基于數(shù)值分析的土工格柵橫向加筋對(duì)浸水路堤的沉降變形影響研究

李宏杰，郭康，周鈺杰

（云南建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司國(guó)際工程部，云南昆明650000）

1 工程背景

萬(wàn)萬(wàn)高速公路是老撾磨丁口岸至萬(wàn)象高速公路中的萬(wàn)榮至萬(wàn)象段，該高速公路起于萬(wàn)象市，終于萬(wàn)榮市，向北經(jīng)瑯勃拉邦對(duì)接中國(guó)磨憨口岸，順接G8511昆明至磨憨高速公路；向南連接老撾—泰國(guó)邊境的老泰友誼大橋，連接泰國(guó)廊開區(qū)境內(nèi)的高速公路，是亞洲昆曼國(guó)際大通道的重要構(gòu)成部分，此高速公路的設(shè)計(jì)全長(zhǎng)達(dá)460余公里，其中第一段萬(wàn)象至萬(wàn)榮高速公路的全長(zhǎng)為109.1km。

由于萬(wàn)萬(wàn)高速地處熱帶雨林地區(qū)，該高速公路穿行地段高溫多雨，年平均氣溫處于25℃~28℃之間，全年雨季長(zhǎng)，年降水量大，可達(dá)2000mm以上。萬(wàn)萬(wàn)高速公路南段地處萬(wàn)象平原地帶，地勢(shì)平緩，河道稀疏，排水條件差；此外，萬(wàn)萬(wàn)高速公路與中老鐵路并肩而行，當(dāng)雨季來(lái)臨的時(shí)候，鐵路與公路之間會(huì)產(chǎn)生大量雍水，盡管公路和鐵路均設(shè)有排水涵洞，但涵洞間距較遠(yuǎn)，且兩側(cè)地勢(shì)平緩，排水效果較差。在典型的熱帶雨林區(qū)，高溫多雨是其明顯的氣候特征，導(dǎo)致其高速公路在建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期存在大量的雨水。水會(huì)對(duì)土質(zhì)路基的強(qiáng)度和變形產(chǎn)生重要的影響，是導(dǎo)致路基病害的關(guān)鍵因素，長(zhǎng)期浸水的高速公路路基很容易受到水的侵蝕和軟化，水的綜合影響將危機(jī)高速公路路基的安全，常常引發(fā)公路路基土體的軟化、顆粒流失，并進(jìn)一步導(dǎo)致路基的翻漿冒泥、整體失穩(wěn)、邊坡垮塌等一系列的病害，對(duì)行車安全產(chǎn)生重大危害，甚至?xí)钄嗟缆方煌?，造成巨大的?jīng)濟(jì)與安全損失。

采用土工格柵橫向加筋是地基加固的常用方法，本文擬采用數(shù)值分析方法研究土工格柵橫向加筋對(duì)浸水路堤沉降變形的影響，研究土工格柵布設(shè)參數(shù)對(duì)路基沉降變形產(chǎn)生的不同影響，以期為浸水路堤的加固處理提供技術(shù)方案的選項(xiàng)。

2 土工格柵橫向加筋浸水路堤數(shù)值模型構(gòu)建

為了研究萬(wàn)萬(wàn)高速公路土工格柵橫向加筋對(duì)浸水路堤穩(wěn)定性的影響，本研究擬采用有限元分析方法進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)土工格柵的不同加筋參數(shù)對(duì)路基沉降變形影響規(guī)律進(jìn)行研究。

2.1 模型構(gòu)建

建模的路基橫斷面頂寬46m，路基橫坡坡度設(shè)定為0°，縱坡坡度取0°，邊坡坡率取68.2°，土體的本構(gòu)模型采用摩爾—庫(kù)侖模型進(jìn)行模擬，在分析時(shí)由于填方路基可以歸納為軸對(duì)稱平面應(yīng)變問題，依照對(duì)稱性原則完成對(duì)模型的假設(shè)：①土的滲流速率恒定可以忽略時(shí)間的影響；②土為彈塑體；③土體中水的流動(dòng)遵從達(dá)西定律；④土是連續(xù)且土體均勻；⑤車輛荷載取20kPa。采用FLAC3D有限元軟件建立公路模型，并完成對(duì)模型的網(wǎng)格劃分，由于地基在變形中位移量較小，因此劃分較為稀疏；路基在變形中的位移量相對(duì)來(lái)說較大，因此在劃分網(wǎng)格的時(shí)候較為密集，在不影響計(jì)算精度的同時(shí)，加快計(jì)算進(jìn)程。在對(duì)邊界施加約束時(shí)，考慮實(shí)際情況，對(duì)路基底部采用完全約束；對(duì)地基橫向施加約束，豎向不施加約束。見圖1。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 模型參數(shù)選取

數(shù)值模型中土工格柵、地基土體、墊層、路堤材料釆用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，參數(shù)不僅易確定而且其反映實(shí)際受力和變形能力較好。樁體按照線彈性模型確定相關(guān)參數(shù)，物理力學(xué)參數(shù)包括彈性模量E和泊松比。模型中主要材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)和單元形式

土工格柵主要選取型號(hào)為TGSG50的雙向土工格柵，其技術(shù)指標(biāo)參見表2。

表2 土工格柵技術(shù)指標(biāo)

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 有、無(wú)格柵沉降模擬

選擇邊坡坡率為1∶0.75的路基進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)鋪設(shè)（土工格柵的敷設(shè)厚度去0.9m）和未鋪設(shè)土工格柵兩種工況的路基沉降情況進(jìn)行分析，計(jì)算得到如圖2所示的沉降量結(jié)果，a沉降曲線為設(shè)置了土工格柵的路基沉降量，b為未設(shè)置土工格柵的路基沉降量，對(duì)比分析可知，對(duì)比未鋪設(shè)土工格柵的情況，鋪設(shè)格柵路堤的路基沉降量下降了8%~12%，而未鋪設(shè)土工格柵時(shí)的最大沉降量達(dá)到了500mm。

從圖2還可以看出，路基沉降量最大位置處于路堤中心點(diǎn)，距離路堤中心點(diǎn)位置越遠(yuǎn)則沉降量隨之減小。

圖2 路堤沉降量

3.2 格柵間距改變沉降模擬分析

為了進(jìn)一步分析土工格柵鋪設(shè)參數(shù)變化對(duì)土質(zhì)路基工后沉降產(chǎn)生的影響，主要考慮了土工格柵鋪設(shè)間距差異的影響，分別考慮了不鋪設(shè)土工格柵以及鋪設(shè)間距分別為600mm、900mm、1200mm、1500mm等四種情況，數(shù)值分析的結(jié)果如圖3所示。如圖可知，隨著土工格柵的鋪設(shè)間距加密，土工格柵的加筋作用越來(lái)越明顯，路堤的沉降量持續(xù)減小，其中鋪設(shè)間距為0.6m時(shí)，土工格柵加筋對(duì)路堤沉降量的降低作用最為明顯。

圖3 不同格柵間距的路堤沉降量

3.3 變化路堤坡度時(shí)沉降分析

路基坡率是影響路基邊坡穩(wěn)定的重要因素，同時(shí)也會(huì)對(duì)路基的沉降產(chǎn)生直接影響，為研究不同坡率對(duì)路基沉降量所產(chǎn)生的影響，本文針對(duì)加筋間距0.9m的路堤，分別選擇了1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5等五種常見坡率進(jìn)行了數(shù)值分析，研究坡率對(duì)路基沉降量的影響規(guī)律，數(shù)值分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同坡度有格柵時(shí)路堤表面的沉降

由圖4可知，隨著坡率不斷變換，路堤沉降量也不斷降低，對(duì)比坡率1∶1.5和坡率1∶0.5的路堤沉降量，總的路堤沉降增大了8cm左右。路堤邊坡坡率越緩，沉降量就越大，由此可見，路堤坡度變陡會(huì)導(dǎo)致路堤沉降量變小。由此可見，加筋路堤對(duì)沉降的影響存在著顯著的尺寸效應(yīng)。究其原因，很可能是因?yàn)殡S著路堤坡率變大，路堤底部寬度不斷加大，路堤的荷載產(chǎn)生了顯著的擴(kuò)散效應(yīng)，此時(shí)在路堤中鋪設(shè)土工格柵所產(chǎn)生的荷載擴(kuò)散效果受到削弱，土工格柵所產(chǎn)生的緩解路堤沉降的加筋效果就被顯著削弱。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于室內(nèi)試驗(yàn)得到的物理力學(xué)參數(shù)構(gòu)建了有限元數(shù)值分析模型，對(duì)路堤中鋪設(shè)土工格柵影響路堤沉降特性的效果進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究表明土工格柵鋪設(shè)參數(shù)會(huì)影響路堤的沉降變形規(guī)律，研究得出的主要結(jié)論如下：

（1）在路堤中鋪設(shè)土工格柵能夠產(chǎn)生顯著的擴(kuò)散效應(yīng)，當(dāng)土工格柵的豎向鋪設(shè)間距為0.9m時(shí)，能夠產(chǎn)生總沉降量降低8%以上的效果，本文的分析結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

（2）路堤的最大沉降量發(fā)生在路堤中心位置，隨著土工格柵的鋪設(shè)間距加密，土工格柵的加筋作用越來(lái)越明顯，路堤的沉降量持續(xù)減小，其中土工格柵鋪設(shè)的豎向間距為0.6m時(shí)，土工格柵加筋對(duì)路堤沉降量的降低作用最為明顯。

（3）加筋路堤對(duì)沉降的影響存在著顯著的尺寸效應(yīng)，路堤邊坡坡率越緩，沉降量就越大，土工格柵的加筋效應(yīng)越弱，路堤坡度變陡會(huì)導(dǎo)致土工格柵的加筋效應(yīng)變得更加顯著。