土工格柵加筋陡邊坡變形及穩(wěn)定性分析★

趙振華 薛曉輝

(1.貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550001; 2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000)

近年來(lái)隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，在建及改擴(kuò)建公路建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越注重環(huán)保，如何在工程建設(shè)中既節(jié)省工程占地面積，又能美化環(huán)境，同時(shí)還能降低工程造價(jià)成為工程設(shè)計(jì)發(fā)展的新方向。土工格柵作為一種加筋材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)項(xiàng)目中，同時(shí)在高陡邊坡工程中已開(kāi)始應(yīng)用，以解決高速公路在跨越地形較陡路段時(shí)的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，從而保證施工安全、邊坡穩(wěn)定及工程質(zhì)量。土工格柵加筋高陡路堤邊坡工程不但可以極大地減少土石方工程量，同時(shí)在縮短工期、少占農(nóng)田等方面具有極大優(yōu)勢(shì)，還能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

文中通過(guò)數(shù)值模擬的手段建立土工格柵加筋高陡路堤模型，對(duì)土工格柵加筋高陡路堤邊坡的變形特性及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

1 建立土工格柵加筋高陡路堤計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型的確定

選取邊坡坡度為1∶0.75，路堤邊坡模型見(jiàn)圖1，圖2，邊坡尺寸見(jiàn)表1。

圖1 高陡路堤未加筋模型

圖2 高陡路堤加筋模型

表1 邊坡尺寸 m

在數(shù)值模擬軟件中，將該加筋土陡堤簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析。其中地基和填料都采用摩爾—庫(kù)侖材料模型模擬，土工格柵體采用反包式，軟件中路堤邊坡面采用軟件中墻面板單元進(jìn)行模擬;土工格柵采用2-node桿單元模擬;土工格柵和填料、填料與面板之間的接觸面采用Goodman接觸單元來(lái)模擬。有限元分析中用到的材料參數(shù)通過(guò)室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)得到，如表2所示。

表2 材料參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

PLAXIS程序提供了6節(jié)點(diǎn)三角形單元和15節(jié)點(diǎn)三角形單元，而15節(jié)點(diǎn)單元是一種非常精確的單元，可以得出精度很高的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，因此，計(jì)算中采用15節(jié)點(diǎn)單元為基本單元，PLAXIS的網(wǎng)格生成是基于穩(wěn)定的三角形分割程序，形成的是“非結(jié)構(gòu)化”網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的數(shù)值計(jì)算一般優(yōu)于規(guī)則“網(wǎng)格”。生成的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

邊界條件:Ⅰ—Ⅰ斷面X=0，Y=0;Ⅱ—Ⅱ，Ⅲ—Ⅲ斷面X=0。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 加筋沉降的影響

圖4 路堤頂面沉降

從圖4，圖5可以看出，加筋對(duì)路堤沉降影響很大，對(duì)于未加筋路堤，沉降最大位置在路堤頂面中心位置，為0.554 m，沉降沿遠(yuǎn)離中心位置逐漸減小，但減小幅度很小;加筋后陡堤沉降最大位置依然在中心位置，分別為0.32 m，但沿遠(yuǎn)離中心位置減小幅度較大，對(duì)比數(shù)據(jù)后得出加筋后可減小路堤頂面中心位置沉降40%以上，最遠(yuǎn)端沉降可減小50%，加筋效果顯著。對(duì)于路堤底部沉降，未加筋地基沉降規(guī)律為路堤中間豎向沉降量最大，遠(yuǎn)離路堤中心位置豎向沉降量依次減小，且坡腳處沉降和路堤中位置差異沉降較大。加筋處理后，沉降趨于均勻，基本不存在差異沉降，整個(gè)沉降趨于平緩，沒(méi)出現(xiàn)差異沉降。

圖5 路堤底面沉降

根據(jù)以上數(shù)據(jù)及分析可以得出，加筋后不但較大減小了路堤的豎向沉降，同時(shí)改變了沉降規(guī)律，從原有的整體式下沉規(guī)律，變?yōu)橹虚g沉降大，兩邊沉降小的新沉降規(guī)律。可見(jiàn)，反包式加筋，起到了土兜效應(yīng)，將土體兜在一起，形成一個(gè)整體，沉降主要集中在中心位置，兩側(cè)沉降反而減小了。經(jīng)加筋處理后，地基沉降趨于一致，差異沉降基本消失，可見(jiàn)加筋對(duì)減小下臥軟基差異性沉降起到了極大的作用。

2.2 危險(xiǎn)滑動(dòng)面及安全系數(shù)分析

軟件中提供了邊坡安全系數(shù)計(jì)算功能，通過(guò)安全系數(shù)的計(jì)算可以測(cè)算出路堤陡邊坡的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，圖7及表3。

圖6 未加筋路堤安全系數(shù)

圖7 加筋后路堤安全系數(shù)

表3 安全系數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得知，在未加筋的情況下，邊坡處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)，而加筋后邊坡處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立二維有限元加筋高陡路堤模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)路堤沉降及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論:1)改變路堤填土沉降變形規(guī)律。路堤由原來(lái)整體式下沉方式，變?yōu)橹行某两荡螅瑑蓚?cè)逐漸減小的新沉降規(guī)律，同時(shí)減小了路堤整體的沉降量。2)改變了地基的沉降規(guī)律。地基沉降由不加筋時(shí)路堤底面中心沉降大，兩邊小，且差異沉降大，變?yōu)榧咏钐幚淼牡鼗w式下沉，差異沉降基本消失。3)加筋后對(duì)于高陡路堤的穩(wěn)定性具有加強(qiáng)作用。

［1］徐 亮.土工格柵在高陡路堤邊坡防護(hù)中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，10(4):9-11.

［2］楊廣慶，周亦濤，周喬勇，等.土工格柵加筋土擋墻試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(1):206-210.

［3］周亦濤，梁小勇，王蓉蓉，等.工作狀態(tài)下加筋土擋墻土壓力分布規(guī)律研究［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(1):67-70.

［4］王 祥，周順華，顧湘生，等.路堤式加筋土擋墻的試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2005，38(10):119-124.

［5］范祎博.土工格柵在大型土石方高填方邊坡工程中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2013，39(20):75-76.