返包式土工格栅加筋路堤有限元数值模拟①

黄文军， 叶建忠， 杨修晗

(1，3．同济大学地下建筑与工程系，上海200092;2．浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州310006)

0 引言

随着高速公路大规模修建，遇到了膨胀土、软土等特殊土施工难、质量控制不宜把握等典型问题．土工合成材料的应用在一定程度上解决了土木工程建设问题[1]．土工格栅加筋土挡土墙因其安全与经济而在水利、交通及城建等领域的应用越来越广泛，而有限元法是研究这种复杂结构的力学特性，从而指导其设计的一种强有力的手段[2]．

陈建峰等模拟了软土地基加筋土挡墙在分级堆载情况下挡墙位移、土压力、格栅变形的变化规律，并对挡墙稳定系数与筋材加长长度和层数的关系用强度折减法进行了探讨[3]．蒋鑫对软土地区加筋土路基大变形固结进行了有限元分析，考虑更新网格和更新水压，比较大变形固结有限元和小变形固结有限元分析的结果，利用剪切强度折减法，探讨了施工全过程中加筋土路基的稳定性及潜在滑动面性态的演变[4]．介玉新等用强度折减法对两个高度分别为60m和40m的土工格栅加筋高边坡的设计断面进行稳定分析，综合考虑了塑性区贯通、特征点位移突变、计算不收敛，以及土工格栅的容许抗拉强度等因素，确定了相应的安全系数[5]．

笔者结合工程实际对返包式土工格栅加筋土路堤进行了有限元数值模拟，并与工程实际进行对比，分析了返包式加筋路堤水平土压力、垂直土压力和格栅拉伸应变等在施工期间的变化规律．

1 工程概况

在建的湖北省十堰至房县公路GK0+308段位于丹江口市官山镇附近．原山坡坡度较陡，如果全部采用土工格栅加筋路基，受限于原山坡坡度，下部土工格栅嵌固深度不足．如果全部采用重力式圬工挡墙，则造价过高．因此，经过多方面综合比较分析，结合绿化要求，最后采用圬工挡墙+土工格栅加筋路基方案．该方案下部15m采用重力式圬工挡墙，上部3－11m采用土工格栅加筋路基，土工格栅采用HDPE土工格栅(格栅参数如下表1)．

根据上部填方路基段的地形坡度和残坡积覆盖层厚度，该段土工格栅加筋土路基按1:0．25坡率进行设计，格栅竖向间距为50cm，加筋长度9m．加筋土路基坡面采用土工格栅反包回折，以防止施工时土体散落和坡面塌滑．

表1 HDPE单向土工格栅技术指标表

2 现场试验方案及数值模型

2．1 现场试验方案

断面的主要测试内容包括典型位置处的土工格栅拉伸变形、垂直土压力和水平土压力等．现场试验段测试时，土压力测试仪器采用金坛市海岩工程仪器厂生产的TXR型振弦式土压力计，该仪器根据不同压力下振弦的频率不同来测试土压力，利用频率计进行测试．格栅拉伸变形的测量采用金坛市海岩工程仪器厂生产的HYDG－2405型柔性位移计，通过XP11系列智能综合读数仪进行测试．剖面的测试内容和埋设的测试元件及其编号下图1．

图1 断面GK0+308测试元件布置示意图

2．2 数值模型

Plaxis是一个专门用于岩土工程变形和稳定性分析的有限元计算程序．通过简单的输入过程可以生成复杂的有限元模型，而强大的输出功能可以提供详尽的计算结果．对于土工格栅等加筋材料，Plaxis有相应的界面单元和土工格栅单元进行加筋计算．

图2 PLAXIS计算模型示意图

图2为此次数值模拟所建立的模型，填土和下部的重力式圬工挡墙(相关参数指标如下表2)均采用摩尔—库仑模型，土工格栅采用Plaxis自有的弹塑性土工格栅单元模拟，用轴向刚度这个指标来反应土工格栅的强度．本次计算采用平面应变15节点单元．共剖分5726个单元．并且对格栅和路堤边界进行了加密．考虑到路堤边坡存在临空面，且地层为非水平地层．因此边坡初始应力采用重力加载方式，而非K0加载方式．

为了模拟土工格栅与土之间在施工或工作运行过程中的相对滑动现象，有必要在土工格栅与土之间设置单元接触面;筋材与土之间的应力传递取决于加筋土的界面强度，而界单元的强度等于周围土体的强度乘以土与界面单元的摩擦系数Rinter，因此参数Rinter反映了两者相互作用的程度．根据HDPE单向土工格栅的技术指标以及Plaxis手册相应的计算公式Rinter取0．67，EA取1000kN/m．

表2 数值模型岩土物理力学参数

模拟了地基土在分级填土过程中加筋土垂直土压力、水平土压力以及格栅的拉伸应变等内容．模型的左右边界均设置水平方向上的位移约束，底部边界设置了水平和垂直方向上的位移约束．

3 计算结果分析

3．1 水平土压力

根据图3所示的实测和数值模拟的加筋土水平土压力结果可知，数值模拟的结果和实测的结果基本吻合，第一层的水平土压力数值模拟的值和实测值差别有大约10kPa，可能是由于与第一层底部格栅接触的岩石的参数与填土有很大的差别．总体来说，水平土压力的分布具有以下特点:a随着上覆填土厚度的增加，不同层位处的水平土压力逐渐增大，但是增大的速率大部分层位发生减小;b水平土压力沿加筋路基高

图3 水平土压力随填土高度的变化曲线

度呈非线性形式分布，路堤中部的水平土压力数值略大于顶部和底部，这说明土工格栅通过与土体之间的咬合作用，提高了土体的抗压强度，使路堤的整体性得到加强．

3．2 垂直土压力

根据图4(a～b)所示的实测的和数值模拟加筋土垂直土压力结果可知，数值和实测的结果非常接近，加筋路堤垂直土压力分布具有如下特点:(1)在填方路基施工过程中，随着上覆填土厚度的增加，不同层位处的垂直土压力逐渐增大，而且基本是线性的．(2)同一层位不同位置处的垂直土压力呈非线性分布，且越远离坡面垂直土压力越大，说明土工格栅的存在对加筋填土的垂直土压力分布具有明显的调整作用．

图4 不同层位垂直土压力随填土高度的变化曲线

3．3 筋材拉伸应变

根据图5(a～c)所示的施工期土工格栅实测

和数值模拟所得的拉伸应变结果可知:(1)在填方路基施工过程中，随着上覆填土厚度的增加，各层土工格栅拉伸变形也逐渐增大，相应的受力也逐渐增大．各层土工格栅的拉伸变形一般在刚开始填土时的增加速率较大，之后随填土高度的增加格栅拉伸变形速率略有减小;(2)填土厚度变化时，每层土工格栅的应变沿筋长方向的分布规律大致保持不变，但不同层位处的格栅应变沿筋长的分布规律有所不同;(3)实测结果中大部分深度处的土工格栅的最大拉伸应变出现在离开反包面2～4m处，但是数值模拟的结果则出现在1－3m处;(4)实测和数值模拟土工格栅的拉伸应变范围均在0．1% ～1．2%之间，说明土工格栅受到的最大荷载不超过20kN/m，远小于土工格栅的极限抗拉强度;(5)同一垂直剖面上，加筋路基上部筋材拉伸应变随时间增加的发展速率明显大于下部筋材．同一层筋材，加筋路基外部筋材拉伸应变的随时间的增加幅度明显大于内侧．(6)上覆填土厚度对加筋土工格栅拉伸应变略有影响，但影响不大．

图5 不同层位格栅拉伸应变随填土高度的变化曲线

4 结论

根据实测结果和数值模拟的结果而知:(1)整体而言，路堤填土在采用土工格栅加强后，其整体稳定性得到了加强，路堤中部的水平土压力数值略大于顶部和底部，这说明土工格栅通过与土体之间的咬合作用，提高了土体的抗压强度，使得路堤的整体性得到加强;(2)同一层位不同位置处垂直土压力呈非线性分布，且越远离坡面垂直土压力越大，说明土工格栅的存在对加筋填土的垂直土压力分布也具有明显的调整作用;(3)施工期间实测和数值模拟土工格栅的拉伸应变范围均在0．1% ～1．2%之间，说明土工格栅在工作期间一直处于安全状态，没有被拉断的趋势．因此，该填方路堤土工格栅的加筋效果良好．

[1] 李志清，胡瑞林，等．土工格栅在加固高速公路路堤中的应用研究[J]．岩土力学，2008，29(3):795 －799．

[2] 刘华北，Ling H I，等．土工格栅加筋土挡土墙设计参数的弹塑性有限元研究[J]．岩土工程学报，2004，26(5):668 －673．

[3] 陈建峰，柳军修，等．软土地及加筋土挡墙数值模拟及稳定性探讨[J]．地下空间工程学报，2008，4(1):1928－1935．

[4] 蒋鑫，凌建明，等．软土地区加筋土路基大变形固结有限元分析[J]．岩土力学，2008，29(12):66 －72．

[5] 介玉新，秦晓艳，等．加筋高边坡的稳定分析[J]．岩土力学，2012，34(4):660 －665．

[6] 陈华，赵有明，等．土工格栅加筋土挡墙施工工况有限元分析[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2009，28(6):1088－1091．