竹筋格柵加筋山區(qū)挖填路基數(shù)值模擬分析初探

(1.中國水利水電第八工程局有限公司 湖南 長沙 410001；2.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 湖南 湘潭 411105)

前言

竹材因具有分布廣、生長速度快、可再生以及強(qiáng)度高等優(yōu)點在土木工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，竹筋格柵因優(yōu)良的力學(xué)特征及生態(tài)環(huán)保優(yōu)點，在一些路基工程[1]、基坑擋墻[2]、文物保護(hù)工程[3]中得以應(yīng)用。但是目前針對竹筋在山區(qū)挖填這種特殊路基結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還鮮見報道，本文擬基于Flac3D有限差分軟件，建立竹筋格柵加筋挖填路基三維模型，探討竹筋格柵在挖填路基中的適應(yīng)性。

一、竹筋格柵加筋挖填路基數(shù)值分析

(一)數(shù)值模型構(gòu)建

本次數(shù)值模擬試驗?zāi)Ｐ鸵院鲜∠嫖鞯貐^(qū)龍永高速公路連線挖填路基K62+345～350路段為原型，路基尺寸為15m×4.3m×10m(長×寬×高)，坡比1：0.466，地基尺寸為20m×4.3m×10m(長×寬×高)，挖填交界臺階高2m，寬1.5m，一共5個臺階；采用Flac3D進(jìn)行數(shù)值分析，試驗分為3種工況，工況1為挖填交界臺階處不加筋、工況2為加土工格柵、工況3為加竹筋格柵，路基模型網(wǎng)格劃分如圖1所示；巖土體屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫模型，相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)見表1，土工格柵采用Flac3D自帶的Geogrid單元模擬，力學(xué)參數(shù)見表2，竹筋格柵采用實體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型采用各向同性彈性模型，竹筋格柵與填方區(qū)土體相互作用以及挖填交界面均使用interface單元模擬，參數(shù)見表3；竹筋格柵與土工格柵均從每一層臺階內(nèi)側(cè)延伸至邊坡滿布，分別鋪設(shè)5層；

表1 巖土體及竹筋的力學(xué)參數(shù)

表2 土工格柵的物理力學(xué)參數(shù)

表3 接觸面單元參數(shù)

圖1 路基模型網(wǎng)格劃分

(二)不同工況下差異沉降分析

圖2為不同工況模型計算下路基頂面各點的沉降值，可見，當(dāng)未對挖填交接面進(jìn)行加筋處理時，路基頂面最大沉降值達(dá)54.11mm，最大沉降與最小沉降值相差30.33mm，路基頂面沉降曲線在挖填交界面處有突變。當(dāng)在挖填交接面處鋪設(shè)土工格柵或者竹筋格柵后，路基頂面最大沉降分別為51.67、48.11mm，最大沉降與最小沉降分別相差28.05mm、24.61mm，最大沉降相比于不加筋分別減少了

4.5%、11.09%，差異沉降相比于未加筋分別減少了7.52%、18.86%，路基頂面沉降曲線相比于未加筋時明顯平滑，有效的協(xié)調(diào)了挖填交界兩側(cè)的變形，且竹筋格柵的加筋效果要優(yōu)于土工格柵。這是由于土工格柵屬于網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，其抗彎能力相比竹筋格柵較小，在填方區(qū)，由于竹筋的抗彎特性，竹筋格柵將分擔(dān)大部分豎向壓力，從而土體所受到的豎向壓力減少，減少了沉降量。

圖2 不同工況路基頂面沉降圖

(三)竹筋格柵的鋪設(shè)位置對挖填路基頂面差異沉降的影響分析

為了研究挖填交界面臺階處竹筋格柵鋪設(shè)層數(shù)對挖填路基的影響，本次數(shù)值模擬試驗還還設(shè)置了4種不同工況，它們分別是，工況a：頂層鋪設(shè)竹筋格柵；工況b：中間層鋪設(shè)竹筋格柵；工況c：底層鋪設(shè)竹筋格柵；工況d：底層、第二層及中間層鋪設(shè)竹筋格柵；層數(shù)命名如圖3所示

圖3 層數(shù)命名

圖4為不同工況下路基頂面沉降值，可見：工況c相比于工況a及工況b，其路基頂面沉降值更低，這表明，若僅在填方區(qū)鋪設(shè)一層竹筋格柵，則在底層鋪設(shè)竹筋格柵的效果最佳；當(dāng)只在頂層鋪設(shè)竹筋格柵時，其路基頂面最大差異沉降值相比于未鋪設(shè)竹筋格柵減少了8.4%，當(dāng)在頂層、中間層以及底層均鋪設(shè)竹筋格柵時，其路基頂面差異沉降值相比于未鋪設(shè)竹筋格柵減少了16.3%，當(dāng)在每一層均鋪設(shè)竹筋格柵時，其路基頂面最大差異沉降值相比于未鋪設(shè)竹筋格柵減少了20%。

圖4 不同工況路基頂面沉降

由前述分析可知，路基頂面差異沉降值并非隨著竹筋格柵加筋層數(shù)的增加而線性減少，路基頂面差異沉降值的減小幅度隨著加筋層數(shù)的增加而降低，同時，鋪設(shè)三層竹筋格柵，其加筋效果與每一層鋪設(shè)竹筋格柵非常接近，因此，在工程中，為既保證加筋效果，又能節(jié)約人力及物力，建議采取在頂層、中間層及底層鋪設(shè)竹筋格柵。

二、結(jié)論

(1)挖填交界面鋪設(shè)筋材能有效控制路面變形，減少路基頂面差異沉降，且竹筋格柵的加筋效果優(yōu)于土工格柵。

(2)同時在挖填路基底層、中間層以及頂層鋪設(shè)竹筋格柵所產(chǎn)生的加固效果與在每一層均鋪設(shè)竹筋格柵的加固效果接近，為在保證加筋效果的同時，提高路基建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，建議在填方區(qū)底層、中間層及頂層滿布竹筋格柵。