土工格栅加筋路基沉降和应力的数值分析

徐晓波

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

土体在自重荷载以及行车荷载的作用下主要是依靠其自身的抗剪强度承受荷载抵抗变形并保持稳定性。因此，要想提高土体的强度必须通过一定的手段提高其抗剪切强度，布设土工格栅材料就是其中的一种方法。土工格栅加筋路基主要是利用设置在路基底部的高强度、高稳定的土工合成材料与土体之间的相互作用加固土体，从而提高路基的整体稳定性和强度，抑制路基的变形。正是由于土工格栅的诸多优点，在近些年的工程实践中获得了大量的应用，很多学者也对土工格栅进行了大量的研究,主要研究方法包括室内试验以及数值分析。

1 有限元模型

1.1 几何模型

针对某实际工程，本研究建立了有限元模型，路堤高度4 m，基顶宽度为28 m，边坡坡度为1∶1.5，坡脚处向两侧延伸9 m，路基计算深度为20 m，土层共分3层，自上而下分别是0.5 m砂土垫层，8.5 m淤泥质黏土，11 m的粉质黏土，土工格栅布设在路堤底部，如图1所示为最终划分的网格图。

图1 路基模型

1.2 模型参数

本构模型的选择对于数值计算的效率以及结果的准确性影响重大。本文结合现场实测的地质资料，并参考相关的计算资料与文献，利用Drucker-Prage模型模拟路堤填土，淤泥质黏土以及粉质黏土，利用弹性模型模拟砂土垫层以及路面材料，同时，参考已有研究，取土工格栅的弹性模量为38.7 GPa，截面积为1.5×10-4m2，模型的具体计算参数如表1所示。

表1 模型参数表

1.3 边界与接触

路基的底部为固定端约束，根据实测资料，底限水位线位于地基以下1.5 m，因此底部与两侧同时设置为不透水条件，地基表面为透水边界。土工格栅材料与路基土体之间通过设置路堤为主区，格栅材料为嵌入区的操作来设置接触。

1.4 荷载施加

模型计算的荷载施加曲线如图2所示，前8个月进行路堤的填筑，每个月填筑1 m后固结1个月，路堤都填筑结束后90 d进行固结与预压，之后进行路面的施工结束后固结。

图2 加载曲线

2 计算结果

2.1 土工格栅路基内的沉降与应力

符合服役期间所必需的强度和稳定性是对路基最基本的要求，具体而言，体现强度和稳定性的主要指标包括应力分布和变形。针对土工格栅的加筋作用，同样需要从路基的竖向沉降和应力分布两个方面进行研究。如图3所示为布设土工格栅材料后路堤的竖向沉降云图，与一般的路基沉降相同，路堤体中心处的沉降最大，出现了明显的沉降盆，可以发现，在土工格栅材料上下的沉降分布有着一定的差异，这种差异的原因正是由于土工格栅的调节沉降作用。

图3 布设土工格栅路基沉降

图4为布设土工格栅材料后路堤的竖向应力云图，可以很清楚地看到，随着路基深度的增加，竖向应力也在不断地增加并且成层分布，在格栅周围的图层中的压力等高线有着明显的错动，特别是格栅上下土层中的应力值存在着明显的差异，这恰恰说明了土工格栅材料可以利用自身所具有的高强度以及与土体的接触改变路基中的应力分布，使路基的受力减小，起到增加路基土强度的作用。

图4 布设土工格栅路基竖向应力

2.2 加设土工格栅前后的效果

为了进一步说明土工格栅的作用，有必要对于布设土工格栅材料前后路基的主要性能进行对比。如图5所示为布设土工格栅前后的地基表面路堤中心线处沉降的数值模型计算值，随着时间的增加，路堤的沉降均不断增加并最终趋于稳定，值得注意的是，布设土工格栅后路堤的沉降明显减小，最终的沉降由布设土工格栅前的28 cm降低到了24 cm，降低了14.3%，说明了土工格栅能够很好地抑制路基的沉降，进而调节不均匀沉降，这对于提高路基的整体稳定性，保证行车的安全性意义重大。

图5 布设土工格栅前后路堤中心点沉降

图6为布设土工格栅前后的地基表面基地下不同深度处的竖向应力曲线。随着深度的增加，竖向应力不断增大，土工格栅的存在使得相同深度处的竖向应力明显减小，对于相同深度处的土体受到的应力的减小幅度值相等，约为27.3%，说明土工格栅材料能够很好地调节地基中的应力分布，进而增加路基的强度，提高路基的稳定性。

图6 布设土格栅基地下竖向应力图

3 结论

针对土工格栅材料加固路基的作用效果与机理，通过有限元的方法进行了研究，通过对比布设土工格栅前后路基内的沉降以及竖向应力云图，表明土工格栅的存在并没有改变路基中应力与沉降分布的总体特性，只是起到了调节的作用，但是在土工格栅上下处明显改变了路基中的应力以及沉降的分布。通过分析表明路基中心线处的沉降发展表明土工格栅可以抑制约14.3%的沉降，减小27.3%的地基土体的竖向应力。