土工格柵加筋路堤變形模擬分析

范鵬慧

(山西交通控股集團有限公司運城南高速公路分公司 運城市 044000)

0 引言

路堤填方高度越大,受到自重荷載和外部荷載作用產生的變形越大[1]。山區高速公路建設中,路堤填方工程量大,處治不當易產生不均勻沉降、邊坡滑塌等病害[2]。受原地面地形地貌影響,地質條件復雜、填方高度大的路堤對穩定性的要求更高。路堤填筑過程中,加入土工合成材料可減少路堤變形,提高路堤的整體穩定性[3]。此外,土工格柵加筋還可增加路堤邊坡坡率,降低填方工程量。土工格柵強度高、耐腐蝕性好[4],是公路填方路堤加筋常用的土工合成材料。土工格柵和路堤填土合成一個整體,可增強土體的抗拉性能,控制路堤豎向位移,減少坡面水平位移,增強路堤穩定性[5]。為研究土工格柵路堤加筋效果,文章分三種情況制定加筋方案,采用有限元軟件建立計算模型,對比分析不同部位加筋路堤的變形情況,確定土工格柵路堤加筋方案。

1 路堤土工格柵加筋方案

研究選取路堤高度為20 m,一級邊坡高度為12 m,坡率1∶1.5,二級邊坡高度為8 m,坡率1∶1,兩級邊坡中間設置2 m寬平臺。未做加筋處理的路堤在壓力和剪切應力作用下,會產生較大的內部豎向位移和坡面水平位移,影響路堤穩定性。為提高路堤整體抗拉強度,擬在路堤內部設置土工格柵加筋,降低路堤內部應力,控制路堤內部和坡面變形。為提高路堤穩定性,降低路堤坡面和內部的變形和應力,采用土工格柵加筋。為研究不同加筋方案對路堤的加筋效果,分三個部位,制定八種土工格柵加筋方案,分別將土工格柵布置在一級邊坡、二級邊坡、一二級邊坡中間三個位置,具體布設方案如下:

(1)一級邊坡布設

方案一:土工格柵布置范圍為路堤高度6～10 m,相鄰兩層土工格柵布置間距為2m,分三層全斷面布置。

方案二:土工格柵布置范圍為路堤高度2～6 m,相鄰兩層土工格柵布置間距為2m,分三層全斷面布置。

方案三:土工格柵布置范圍為路堤高度2～10 m,相鄰兩層土工格柵布置間距為2m,分五層全斷面布置。

(2)二級邊坡布設

方案四:土工格柵布置范圍為路堤高度14～18 m,相鄰兩層土工格柵布置間距為2m,分三層全斷面布置。

方案五:土工格柵布置范圍為路堤高度12～16 m,相鄰兩層土工格柵布置間距為1m,分五層全斷面布置。

(3)一二級邊坡中間布設

方案六:土工格柵布置范圍為路堤高度10～14 m,相鄰兩層土工格柵布置間距為2m,分三層全斷面布置。

方案七:土工格柵布置范圍為路堤高度11～13 m,相鄰兩層土工格柵布置間距為1m,分三層全斷面布置。

方案八:土工格柵布置范圍為路堤高度8～16 m,相鄰兩層土工格柵布置間距為2m,分五層全斷面布置。

2 建立計算模型

2.1 基本假定

路堤變形計算不考慮路堤縱向影響,只考慮路堤豎向變形(豎向位移)和側向變形(坡面水平位移),按照平面應變進行模擬分析。模型按自重應力場進行計算,將汽車荷載換算為當量填土厚度。路堤變形和應力計算過程中不考慮溫度、地震、填土固結等因素影響。通過有限元軟件建立模型,計算路堤的塑性應變,通過計算結果確定路堤的豎向位移和坡面位移變化情況。

2.2 建立模型

根據上述設計,確定邊坡坡率、高度、平臺寬度等基本尺寸。由于路堤在橫斷面方向具有對稱性,因此取一般路堤為研究對象,地基計算高度為10 m,寬度為55 m,一級邊坡坡度為1∶1.5,高度為12 m,二級邊坡坡度為1∶1,高度為8 m。路基填土采用粉質黏土,土工格柵選用雙向塑料土工格柵,主要計算參數如表1、表2所示。

表1 巖土體計算參數

表2 土工格柵計算參數

網格劃分:理論上,網格數量越多,計算精度越高,但也會增加計算量,耗費更多時間。由于路堤變形集中在中、上部,在邊坡頂面容易產生應力集中,因此靠近邊坡坡頂位置網格劃分較密,路堤自上而下網格劃分由密變疏。加筋路堤計算模型如圖1所示。路堤坡面水平位移和路堤內部豎向位移計算共選擇11個計算點,自路堤坡腳向上每隔2 m(垂直距離)布置1個點。

圖1 加筋路堤計算模型

3 加筋路堤變形模擬分析

3.1 一級邊坡加筋模擬計算結果分析

按照上述加筋方案,計算未加筋和一級邊坡加筋兩種情況下的路堤內部豎向位移和坡面水平位移。整理各點計算結果,繪制路堤坡面水平位移變化曲線,如圖2所示。

圖2 一級邊坡加筋路堤坡面水平位移變化曲線

分析圖2可知,三種土工格柵加筋方案均可有效控制路堤坡面的水平位移,其中方案二和方案三對邊坡坡面水平位移控制效果較好,方案三對坡面位移的整體控制最好。與未加筋路堤相比,加筋方案二可大幅降低一級邊坡坡面水平位移,但二級邊坡坡面位移較大。加筋方案三中一級邊坡和二級邊坡水平位移均得到明顯控制,因此一級邊坡加筋方案三對坡面水平位移總體控制效果最好。此外,三種土工格柵加筋方案對路堤內部豎向位移的控制雖然較未加筋路堤有小幅下降,但控制效果不明顯。路堤豎向位移最大位置出現在路堤頂部,采用土工格柵加筋方案三豎向位移最小,但三種方案效果相差不大。

3.2 二級邊坡加筋模擬計算結果分析

按加筋方案四和方案五在路堤二級邊坡布設土工格柵,整理計算結果,分別繪制路堤坡面水平位移和路堤內部豎向位移變化曲線,如圖3、圖4所示。

圖3 二級邊坡加筋路堤坡面水平位移變化曲線

圖4 二級邊坡加筋路堤內部豎向位移變化曲線

分析圖3可知,采用方案五對路堤坡面水平位移的控制效果更好,坡面水平位移最大值出現在路堤高度2 m位置,而未加筋和加筋方案四坡面水平位移最大值均出現在路堤高度4 m位置。經對比分析,采用加筋方案五時其他高度坡面水平位移也較低,控制效果最好。

分析圖4可知,方案五對路堤內部豎向位移的控制效果更好,尤其對二級邊坡的豎向位移控制效果更明顯。方案四與未加筋路堤豎向位移比較接近。總體分析,方案五對路堤內部豎向位移控制效果最好。

3.3 一二級邊坡中間加筋模擬計算結果分析

按照方案六、方案七和方案八在一二級邊坡中間加筋,整理計算結果,分別繪制路堤坡面水平位移和路堤內部豎向位移變化曲線,如圖5和圖6所示。

圖5 一二級邊坡中間加筋路堤坡面水平位移變化曲線

圖6 一二級邊坡中間加筋路堤內部豎向位移變化曲線

分析圖5、圖6可知,四種加筋方案對路堤坡面水平位移和內部豎向位移的控制效果均較好。其中,方案八控制效果最好,路堤坡面水平位移和內部豎向位移的最大值分別為2.64 cm和2.87 cm,較未加筋方案分別下降了35.56 %和52.73 %。

4 結論

為合理確定不同位置路堤土工格柵加筋效果,分別在一級邊坡、一二級邊坡中間、二級邊坡三個位置制定加筋方案,通過計算模型開展數值模擬分析,對比分析后確定各方案對路堤內部豎向位移、坡面水平位移的控制效果,得出以下結論:

(1)經對比分析,采用方案三控制路基坡面水平位移的效果最好,路堤內部豎向位移也略高于其他方案。因此,一級邊坡加筋選擇方案三為最優方案。

(2)采用方案五,坡面水平位移最大值出現在路堤高度2 m位置,較其他方案位移值較低,豎向位移控制效果明顯。因此,二級邊坡加筋選擇方案五為最優方案。

(3)對于一二級邊坡中間位置,各加筋方案對路堤變形的控制效果均較好,其中方案八效果最好,較未加筋方案分別下降了35.56%、52.73%。因此,一二級邊坡中間位置加筋選擇方案八為最優方案。

(4)經對比分析,采用加筋方案八的路堤內部豎向位移最小,為2.64 cm,坡頂位置水平位移也最小,為1.12 cm。綜合分析,確定方案八為最佳加筋方案。

對比分析采用不同加筋方案時路堤內部的應力變化情況,得出與路堤變形分析相同的結果,故認為上述結論具有合理性,可作為路堤土工格柵加筋設計的重要參考。