加筋材料對(duì)公路路堤變形穩(wěn)定影響

0 引言

路堤是用于道路或其他基礎(chǔ)設(shè)施工程中的一種結(jié)構(gòu)物，它通過在地面上構(gòu)建一系列相互連接的土體來支撐和保護(hù)其下的路基[1-2]。為了確保路堤的穩(wěn)定性和耐久性，工程師們經(jīng)常使用土工格柵來加固路堤表面，以提高其整體性能。然而在實(shí)際應(yīng)用中，加筋路堤可能會(huì)因?yàn)槎喾N因素而出現(xiàn)變形問題，這些因素包括但不限于材料性質(zhì)、施工質(zhì)量、外部荷載作用以及環(huán)境條件等。因此針對(duì)土工格柵加筋路堤變形的研究顯得尤為重要。

大量學(xué)者對(duì)土工格柵加筋路堤進(jìn)行研究。范鵬慧[3]研究了不同土工格柵加筋方案對(duì)路堤變形的影響，通過數(shù)值模型進(jìn)行分析，對(duì)不同加筋方案在控制路堤內(nèi)部的豎向位移以及坡面水平位移方面的性能進(jìn)行了綜合評(píng)估。朱琳[4]等分析土工格柵加筋路堤邊坡變形的影響，研究結(jié)果表明，土工格柵的加入有效的改善了邊坡的應(yīng)力狀態(tài)，減小了路堤邊坡沉降，土工格柵的加筋間距越小對(duì)路堤邊坡的增強(qiáng)效果越好。陳軍等[5]通過有限元軟件模擬不同工況下土工格柵對(duì)拓展路堤的影響，研究結(jié)果表明，合理的加筋間距顯著提高了拓展路堤的穩(wěn)定性。胡衛(wèi)國[等通過室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模型，對(duì)土工格柵在填方路堤中的鋪設(shè)與方案優(yōu)化進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土工格柵的加入有效提高穩(wěn)定了土體。

本文以某公路作為研究對(duì)象，對(duì)土工格柵加筋路堤的變形情況進(jìn)行深入研究，分析不同工況（加筋間距、加筋長度、坡比）下加筋路堤的變形特征，試驗(yàn)結(jié)果為類似工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1工程概況

本文以某地公路項(xiàng)目為研究對(duì)象，采用雙向四車道，設(shè)計(jì)最高時(shí)速為 100km/h ，路面寬度為 40m 。路基設(shè)計(jì)充分考慮地質(zhì)條件和地基承載能力，適當(dāng)采用土工格柵進(jìn)行加筋，以確保路基穩(wěn)定。路面結(jié)構(gòu)采用瀝青混凝土材料，保證路面平整度和耐久性。

2數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)加筋路堤的變形情況以及實(shí)際工程情況，建立有限元模型。進(jìn)行建模與分析時(shí)，鑒于路堤工程典型的對(duì)稱結(jié)構(gòu)特性，為了提高計(jì)算效率并減少分析復(fù)雜度，對(duì)其合理的簡化處理，僅選取模型的一半作為研究對(duì)象進(jìn)行深入分析。路堤上部結(jié)構(gòu)的一半為 20m ，高度為14m 。

采用摩爾-庫倫模型。模型的邊界條件設(shè)置如下：模型左右兩邊對(duì)X軸方向的位移進(jìn)行約束，模型底部對(duì)X、Y軸兩個(gè)方向的位移進(jìn)行約束，模型上表面為自由。模型中土層計(jì)算參數(shù)和土工格柵計(jì)算參數(shù)分別見表1和表2。

本文主要通過土工格柵加筋路堤，進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同加筋間距（ （0.25m. 、0.5m、0.75m、1m）、加筋長度（0.2H、0.4H、0.6H、 0.8H ，其中 H 為邊坡高度）、坡比（1：0.5、1：0.75、1：1）對(duì)路堤變形的影響。

3路堤變形分析

3.1不同加筋間距對(duì)路堤變形的影響

在路堤工程中，加筋間距逐漸縮小，會(huì)造成所需鋪設(shè)土工格柵的數(shù)量也相應(yīng)增加，導(dǎo)致額外的費(fèi)用支出。此外，加筋間距與路堤穩(wěn)定性之間的具體聯(lián)系，是一個(gè)需要深入探討的問題。它涉及到如何平衡成本與性能，以及如何根據(jù)不同土質(zhì)、氣候條件和路堤結(jié)構(gòu)要求，來精確計(jì)算最合適的加筋間距。本小節(jié)主要研究不同加筋間距對(duì)土工格柵加筋路堤的影響，將邊坡比設(shè)計(jì)為1：0.5。

3.1.1 路堤豎向位移

不同加筋間距下土工格柵加筋路堤豎向位移如圖1所示。從圖1中可以看到：當(dāng)距離路堤中心處距離一定時(shí)，加筋路堤的豎向位移隨著加筋間距的增加而增加；當(dāng)加筋間距一定時(shí)，加筋路堤的豎向位移隨著離中心處的距離增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)加筋間距為0.25m時(shí)路堤的豎向位移最??；當(dāng)加筋間距為1m時(shí)路堤的豎向位移最大。

分析認(rèn)為，當(dāng)土工格柵之間的間隔較小時(shí)，它們可以更緊密地相互連接，因此在受到壓力或外部力量影響時(shí)，這些土工格柵能夠更加有效地保持和固定材料的變形，從而承擔(dān)更大的負(fù)荷。這樣緊湊的布局不僅增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且還提高了工程的耐久性和可靠性。

3.1.2路堤側(cè)向位移

不同加筋間距下土工格柵加筋路堤側(cè)向位移如圖2所示。從圖2中可以看到：土工格柵加筋間距的增加，路堤邊坡側(cè)向位移越小。當(dāng)加筋間距為 0.25m 時(shí)，路堤邊坡側(cè)向位移最大;當(dāng)加筋間距為1m時(shí)，路堤邊坡側(cè)向位移最小。

分析認(rèn)為，當(dāng)加筋更緊密時(shí)，加筋路堤的整體剛度得到增強(qiáng)，這意味著材料之間的相互作用更為強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致位移向更廣范圍擴(kuò)散。這種位移的向外擴(kuò)散，體現(xiàn)了加筋結(jié)構(gòu)在面對(duì)外部力量時(shí)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。所以控制格柵之間的距離，可以優(yōu)化加筋路堤的性能，確?；A(chǔ)設(shè)施能夠承受長期的負(fù)荷而不會(huì)出現(xiàn)過度的側(cè)向變形。

3.2不同加筋長度對(duì)路堤變形的影響

土工格柵加筋長度過短可能導(dǎo)致材料的實(shí)際應(yīng)用效果受到顯著影響。當(dāng)加筋格柵長度不足時(shí)，其提供的增強(qiáng)效果將受到影響。較短的加筋材料能夠起到的加固作用相對(duì)有限，邊坡的穩(wěn)定性和整體性能會(huì)受到負(fù)面影響，可能會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)不穩(wěn)、路面開裂等一系列工程問題。因此在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制加筋格柵的長度，確保達(dá)到預(yù)期的加固效果。本小節(jié)主要研究不同加筋長度對(duì)土工格柵加筋路堤的影響，將邊坡比設(shè)計(jì)為1：0.5。

3.2.1路堤豎向位移

不同加筋長度下土工格柵加筋路堤的豎向位移如圖3所示。從圖3中可以看到：當(dāng)距離路堤中心處距離一定時(shí)，加筋路堤的豎向位移隨著加筋長度的增加而減小。路堤在土工格柵加筋長度為 0.8H 時(shí)，豎向位移最小，為 2.99cm 。

這種現(xiàn)象的原因主要與加筋材料的力學(xué)性能以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔糜谕馏w中的應(yīng)力分布有關(guān)。隨著加筋長度的增加，對(duì)路堤中產(chǎn)生的約束力增強(qiáng)，從而使得路基結(jié)構(gòu)對(duì)外部壓力和不均勻沉降的敏感度降低。綜合來看，加筋長度的增大有助于提高路堤穩(wěn)定性，它增加了土體的整體強(qiáng)度和剛度，有效抑制了路堤的豎向變形。

3.2.2路堤側(cè)向位移

不同加筋長度下土工格柵加筋路堤的側(cè)向位移如圖4所示。從圖4中可以看到：土工格柵加筋長度的增加，路堤邊坡側(cè)向位移越小。當(dāng)土工格柵的加筋長度為0.8H時(shí)，路堤邊坡側(cè)向位移最小。

分析認(rèn)為，增加土工格柵的加筋長度，更多的橫向約束力被引入到邊坡中。這種額外的約束力有助于抑制側(cè)向位移的產(chǎn)生，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性和安全性。土工格柵覆蓋的區(qū)域越廣，其對(duì)邊坡表面變形的限制作用就越強(qiáng)。因此增加土工格柵的長度可以減小由于降雨、地震或其他外力作用導(dǎo)致的潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)，確保公路或鐵路工程長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3不同坡比對(duì)路堤變形的影響

在進(jìn)行加筋路堤的設(shè)計(jì)與施工時(shí)，需要考慮斜坡與路基之間的坡比對(duì)路堤穩(wěn)定的顯著影響。坡比會(huì)直接關(guān)系到加筋材料的受力情況以及路堤的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響整體工程的安全性能。因此，深入分析和研究不同坡比下加筋路堤的穩(wěn)定性特征顯得尤為重要。

不同坡比下土工格柵加筋路堤的豎向位移如圖5所示。從圖5中可以看到：隨著路堤坡比的增大，土工格柵加筋路堤的豎向位移越大。在坡比為1：0.5時(shí)，土工格柵加筋路堤的豎向位移最大。

分析認(rèn)為，路堤邊坡比增大意味著路堤高度隨之增加，由此導(dǎo)致土工格柵加筋路堤在承受重力時(shí)產(chǎn)生更大的豎向位移。這種位移的增加是由于加筋層與土體之間相互作用的結(jié)果，尤其是在荷載作用下，土工格柵的拉伸和壓縮會(huì)對(duì)路基穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

隨著邊坡比的增大，加筋層需要更強(qiáng)的支撐，以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此它對(duì)土體的摩擦力也會(huì)增強(qiáng)，從而加劇了豎向位移的現(xiàn)象。加筋層的存在還會(huì)改變土體內(nèi)應(yīng)力分布，進(jìn)一步加大路堤的豎向位移。

4結(jié)論

本文以某公路路堤作為研究對(duì)象，采用有限元軟件建立數(shù)值模型，分析不同加筋間距、加筋長度、坡比下土工格柵加筋路堤的變形特性。得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)距離路堤中心處距離一定時(shí)，加筋路堤的豎向位移隨著加筋間距的增加而增加。當(dāng)加筋間距一定時(shí)，加筋路堤的豎向位移隨著離中心處的距離增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)加筋間距為 0.25m 時(shí)路堤的豎向位移最小。

2）隨著土工格柵加筋間距越大，路堤邊坡側(cè)向位移逐漸減小。這是由于材料之間的相互作用更為強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致位移向更廣范圍擴(kuò)散。

3）當(dāng)距離路堤中心處距離一定時(shí)，加筋路堤的豎向位移隨著加筋長度的增加而減小。當(dāng)加筋間距一定時(shí)，加筋路堤的豎向位移隨著離中心處的距離增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。隨著土工格柵加筋長度增加，路堤邊坡側(cè)向位移逐漸變小。最佳的加筋長度為 0.8H 。

4）隨著路堤坡比的增大，土工格柵加筋路堤的豎向位移越大。在坡比為1：0.5時(shí)，土工格柵加筋路堤的豎向位移最大。

參考文獻(xiàn)

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