(jié)構(gòu)。由于填挖區(qū)巖土體性質(zhì)差別大，路堤易出現(xiàn)較大的不均勻深降變形，甚至沿填挖交界面發(fā)生滑移失穩(wěn)。目前多采用臺階開挖、加筋、強夯等方法提高填挖區(qū)的整體性，減小路堤的不均勻變形。許多學(xué)者對高填方加筋路堤的變形控制機理與設(shè)計方法進(jìn)行研究。李磊[1]、耿敏[2]、段曉偉[3]、申俊敏[4]等通過數(shù)值分析研究了高填方路堤的加筋機理，認(rèn)為加筋后可使路堤的潛在滑裂面向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，降低邊坡的最大剪應(yīng)變和位移，從而有效提高邊坡的安全系數(shù)。楊錫武[5]、范亮[6]等通過模型試驗研究了加筋高堤方陡坡路堤的變形特性與合理的布筋方式。胡江碧[7]、梁永輝[8]等開展了高填方路堤的加筋設(shè)計方法研究。趙建紅[9]、王家全[10]、楊森[11]等結(jié)合工程實際開展了高填方路堤加筋的原位測試。楊廣慶[12]還將錨固技術(shù)與臺階加筋相結(jié)合，提出了錨固加筋技術(shù)。這些研究為加筋高填方的工程應(yīng)用提供充分的理論依據(jù)和具體的設(shè)計施工方法。

本文結(jié)合工程實際，采用ANASYS建立高填方路堤模型，基于強度折減法在對比研究加筋與未加筋路堤的變形特性與安全系數(shù)的基礎(chǔ)，討論了加筋參數(shù)對路堤穩(wěn)定性的影響。

1 分析方法

1.1 工程背景

山西某高速公路按雙向四車道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計速度100 km/h，路基寬度22 m，部分路段位于地形變化幅度大的山嶺地區(qū)，為降低工程投資，只能采用半挖半填的高填方路堤結(jié)構(gòu)，如K22+860 ～+960路段填方高度達(dá)24 m(圖1)。為了保證路堤的穩(wěn)定性并控制路堤工后沉降，擬對其進(jìn)行加筋，加筋采用高密度聚乙烯單向拉伸土工格柵為筋材，其極限抗剪強度不小100 kN/m，路堤與山體邊坡采用臺階方式接合，臺階高2 m，寬為2～5 m。

圖1 路基橫斷面圖(單位： cm)

1.2 模型建立

路堤的穩(wěn)定分析采用大型通用有限元程序ANASYS進(jìn)行。由于道路右側(cè)的路塹邊坡為巖質(zhì)邊坡，穩(wěn)定性較好，為了簡化計算，并避免路塹邊坡對研究對象(高填方路堤)的影響，建模時不考慮路塹邊坡的作用。根據(jù)圖1建立如圖2所示的有限元模型。巖土體用8節(jié)點的PLANE82單元模擬，土工格柵采用兩個節(jié)點的LINK1單元模擬，模型高88 m，寬129 m。模型建立后約束底面X、Y兩個方向的位移，左右兩個側(cè)約束X方向的位移。計算時巖土體采用莫爾-庫侖模型，土工格柵采用線彈性模型。結(jié)合工程勘察資料，確定巖土體和土工格柵的力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

圖2 有限元模型

表1 填方土和巖土的參數(shù)類別彈性模量/(108Pa)泊松比密度/(kg·m-3)內(nèi)聚力/Pa摩擦角φ/(°)填方土1 00 242000800022巖土2 50 2521006000042

表2 土工格柵的參數(shù)彈性模量/(109Pa)泊松比密度/(kg·m-3)摩擦系數(shù)橫截面積/m280 3312000 60 005

1.3 分析方法

建立模型后，首先進(jìn)行自重平衡，然后在路面施加10 kN/m的等效車輛荷載，求解后獲得路堤的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，然后采用強度折減法獲得路堤的安全系數(shù)和潛在滑裂面位置。

強度折減法是巖土工程穩(wěn)定性求解的常用方法。其基本思想是用折減系數(shù)F對巖土體的抗剪強度參數(shù)(內(nèi)聚力C、摩擦角φ)進(jìn)行折減(式(1)、式(2))，用折減后的參數(shù)進(jìn)行計算，如果計算收斂，則路堤穩(wěn)定；再繼續(xù)增大折減系數(shù)F，得到新的計算用強度參數(shù)并進(jìn)行計算，若計算結(jié)果不收斂，則此時的折減系數(shù)就是路堤的穩(wěn)定性系數(shù)或安全系數(shù)。

(1)

(2)

式中:C、φ分別為巖土體的內(nèi)聚力和摩擦角；C′和φ′分別為折減后的內(nèi)聚力和摩擦角。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 加筋對路堤穩(wěn)定性的影響

首先分析不加筋時路堤的穩(wěn)定性。圖3為不加筋時高填方路堤的變形圖，路堤的變形主要發(fā)生在填方區(qū)，且路堤頂部和路堤邊坡上部的沉降變形最顯著，路堤邊坡下部的沉降量較小，最大變形量為515.743 mm；圖4為高填方路堤的水平位移云圖，同樣，路堤上部的水平位移較下部大，最大水平位移發(fā)生在路堤邊坡角部，其最大水平位移量為34.303 mm。

圖3 變形圖

圖4 水平位移云圖

采用強度折減法計算路堤的安全系數(shù)。當(dāng)折減系數(shù)為1.124時，路堤達(dá)到極限狀態(tài)。圖5為極限狀態(tài)下高填方路堤的塑性應(yīng)變云圖，路堤邊坡內(nèi)的最大塑性應(yīng)變發(fā)生在路堤填土區(qū)的中部，并有向上向下擴散的趨勢，容易形成貫穿性的滑裂面。

再分析加筋后路堤的穩(wěn)定性。根據(jù)工程設(shè)計，路堤內(nèi)布設(shè)土工格柵12層，間距為2 m。圖6是加筋后高填方路堤的變形圖，與圖3對比可知，加筋后路堤的變形也主要出現(xiàn)在填方區(qū)，路堤邊坡上部的沉降變形較下部大，但最大變形量有大幅減小，為267.74 mm，僅為加筋前的52%；圖7為加筋后路堤的水平位移云圖，最大水平位移也發(fā)生在路堤邊坡坡頂，最大位移為14.108 mm，也較未加筋工況要小。圖8為極限狀態(tài)下加筋路堤的塑性應(yīng)變云圖(折減系數(shù)為1.533)，與圖5對比可知，加筋對路堤的塑性應(yīng)變開展區(qū)有較明顯的影響，一是最大塑性應(yīng)變區(qū)由邊坡中上部轉(zhuǎn)移到了下部，二是塑性應(yīng)變區(qū)的位置要較未加筋時更深。

圖5 路堤塑性應(yīng)變云圖

圖6 加筋后路堤變形圖

圖7 加筋后的路堤水平位移云圖

圖8 加筋后的路堤塑性應(yīng)變云圖

由折減系數(shù)可知，沒有加土工格柵時路堤的安全系數(shù)較低，僅為1.124，而塑性應(yīng)變開展區(qū)從中部向上下發(fā)展，易形成貫穿式滑裂面使路堤邊坡失穩(wěn)；加筋時路堤安全系數(shù)提高到了1.533，滿足現(xiàn)行公路路基設(shè)計規(guī)范要求，而且塑性應(yīng)變開展區(qū)比較小?？梢姡咏羁梢杂行岣呗返痰姆€(wěn)定。

將各層土工格柵的拉應(yīng)力輸出后，可以找到各層筋材的最大拉應(yīng)力及其所在位置，如圖9所示，數(shù)據(jù)擬合表明，二者間符合指數(shù)函數(shù)：y=2.9264e0.133 7x，即可以得出高填方路堤潛在破裂面的具體位置。

圖9 筋材最大拉應(yīng)力所在位置與高度的關(guān)系

2.2 加筋參數(shù)對路堤穩(wěn)定性的影響

2.2.1 土工格柵長度的影響

以臺階立面為基準(zhǔn)，改變土工格柵的長度，使筋材長度依次為0(不加筋)、6 m、10 m、15 m、滿布，分析筋材長度對路堤穩(wěn)定性的影響。圖10為筋材長度與路堤側(cè)向變形量之間的關(guān)系曲線。隨加筋長度的增加路堤的側(cè)向變形呈非線性減小，當(dāng)加筋長度為6 m時，筋材大部分位于臺階上，位于填土區(qū)的長度較小，對填方路堤的影響較小，因此路堤側(cè)向變形較未加筋時的減少量較小。當(dāng)筋材長度增加到10 m時，路堤的側(cè)向變形量大幅減小，隨著筋材長度進(jìn)一步增加，路堤的側(cè)向變形進(jìn)一步減小，但減小速率逐漸減小。圖11為采用強度折減法獲得的不同加筋長度時路堤的安全系數(shù)變化曲線。由圖可見，隨著加筋長度的增加路堤安全系數(shù)非線性增加。圖12為不同加筋長度時路堤內(nèi)的塑性應(yīng)變分布云圖。同樣，隨加筋長度增加路堤塑性區(qū)開展區(qū)逐漸減小，路堤穩(wěn)定性不斷提高。

圖10 筋材長度對路堤側(cè)向變形的影響

圖11 筋材長度對路堤安全系數(shù)的影響

a) 筋長10 m

b)筋長15 m

c) 滿布

2.2.2 加筋層數(shù)的影響

按照等間距布筋原則，調(diào)整路堤內(nèi)的加筋層數(shù)依次為0(不加筋)、4、6、8、10、12層，每層筋材均采用滿鋪方式進(jìn)行，分析加筋層數(shù)對路堤穩(wěn)定性的影響。圖13為加筋層數(shù)與路堤側(cè)向變形量之間的關(guān)系曲線。隨加筋層數(shù)增加路堤側(cè)向變形呈非線性減小，總體上可以分為兩個階段：當(dāng)加筋層數(shù)小于等于8時，即加筋間距大于3 m時，路堤的側(cè)向變形急劇減??；當(dāng)加筋層數(shù)大于8(加筋間距小3 m)后，路堤側(cè)向變形的減小速率降低。圖14為采用強度折減法獲得的不同加筋層數(shù)時路堤的安全系數(shù)變化曲線。由圖可見，隨著加筋層數(shù)的增加路堤安全系數(shù)非線性增加。圖15為不同加筋層數(shù)時路堤內(nèi)的塑性應(yīng)變分布云圖。分析可知，隨加筋層數(shù)增加(即加筋間距減小)，塑性區(qū)開展區(qū)逐漸

圖13 加筋層數(shù)對路堤側(cè)向變形的影響

圖14 加筋層數(shù)對路堤安全系數(shù)的影響

a) 加筋4層

b) 加筋6層

c) 加筋12層

減小，路堤穩(wěn)定性逐漸提高。

3 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例，采用數(shù)值分析法對加筋高填方路堤的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，主要結(jié)論有：

1) 采用數(shù)值分析法結(jié)合強度折減理論可以直觀地獲得高填方路堤的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和潛在滑裂面位置。

2) 加筋后路堤的最大塑性應(yīng)變區(qū)由邊坡中上部轉(zhuǎn)移到了下部，塑性應(yīng)變區(qū)的位置要較未加筋時更深，從而有效提高路堤的穩(wěn)定性、減小路堤側(cè)向變形。

3) 路堤的安全系數(shù)隨筋材長度和加筋層數(shù)的增加而增大，側(cè)向變形隨筋材長度和加筋層數(shù)的增加而減小。

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