土工格柵加筋路基沉降和應力的數值分析

徐曉波

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

土體在自重荷載以及行車荷載的作用下主要是依靠其自身的抗剪強度承受荷載抵抗變形并保持穩定性。因此，要想提高土體的強度必須通過一定的手段提高其抗剪切強度，布設土工格柵材料就是其中的一種方法。土工格柵加筋路基主要是利用設置在路基底部的高強度、高穩定的土工合成材料與土體之間的相互作用加固土體，從而提高路基的整體穩定性和強度，抑制路基的變形。正是由于土工格柵的諸多優點，在近些年的工程實踐中獲得了大量的應用，很多學者也對土工格柵進行了大量的研究,主要研究方法包括室內試驗以及數值分析。

1 有限元模型

1.1 幾何模型

針對某實際工程，本研究建立了有限元模型，路堤高度4 m，基頂寬度為28 m，邊坡坡度為1∶1.5，坡腳處向兩側延伸9 m，路基計算深度為20 m，土層共分3層，自上而下分別是0.5 m砂土墊層，8.5 m淤泥質黏土，11 m的粉質黏土，土工格柵布設在路堤底部，如圖1所示為最終劃分的網格圖。

圖1 路基模型

1.2 模型參數

本構模型的選擇對于數值計算的效率以及結果的準確性影響重大。本文結合現場實測的地質資料，并參考相關的計算資料與文獻，利用Drucker-Prage模型模擬路堤填土，淤泥質黏土以及粉質黏土，利用彈性模型模擬砂土墊層以及路面材料，同時，參考已有研究，取土工格柵的彈性模量為38.7 GPa，截面積為1.5×10-4m2，模型的具體計算參數如表1所示。

表1 模型參數表

1.3 邊界與接觸

路基的底部為固定端約束，根據實測資料，底限水位線位于地基以下1.5 m，因此底部與兩側同時設置為不透水條件，地基表面為透水邊界。土工格柵材料與路基土體之間通過設置路堤為主區，格柵材料為嵌入區的操作來設置接觸。

1.4 荷載施加

模型計算的荷載施加曲線如圖2所示，前8個月進行路堤的填筑，每個月填筑1 m后固結1個月，路堤都填筑結束后90 d進行固結與預壓，之后進行路面的施工結束后固結。

圖2 加載曲線

2 計算結果

2.1 土工格柵路基內的沉降與應力

符合服役期間所必需的強度和穩定性是對路基最基本的要求，具體而言，體現強度和穩定性的主要指標包括應力分布和變形。針對土工格柵的加筋作用，同樣需要從路基的豎向沉降和應力分布兩個方面進行研究。如圖3所示為布設土工格柵材料后路堤的豎向沉降云圖，與一般的路基沉降相同，路堤體中心處的沉降最大，出現了明顯的沉降盆，可以發現，在土工格柵材料上下的沉降分布有著一定的差異，這種差異的原因正是由于土工格柵的調節沉降作用。

圖3 布設土工格柵路基沉降

圖4為布設土工格柵材料后路堤的豎向應力云圖，可以很清楚地看到，隨著路基深度的增加，豎向應力也在不斷地增加并且成層分布，在格柵周圍的圖層中的壓力等高線有著明顯的錯動，特別是格柵上下土層中的應力值存在著明顯的差異，這恰恰說明了土工格柵材料可以利用自身所具有的高強度以及與土體的接觸改變路基中的應力分布，使路基的受力減小，起到增加路基土強度的作用。

圖4 布設土工格柵路基豎向應力

2.2 加設土工格柵前后的效果

為了進一步說明土工格柵的作用，有必要對于布設土工格柵材料前后路基的主要性能進行對比。如圖5所示為布設土工格柵前后的地基表面路堤中心線處沉降的數值模型計算值，隨著時間的增加，路堤的沉降均不斷增加并最終趨于穩定，值得注意的是，布設土工格柵后路堤的沉降明顯減小，最終的沉降由布設土工格柵前的28 cm降低到了24 cm，降低了14.3%，說明了土工格柵能夠很好地抑制路基的沉降，進而調節不均勻沉降，這對于提高路基的整體穩定性，保證行車的安全性意義重大。

圖5 布設土工格柵前后路堤中心點沉降

圖6為布設土工格柵前后的地基表面基地下不同深度處的豎向應力曲線。隨著深度的增加，豎向應力不斷增大，土工格柵的存在使得相同深度處的豎向應力明顯減小，對于相同深度處的土體受到的應力的減小幅度值相等，約為27.3%，說明土工格柵材料能夠很好地調節地基中的應力分布，進而增加路基的強度，提高路基的穩定性。

圖6 布設土格柵基地下豎向應力圖

3 結論

針對土工格柵材料加固路基的作用效果與機理，通過有限元的方法進行了研究，通過對比布設土工格柵前后路基內的沉降以及豎向應力云圖，表明土工格柵的存在并沒有改變路基中應力與沉降分布的總體特性，只是起到了調節的作用，但是在土工格柵上下處明顯改變了路基中的應力以及沉降的分布。通過分析表明路基中心線處的沉降發展表明土工格柵可以抑制約14.3%的沉降，減小27.3%的地基土體的豎向應力。