高填方土工格柵加筋路堤穩(wěn)定性分析

張 民

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 公路設(shè)計(jì)院，天津 300170）

由于山區(qū)特殊的地理、地貌環(huán)境，修建高速公路會不可避免的遇到高填方和深挖路塹的情況[1]，高速公路局部大沉降變形、滑坡等穩(wěn)定性問題時(shí)有發(fā)生[2]。近年來，土工合成材料在高速公路中的應(yīng)用越來越廣泛，它依靠格柵材料表面與土體直接的摩擦接觸和格柵之間與土體的端部摩阻力等的作用與土形成力學(xué)穩(wěn)定性好的加筋土[3]，在豎向荷載作用下，土工格柵與土之間的相互作用使得高填方路堤土體基質(zhì)形成多層彈塑性體[4]，從而避免了路堤發(fā)生不均勻沉降和變形[5]。影響加筋效果的因素很多，研究這些因素對路堤穩(wěn)定性的影響十分必要。曲新杰[6]利用ABAQUS 非線性有限元分析軟件對交通荷載下土工格柵加筋粉煤灰路堤穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，分析了土工格柵的加筋穩(wěn)定機(jī)理；劉強(qiáng)森等[7]利用ABAQUS 對土工格柵不同位移下拉力與位移關(guān)系、擋塊拉拔阻力效果以及筋土界面摩阻力分布進(jìn)行了分析，研究得出擋塊式土工格柵在處理新舊路基時(shí)優(yōu)勢明顯。本文以京新高速公路膠泥灣—冀晉段為例，利用ABAQUS 軟件模擬不同工況下高填方路堤的沉降以及穩(wěn)定性特征。

1 模型建立

1.1 基本假定

理想模型，忽略地下水、地表水滲漏、地震荷載、交通荷載、土壤固結(jié)、土壤溫度敏感性等因素，為便于有效分析計(jì)算，作如下假設(shè)：

1）填筑材料分布均勻，忽略溫度影響；

2）斷面各土層表面是相對水平的；

3）不穩(wěn)定條件的判斷是基于數(shù)值計(jì)算的收斂性，如果模擬結(jié)果沒有在最大迭代次數(shù)內(nèi)收斂，則假定沒有能夠滿足屈服條件的應(yīng)力分布，整體平衡已經(jīng)發(fā)生破壞。

1.2 模型建立

建立與現(xiàn)場相同的斷面模型；由于路堤的對稱性，選取一半截面建立模型。本工程涉及的高填方路堤是由三級邊坡組成，坡比均為1∶1，每級邊坡均設(shè)有寬2 m 的土體平臺。根據(jù)實(shí)際工程情況，選取邊坡高度為30 m，三級邊坡均為1:1 坡比，坡頂鋪面為20 m，地基深度15 m。采用莫爾-庫侖非線性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。由于主要對截面進(jìn)行分析，故將路堤簡化為平面問題。模型的初始約束下部固定，左右兩側(cè)水平約束，上部自由邊界。分層填筑法是高填方路堤的最有效施工方法[8]，但在ABAQUS 模擬中不影響穩(wěn)定性分析結(jié)果，故忽略其影響。見圖1。

圖1 三級邊坡高路堤有限元模型

由于填土情況復(fù)雜，根據(jù)不同土體參數(shù)分層建模。見表1。

表1 高填方路堤材料計(jì)算參數(shù)

選用EG 3030 土工格柵，厚5 mm、彈性模量38.7 GPa、泊松比0.33、切向剛度2.3×106kPa/m，內(nèi)摩擦角為29.2°，黏聚力0。

1.3 土工格柵的設(shè)置

采用Truss 單元模擬土工格柵。由于具有只承受拉力的特點(diǎn)，因此對土工格柵的性能值設(shè)置*No compression。鋼筋與土的接觸采用ABAQUS 中的界面約束(Constraints)命令，使用嵌入關(guān)系來處理兩者的相互作用，土工格柵作為嵌入?yún)^(qū)域（Embedded region）嵌入到路堤主區(qū)（host region）中，格柵的界面參數(shù)：接觸面黏聚力為0，接觸面摩擦角為15°。

2 影響穩(wěn)定性因素模擬

2.1 加筋間距

2.1.1 工況

為研究不同加筋間距對高填方路堤的穩(wěn)定性，對不同的加筋方案分別進(jìn)行模擬。

1）工況一：全截面不加筋。

2）工況二：從一級邊坡頂部開始，每隔6 m 鋪設(shè)一層土工格柵，加筋長度20 m。

3）工況三：從一級邊坡頂部開始，每隔3 m 鋪設(shè)一層土工格柵，加筋長度20 m。

2.1.2 結(jié)果分析

1）工況一。高填方路堤填筑完成后，在土體自重作用下，上部土體的應(yīng)力逐漸向下部傳遞，路堤底部中心處應(yīng)力最大并由此向外依次遞減。一、二、三級邊坡外部邊緣土的沉降較內(nèi)部土體更大，這是因?yàn)閮?nèi)部土體受到了約束，不同土體的彈性模量大小不一樣，地基土和路堤的沉降大小也有一定的差異。

2）工況二。對比不加土工格柵的高填方路堤，分布規(guī)律基本不變，但最大應(yīng)力值有所減小，說明土工格柵傳遞土體應(yīng)力，分擔(dān)了部分應(yīng)力。加土工格柵后整體沉降有減小的趨勢，沉降分布規(guī)律和不加土工格柵較為相似。路堤的塑性區(qū)是最先從坡腳處開始，逐漸沿著45°角方向向內(nèi)延伸，最終僅有坡腳處有小部分塑性區(qū)，可見土工格柵對高邊坡路堤內(nèi)部的應(yīng)力分散作用十分顯著。

3）工況三。不論是應(yīng)力還是應(yīng)變值都有大幅度降低，塑性區(qū)的分布區(qū)域也越來越小，除坡底小面積變形相對較大外，其余部分均在工程可接受范圍內(nèi)。由此可見，土工格柵鋪設(shè)層數(shù)對高填方路堤的穩(wěn)定性有著明顯的影響，在一定范圍內(nèi)格柵鋪設(shè)層數(shù)越大，間距越小，高填方路堤的土壓力和沉降的降低效果更明顯，路堤越穩(wěn)定。

2.2 筋材長度

由于邊坡潛在滑移面的存在，土工格柵長度也是一個(gè)需要考慮的參數(shù)，一般需要使水平鋪設(shè)的土工格柵穿過潛在滑移面，但是在實(shí)際工程中難以直接求出潛在滑移面的位置，一般經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)長度為（0.5～0.8）H（H為一級邊坡的高度）[9]，因此需要對筋材長度與路堤穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行分析。見圖2。

圖2 不同格柵長度下路堤位移

由圖2可以看出：土工格柵的長度（0.6～1.0）H對高填方路堤的豎向沉降影響作用不明顯，0.4H加筋長度的路堤出現(xiàn)了沉降增大的現(xiàn)象，從0.4H到0.6H沉降減小25%，而0.6H到0.8H沉降變化幾乎為0；土工格柵對路堤的水平向位移約束效果較好，不同長度加筋的高填路堤水平位移差異較大，其中1.0H加筋長度路堤水平位移最小，格柵長度越小，水平位移越大且增長趨勢越明顯。

2.3 地基土

高填方路堤的地基土是指填方以下、承受填方土傳遞下來的荷載的土體。不同地基土?xí)胁煌膲嚎s性能，從而會對填方路堤起不同作用；有必要研究不同種類的地基土對路堤穩(wěn)定性的影響。分別選擇碎石土、砂土和黏性土進(jìn)行模擬，見表2。

表2 3種地基土計(jì)算參數(shù)

通過模擬得出：粉質(zhì)黏土地基穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)的塑性變形范圍較廣且貫穿地基和填方路堤，但塑性變形量不大，是一種較好的路基材料；砂土地基穩(wěn)定時(shí)塑性變形區(qū)最小，集中在地基處且無局部塑性區(qū)過大現(xiàn)象，最適合作為地基材料；碎石土塑性變形區(qū)過大，不適合用作路基材料。

2.4 地基傾斜度

由于背景工程地理環(huán)境較為復(fù)雜，遇到不同的地勢和水文條件需要采取不同手段進(jìn)行處理，導(dǎo)致路段截面各有不同，有的高填方路堤是直接建立在斜坡地基上的。為滿足實(shí)際工程要求，選擇15°和30°傾角的傾斜地基，忽略地基變形的影響。

當(dāng)?shù)鼗露葹?5°時(shí)，高填方路堤整體變形較小，只有小面積發(fā)生較大變形；而當(dāng)?shù)鼗露葹?0°時(shí)，高填方路堤在自重的作用下向下發(fā)生沉降，由于坡腳處土體最少剪切角較大，因此坡底土體最先發(fā)生塑性變形，隨著時(shí)間推移，塑性區(qū)開始向中間發(fā)展并逐漸增大，最終變成中心塑性區(qū)較大、整體位移較大的狀態(tài)。地基坡度對高填方路堤的穩(wěn)定性影響十分顯著，地基傾角越大，高填方路堤的穩(wěn)定性能越差。在實(shí)際工程中，遇到傾角比較大的高路堤需要考慮鋪設(shè)合理數(shù)量的土工格柵，土工格柵長度應(yīng)該從路堤穿入地基層，這樣才能使得高填方路堤的穩(wěn)定性滿足要求。

2.5 地基處理方式

為深入地探討地基處理方式對高填方路堤穩(wěn)定性的影響，利用ABAQUS 在30°傾角的地基上選擇斜坡式和階梯式兩種方式鋪筑高填方路堤，模擬過程中為了滿足高填方路堤的整體穩(wěn)定性，每隔6 m 鋪設(shè)一層10 m 長的土工格柵。

結(jié)果表明：在斜坡路堤中土體塑性區(qū)和應(yīng)力分布范圍都比階梯路堤中的土體塑性區(qū)和應(yīng)力分布范圍小，但是應(yīng)力和塑性變形值都比階梯路堤大2 倍左右并且斜坡路堤中土體總量本身就比階梯要小，土工格柵嵌入地基內(nèi)有一定長度，階梯路堤中土工格柵并未嵌入地基中，使得應(yīng)力全部由高填方路堤自身承擔(dān)，應(yīng)力沒有損失。因此綜合分析下來還是階梯狀路堤應(yīng)力、應(yīng)變情況較好。

3 結(jié)論

鋪設(shè)土工格柵的路堤承載能力明顯大于未加筋的情況。加筋間距越小，高填方路堤的穩(wěn)定性越好，每3 m 鋪設(shè)一層土工格柵是較為合理的；土工格柵的長度變化對路堤側(cè)向位移約束的大小較為敏感，加筋長度越長，高填方路堤越穩(wěn)定；地基土剛度越大，塑性區(qū)和應(yīng)力集中越容易，相較于黏性土和碎石，砂土最能滿足地基應(yīng)力-應(yīng)變分布。