加筋高填方路堤沉降與穩定性試驗及數值模擬分析

郭曉魁

（山西省公路工程質量檢測中心，山西 太原 030006）

0 引言

近年來，我國高速公路事業迎來了高速發展的新時期，公路、鐵路作為我國西部大開發的建設重點也取得了飛速發展[1-2]。但是，由于我國西部地區主要以山川、丘陵、峽谷等復雜地形為主，這就導致在建設高速公路過程中需要采取一些特殊的路基形式，例如深挖和填挖相結合的路基。目前，最常見的路堤結構形式是高填方路堤，這種結構形式覆蓋面積廣，填筑高度大，在使用過程中需要注意路堤的穩定性和變形情況[3]。為了解決上述問題，近年來對于高填方路堤進行加筋處理這種新型路堤結構形式得到了越來越廣泛的應用[4-6]。

20世紀中葉，法國工程師通過研究表明，有機纖維材料的添加能夠在一定程度上提高土體的強度，隨后加筋土的概念開始出現，于1965年首次將加筋土技術成功運用到了提高擋土墻受力性能的工程中，隨后得到了世界各國的關注。1980年我國通過該技術建成了首座加筋土擋土墻，目前加筋土技術被廣泛應用于堤壩、港口、軟土地基處理等多領域[7-8]。

本文對河北省某高速公路高填方路堤進行了長期沉降及土壓力監測，實測有、無格柵情況下試驗路段高填方路堤應力變化及沉降變化。同時，利用FLAC 3D有限差分軟件對實際工程進行了模擬，分析了該路段沉降及土壓力變化規律，通過與試驗數據進行對比驗證了模型的準確性和可靠性。

1 加筋高填方路堤施工現場試驗

本試驗選取的路線全長44.67 km，全線整體式路基寬度為28 m，考慮到安全因素，在有條件的地方設置了寬度為12 m的避險車道。試驗路堤斷面高度為16 m，根據路基高度不同分別采用了不同的坡率：路堤豎直高度不大于8 m時，在接近8 m位置鋪設寬度為2 m的平臺，選取坡率為1∶1.5；當路堤豎直高度大于8 m且小于20 m時，應將1∶1.75作為8 m以下邊坡坡率。

試驗選用儀器為土壓力盒和沉降板，在試驗之前要認真檢查儀器性能以保證量測數據的準確性。現場試驗選取埋設土工格柵路堤截面和無土工格柵路堤截面各一個，分別在兩個斷面上標注監測點共12個，為了方便監測土壓力在每個點的情況，在各個點都放置一個土壓力盒，且在1、2、3點處加設沉降板中，數據采集直至沉降非常穩定，觀測面如圖1所示。

圖1 斷面示意圖

如表1所示，路堤的沉降是隨進行著的高填方路堤工程中增加的路堤填方高度和自身壓縮而增大的，與 1、2、3 或 7、8、9 點相比，中心監測點 1 的位置是發生最大沉降量處，其位于路基與路面的接觸層，并且其沉降量是隨距離路堤中心距離靠近而逐漸增大的。

表1 沉降觀測量累計值統計表 mm

該試驗分別取加筋和不加筋兩個斷面進行研究，其埋設6層壓力盒，通過對兩斷面數據的對比研究，最后分析可得高填方路堤施工中對于土工格柵的使用有著良好的效果，圖2和圖3分別是有、無格柵條件下，各土壓力盒的高度和豎向土壓力之間的關系，在本試驗近一年的時間內，這兩幅圖系統地呈現出高填方路堤隨填土厚度的增加，豎向土壓力也增大的這個非線性變化規律。由這兩個圖對比可知，在其他條件相同的情況下，有格柵路堤比無格柵路堤的土壓力值大。另外，由于格柵承擔了部分土壓力的作用，所以減小了填方高度對其的影響，壓力-高度變化曲線與無筋情況下比較，有著明顯的變緩趨勢。

圖2 有格柵下層土土壓力隨填方高度的變化

圖3 無格柵下層土土壓力隨填方高度的變化

2 加筋高填方路堤數值模擬與分析

圖4為本文建立模型圖，路堤填方為上部梯形結構，墊層和路基分別以下部兩塊長方形表示。路堤分為兩級，一級6 m，二級10 m，共16 m。上部路堤坡比是1∶1.5，下部路堤坡比是1∶1.75，堤頂寬度取28 m，選取的墊層和路基計算高度為20 m。為模擬施工過程的方便，網格單元采用邊長為1 m的正方形，在軟件模擬中，也采用每1 m填土一次。土工格柵基本力學特性指標及各項土體參數見表2和表3。

圖4 模型圖斷面示意圖

表2 土體計算參數

表3 土工格柵力學特性指標

在實際施工過程中，分層填土的每層高度控制在0.3～0.5 m之間，每3層的平均填土高度約為1.0 m。在進行軟件建模時，為方便計算，設置每層填土厚度為1.0 m，且待每層土體達到默認平衡條件時再進行下一層土的填筑，共進行16次土層平衡計算。

圖6 加筋高填方路堤模型及網格劃分圖

本文分別建立了兩種有無鋪設土工格柵的高填方路堤模型，并對施工現場的實際填筑過程進行模擬，通過對比分析兩種模型，研究高填方路堤在加筋時的各項指標的變化情況。未加筋模型見圖5，加筋模型見圖6。

圖7 未加筋路堤變形總量云圖

圖7和圖8分別給出了未加筋高填方路堤模型變形總量云圖和加筋高填方路堤模型變形總量云圖，由這兩個圖可以看出，未加筋路堤與加筋路堤的整體變形趨勢是相同的，但是加筋后的路堤變形總量變化更均勻，這說明筋土界面對于加筋路堤的穩定性起到了很好的作用。

圖8 加筋路堤變形總量云圖

分別對于監測點1在加筋和未加筋情況下進行沉降量分析，其沉降量的變化曲線見圖9，圖中兩條曲線都呈“階梯狀”，其原因在于軟件計算時考慮了施工中的分級加載過程。這兩條曲線的走勢都是沉降不斷增大，但是加筋與未加筋路堤相比沉降值降低了近4 cm，說明土工格柵對于路堤沉降有著很好的控制效果。

圖9 路堤監測點1沉降變化曲線

圖10 路堤坡腳水平位移變化曲線

圖10分別統計了兩種情況下的坡腳點水平位移變化情況，其中未加筋為6.7 m，加筋為0.8 cm，上述數據說明了加筋在對于路堤的水平位移起到了很大的限制作用，在保護路堤土體的同時，對于其穩定性也有所提高。

3 加筋高填方路堤的實際工程分析

加筋土對路堤及邊坡的穩定性有利，能夠減少路堤的沉降，減小土體的側向位移，減小土壓力，但是具體的指標并沒有規定。可以通過軟件模擬出不同情況，從加筋層數、間距、位置等方面對試驗進行模擬分析。

首先對土體加1層、2層直至15層格柵，得到圖11沉降對格柵層數增加而變化的曲線。由圖中數據可得，在格柵層數不超過6層時，土體沉降伴隨其層數的增加而顯著下降；當超過6層后，其層數增加對于土體沉降將不會有明顯影響。

圖11 路堤中心沉降與土工格柵層數的關系曲線

然后分析加筋位置對土體的影響，當格柵層數相同時，加在不同的位置也會對土體造成不同的影響，由此得到圖12，統計出加筋位置的不同土工格柵在不同部位能達到最大拉應力。由圖12可以看出，在距路堤頂面6 m左右的位置，格柵的最大拉應力達到了最大值，此處的土工格柵發揮出最大作用，所以在此處設置土工格柵是十分必要的，而在路堤與地基交界面上0～2 m范圍內，所加格柵受到的拉應力并不大，所以此處并不是最佳的加筋位置。

圖12 土工格柵不同加筋位置下的最大拉力值

最后對不同間距的土工格柵進行研究，分別5 m、9 m、13 m作為距離堤頂的距離位置進行土工格柵的添加，每個位置各加入3層，取5 m、9 m、13 m三個位置的上下各20 cm、30 cm、40 cm直至90 cm分別各設置兩層格柵，即每個模型各設置9層格柵，通過FLAC 3D的跟蹤功能，記錄路堤中心點的沉降，并計算各個間距下路堤的安全系數，記錄如表4所示。

表4 土工格柵間距與路堤中心沉降值及安全系數的關系

由上述結果可以看出，對于差異沉降的減少、安全系數的提高等方面會隨著格柵密度的提高而起到顯著作用，路堤中心的沉降值在格柵間距為20 cm時幾乎減小了30%，效果十分明顯。而在實際施工過程中，為保證加筋充分發揮作用，還是盡可能適當對于鋪設層數進行增加。

4 結論

a）隨著時間的不斷推移，中間大、兩邊小的變形特性在堤頂的沉降變形過程中體現的越來越明顯。同時由于路堤填筑的不斷進行，高度的不斷增加，其本身的壓縮變形也在不斷增大，沉降值最大位置常出現在堤底與地基相交中心處，隨著與中心線的偏離沉降逐漸減小。通過文中的研究計算可知，在路堤填筑施工過程期間其沉降所占結構全部階段沉降的比值可達90%之多，而完工后結構沉降量僅占10%左右。

b）通過運用有限元分析軟件FLAC 3D，對于實際工程情況進行了仿真分析，并證明了本文方法的正確性。分別對加筋路堤和未加筋路堤進行模擬，計算了筋材在高填方路堤的豎向沉降、水平位移、穩定性等方面所起到的改善作用。證明了在高填方路堤的沉降控制和穩定性提高方面加筋是一種行之有效的方案。