土工格柵加筋高填方路基應力變形模擬分析

吳永妍

(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

在山區(qū)高速公路設計與施工中,高填方路基是一種常見的路基形式[1]。由于其填方高度大,路基自重大,對地基的壓力較大,路基壓縮沉降和地基沉降量也較大。高填方路基占地面積大,填方工程量大,施工時間長[2-3],對壓實質量要求高,施工不當很容易產生不均勻沉降,破壞道路結構。因此,高填方路基工后沉降是施工質量控制的重點[4],施工中應從填層厚度、碾壓施工和壓實質量檢測等方面進行控制,并采取措施降低高填方路基的應力應變,提高路基穩(wěn)定性。土工格柵強度高、耐腐蝕、柔韌性好[5],在豎向荷載作用下與路基填料相互作用可提高土工格柵水平拉力,控制路堤不均勻沉降。土工格柵的埋置層數(shù)對控制高填方路基沉降的影響較大,文章重點對土工格柵加筋設置層數(shù)進行研究。依托高速公路高填方路基施工案例,采用有限元軟件建立計算模型,對無格柵和不同層數(shù)的土工格柵加筋路基的土壓力和沉降進行數(shù)值模擬計算,分析確定土工格柵設置層數(shù),并結合工程現(xiàn)場監(jiān)測結果,對比確定高填方路基應力應變的變化規(guī)律,確定土工格柵的加筋效果。

1 工程概況

某高速公路路基設計寬度為28 m,采用雙向四車道設計,行車車速為100 km/h,局部路段車速為80 km/h。高速公路位于山嶺重丘區(qū),地形起伏較大,最大高差約260 m,沿線分布有多處高填方路堤和深挖路塹。公路沿線地質狀況良好,個別路段穿越采空區(qū),應做好勘察設計。該施工區(qū)域地表水主要為大氣降水,地下水位較低,雨季地下水位有所上升,且地下水無腐蝕性。施工區(qū)域四季分明,夏季多雨濕潤,春秋季節(jié)干旱少雨,冬季干燥少雪,降雨時間主要集中在7月和8月,其他月份降雨量少。年平均降雨量為539.4 mm,年平均氣溫為14.6 ℃。

K108+243～K110+146段為填方路基,路基最大填方高度為22.5 m,最小填方高度為15.6 m。其中K108+680～K109+064段填方高度為21 m,路基設計寬度28 m,為高填方路基。為提高高填方路基的穩(wěn)定性,在路堤填筑過程中設置雙向塑料土工格柵,自路堤頂部每隔2 m設置一層,共設置5層土工格柵。路堤邊坡分兩級,一級邊坡坡度為1∶1.75,二級邊坡坡度為1∶1.5。為合理確定土工格柵的設置層數(shù),采用有限元軟件建立計算模型進行數(shù)值模擬分析,并通過施工實踐驗證。

2 高填方路堤變形有限元模擬分析

2.1 模型建立

以K108+680～K109+064段高填方路堤為研究對象,根據(jù)設計資料建立有限元計算模型。高填方路堤高度為21 m,下部地基計算深度為40 m。采用有限元軟件建立計算模型時將路堤填料和土工格柵看作一個整體,自由劃分為若干單元格。利用彈簧單元模擬路基土與土工格柵之間的界面特性,根據(jù)土工格柵的受力特性,設置土工格柵屬性使其只承受拉應力。土工格柵與路基填土之間的接觸采用約束命令設置,用嵌入關系模擬二者之間的相互作用,將土工格柵嵌入到路堤相應位置。由于路堤具有對稱性,選取一半路堤作為研究對象,確定計算范圍,網格劃分如圖1所示。

圖1 高填方加筋路基有限元分析網格劃分圖

約束條件:高填方路堤計算模型中地基土水平和豎直兩個方向均約束,路堤填土豎直方向也為約束。路堤縱向前后兩個方向設定為水平約束,路堤橫斷面方向左右兩個面也設定為水平約束。采用彈簧單元代替土工格柵,分為無格柵、1～5層格柵共6種情況進行數(shù)值模擬分析,路堤填料與地基土計算參數(shù)如表1所示,土工格柵計算參數(shù)如表2所示。

表1 路基填料與地基土主要計算參數(shù)

表2 土工格柵計算參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬計算結果分析

2.2.1土壓力分析

為合理確定高填方路基土工格柵加筋設置層數(shù),分別對無格柵、1～5 層格柵6種情況進行數(shù)值模擬分析。土工格柵選用PP雙向塑料土工格柵,上部壓力荷載為120 kPa,對上述6種情況路基土壓力進行計算。利用計算模型模擬不同格柵層數(shù)下同一標高層的土壓力,計算距離路基中心線不同位置的豎向土壓力,整理計算結果,繪制不同加筋方式,路基土壓力變化曲線如圖2所示。

圖2 不同加筋方式路基土壓力變化曲線

分析曲線變化趨勢可知,隨土工格柵加筋層數(shù)的增加,路基土壓力隨之下降,其中無土工格柵加筋的路基土壓力最大,5層土工格柵加筋路基土壓力最小,說明土工格柵層數(shù)越多,土壓力越小。通過對比分析,1～4層土工格柵加筋路基土壓力降幅較小,5層土工格柵加筋路基土壓力下降幅度最大。因此,路基土壓力隨土工格柵的設置層數(shù)增加而減小,但格柵層數(shù)的增加也會增加施工成本,增大施工難度,因此選取5層土工格柵作為最優(yōu)設置層數(shù)。

2.2.2沉降分析

通過軟件模擬高填方路基的施工工序,按照填土-加筋-填土的施工順序進行逐級加載,分層計算路基沉降,對不同加筋方式的路基沉降進行數(shù)值模擬計算,整理距路基中線不同位置的路基沉降計算結果,繪制不同加筋方式路堤沉降變化曲線如圖3所示。

圖3 不同加筋方式路堤沉降變化曲線

分析圖3曲線變化趨勢,可知隨土工格柵加筋層數(shù)的增加,路基各部位沉降變形不斷下降,無土工格柵加筋路基沉降量最大,加筋4層、5層路基沉降量下降幅度較大,且加筋5層沉降量最小。路基中部沉降較大,邊緣沉降較小,這是由于路基中部應力較大,與上述土壓力計算結果相同。通過對比分析,土工格柵加筋層數(shù)為4層、5層時路基沉降下降幅度均較大,因此在優(yōu)先考慮經濟性的情況下,最優(yōu)設置層數(shù)為4層,而在優(yōu)先考慮降低路基沉降的情況下,最優(yōu)設置層數(shù)為5層。

3 高填方路基現(xiàn)場監(jiān)測結果分析

3.1 路基內部土壓力監(jiān)測結果分析

以K108+680～K109+064段高填方路堤為研究對象,在路基填筑施工過程中對路基豎向土壓力進行監(jiān)測。為分析路堤填筑過程中不同深度土壓力的變化情況,按無格柵和有格柵兩種情況在路堤內部分三層埋設土壓力盒,埋設布置如圖4所示。有格柵斷面布置5層土工格柵,施工工序與無格柵斷面相同。土壓盒選擇HCYB-16微型土壓力盒,經標定合格后按要求埋設在監(jiān)測斷面。每層埋設3個壓力盒,分別位于路基中心線和距左、右兩側邊緣1 m位置,最下層壓力盒布置在地基頂面以上30 cm,上下兩層高度差為6 m。在路堤填筑施工中做好土壓力盒的保護,如路堤內有滲水情況應做好防水。

圖4 土壓力盒布置示意圖

在路堤填筑施工過程中讀取土壓力盒監(jiān)測數(shù)據(jù),對比分析無格柵和有格柵上、中、下三層豎向土壓力的變化情況。收集整理路基各層豎向土壓力監(jiān)測結果,繪制無格柵和有格柵路基土壓力變化曲線,如圖5和圖6所示。

圖5 無格柵路基各層土壓力變化曲線

圖6 格柵加筋路基各層土壓力變化曲線

分析圖5和圖6所示曲線變化趨勢,隨著填筑高度的增加,路基自重不斷增加,各層路基土壓力也隨之增大,且總體呈現(xiàn)施工前期增速較快,后期增速逐步減緩的趨勢。對比分析無格柵和有格柵加筋路基斷面土壓力變化趨勢,可知加筋后路基各層土壓力明顯下降,無格柵路基上、中、下三層土壓力最大值分別為0.11 MPa、0.18 MPa和0.19 MPa;采用土工格柵加筋路基上、中、下三層土壓力最大值分別為0.08 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa;加筋后各層土壓力均有一定程度的下降,下降幅度分別為27.3 %、33.3 %和26.3 %。在土工格柵加筋作用下,路基填料壓實過程中產生了一定的摩阻力,約束路基的側向變形,施工過程中降低土壓力在路基中的擴散。

3.2 路基沉降監(jiān)測結果分析

同樣以K108+680～K109+064段高填方路堤為研究對象,在路基填筑施工過程中對路基沉降進行監(jiān)測。為分析路堤填筑過程中的沉降情況,在施工過程中埋設沉降板,采用水準儀對路堤沉降變形情況進行監(jiān)測。沉降板尺寸為50 cm×50 cm×50 cm,上部測桿直徑為4 cm,在路基填筑過程中分節(jié)加長。沉降監(jiān)測采用S1型水準儀,按照二等水準測量方法進行監(jiān)測,測量精度為1 mm。路基沉降板布置見圖4,整理監(jiān)測數(shù)據(jù),繪制無格柵和有格柵路基沉降變化曲線如圖7、圖8所示。

圖7 無格柵路段路堤底層沉降變化曲線

圖8 土工格柵加筋路段路基底層沉降變化曲線

分析圖7和圖8曲線變化趨勢,路基沉降隨路基填筑高度的增加而增加,在觀測初期路基沉降增速較快,而后增速逐步趨緩,這是由于施工前期填料密實度低,逐步壓實穩(wěn)定后沉降速率下降。路基中央沉降量最大,兩側較小,這是由于路基中部應力較大。通過對比分析,可知采用土工格柵加筋后路基沉降量明顯下降,無格柵加筋監(jiān)測斷面3個測點最終沉降量分別為344 mm、356 mm和396 mm,加筋后各測點最終沉降量分別為264 mm、271 mm和284 mm,下降幅度分別為23.3%、23.9%、28.3%。土工格柵加筋后產生拉伸變形,限制了路基土的豎向位移,降低了路基的最終沉降量。

4 結論

結合高速公路高填方路基施工實踐,分別采用建立計算模型和現(xiàn)場監(jiān)測兩種方法對有無土工格柵加筋的路基土壓力和沉降進行分析,得出以下結論:

(1)根據(jù)計算模型數(shù)值模擬分析結果,采用5層土工格柵加筋路基土壓力下降幅度最大,土工格柵加筋層數(shù)為4層、5層路基沉降下降幅度均較大,綜合分析確定土工格柵層數(shù)為5層。

(2)現(xiàn)場監(jiān)測結果表明,采用5層土工格柵加筋后路基各層土壓力下降幅度分別為27.3%、33.3%和26.3%,這是由于加筋后土工格柵限制了土壓力的擴散作用;加筋后路基各測點最終沉降量分別下降23.3%、23.9%和28.3%,這是由于土工格柵的拉伸變形限制了路基土的豎向位移。

(3)路基土壓力和沉降現(xiàn)場監(jiān)測結果略高于數(shù)值模擬計算結果,這是由于計算過程中未考慮氣候和部分現(xiàn)場荷載的影響,計算結果準確。

綜上,采用5層土工格柵加筋較為合理,加筋后路基土壓力和沉降明顯下降,加筋效果明顯。