基于监测数据的加筋高填路堤分层填筑变形特性分析

雷 鸣，汪华斌，李纪伟，徐一鸣，丘旭富，郑必灿

(1.广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 510620;2.华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

加筋土是一种土工复合体，在土体内部埋设抗拉强度较高的材料，广泛应用在高速公路、挡土墙、水利等工程建设。国内外对其工作原理、破坏机理、稳定性分析都做过深入研究［1，2］，加筋使土体中应力扩散，变形模量得以增加，土体侧向位移在筋材的作用下受到一定程度的限制［3，4］;由于筋土之间的摩擦作用，增强了两者的咬合能力，使构筑物的稳定性相对提高［5，6］。在高填路堤工程中，填土路基在加筋后其变形特性和整体稳定性都受到筋材的影响［7，8］。

一直以来，筋材能否有效减少土体的沉降长期都没有统一的答案。部分学者认为:筋材铺设在土体中被看成是一种膜状结构物，它既不能抗弯也不能有效地扩散竖向应力，对地基中竖向应力没有任何影响，那么筋材对地基中的最终沉降也不会有任何影响。另一种观点则是:筋材虽然不能抗弯但是筋材对土体明显有一个侧向作用，它约束了土体的侧向发展，极大地影响着地基表面的侧向位移，从而导致地基中应力场和位移场改变，最终减小了地基的沉降。介玉新等则通过理论推导和试验研究，将加筋土视为复合材料建立本构关系，用于加筋土的数值计算［9］。周志刚等通过试验分析了土工格栅与填土相互作用机理，研究了土工格网加筋柔性桥头解决桥头路堤的沉降机理［10］。朱湘等用有限元方法结合工程实际，说明了土工格栅改变了地基中的竖向应力分布，从而减小了路堤工后的沉降，还研究了筋材降低路堤沉降和变形的机理［11］。王峰采用有限差分法，对加筋斜坡高填方路堤进行建模和变形特性分析，研究了加筋土的作用机理和变形［12］。

当高填路堤施工完成后，路堤在自重作用和车辆的反复荷载作用下，随着时间的推移，会产生自身压缩变形与地基沉降。如果路堤堤身填筑高度过大，路堤的整体下沉和局部下沉更易出现。对于工后沉降是要经过一段很长的时间才能完成，有时甚至是几十年，所以工后沉降的计算及预测都非常重要。广东云浮(双凤)至罗定(榃滨)高速公路的双东至榃滨段(K34+000～K66+302.170)最大填土高度57 m，K64+580～ K64+716段超过30 m的高填方路段达9段，超过30 m的挖方高边坡路段达20段。因此，如何处理高填路堤成为最主要的任务。按设计要求，高填方路基处理方案为:每填2 m采用高性能压路机补压并通过稳定性计算于最不利滑动面位置铺设GDL100/HDPE土工格栅。采用单向的GDL100/HDPE土工格栅，由于只能进行单向拉伸，故抗拉强度较高。土工格栅中的肋条与填土有效地嵌合形成整体，对土体起到了约束作用，而且限制了土体的移动。同时，可以当作承载面，能较好的传递荷载。土工格栅中的节点能将格栅受到的力进行传递，将其传给肋条，肋条与节点形成的整体又能增加平面抗扭模量，有效加固了土体。

为了确保改变施工方案后路基填筑质量和高填方路基的稳定，有必要开展高填路堤沉降分析。本文结合该工程所监测的大量数据以及数值模拟结果，考虑分层填筑施工过程，研究加筋土变形特性。研究结果不仅能为工程提供宝贵的资料、经验和方法，而且还对工程的设计、安全施工和后期运营提供科学的参考。

1 基于分层填筑高填路堤沉降数值模拟

1.1 数值模拟模型

在建模过程中，由于路堤是三维的实体，用ANSYS中的空间实体单元SOLID45模拟路堤中的土体与岩石。其中，SOLID45由八个节点组成，沿x、y、z方向每个节点有三个平移的自由度。对于三维的各向异性材料，用该单元进行模拟是比较合适。在建模过程中，运用CAD将其二维图形导入ANSYS中，在ANSYS中形成三维体，再对其划分网格。ANSYS软件具有强大的建模与划分网格功能，通过建立数值模型，数据转化实现FLAC3D模型的自动生成。在FLAC3D中，先对粘性土部分赋值为空模型，将基岩部分赋值为Mohr模型。将Mohr模型的凝聚力和抗拉强度赋值为无穷大进行求解，保证在重力场作用下单元不至于发生屈服，然后再将Mohr模型参数赋予真实值，再进行求解。在填筑工程中，依次激活粘性土单元，每次激活2 m高度的单元，相当于每次填土高度为2 m，然后再进行求解。在FLAC3D中分成三组材料，运用到的填土、基岩、加筋土的材料参数列于表1;土工格栅材料参数见表2，表1、表2中参数来源于广东云浮(双凤)至罗定(榃滨)高速公路工程施工图设计说明。在数值模拟中对模型要设置边界条件与初始条件，在路堤边坡的左右界面施加水平方向的约束，限制水平位移;在底部界面施加水平和竖向约束，限制路堤底部的水平和竖向位移。

图1 高填路堤数值模拟模型

表1 路堤材料参数

表2 土工格栅材料参数

1.2 模型数值分析

1.2.1 高填方施工过程中的竖向位移分析

在数值模型中，采用自下而上的分层填土，当第一层填土施工完成及沉降结束后，铺设土工格栅，然后再填筑第二层填土。所有路基填土完成后，在路基顶面施加车辆均布荷载19 kPa。由于采用分层填筑，逐渐向上填筑时，第i+1层的沉降都是在第i层沉降基础上累积起来的。在第一层土工格栅附近的竖向位移是最大的，以后的每次填土，都是其初始竖向位移的累加。数值计算结果见图2。

图2 填土厚度与竖向位移最大值关系曲线

图2表明第一层至第六层填土其竖向位移最大值依次为 0.67 cm、8.17 cm、15.08 cm、20.98 cm、26.77 cm、31.95 cm。

由图3可知，每次填土后产生的竖向位移差值依次为 7.92 cm、7.50 cm、6.91 cm、5.90 cm、5.79 cm、5.18 cm。随着路堤填筑高度的增加，其路堤最大竖向位移值逐渐增大。在填筑过程中，随着填土厚度的增加，相同的填土厚度所增加的竖向位移值逐渐变小。

图3 填土厚度与竖向位移差值关系曲线

此外，图4说明在分层填土过程中，竖向位移最大值随着路堤填土高度的增加而增大，路堤在填土4 m之内，其加筋前后竖向位移仅相差2.1%，即加筋效果在填土4 m内不明显。在填土达到12 m时，加筋土的最大竖向位移为31.95 cm，未加筋土的最大竖向位移为35.60 cm，加筋前后竖向位移最大值相差4.77%。土工格栅随着填土高度的增加所起的作用愈发明显，加筋前后竖向位移最大值的变化也就更加显著。也就是说，土工格栅起到限制路基垂直方向位移的作用，尽管土工格栅对竖向位移起到作用，但所起作用仍然较小。

图4 路堤竖向位移最大值与填土高度关系曲线

由图5可知，在分层填筑施工工程中，最大竖向位移值出现在填土高度为6 m处。加筋土在监测点位置竖向位移为73.60 mm，未加筋土的竖向位移为76.52 mm，其加筋前后竖向位移相差3.82%。随着填土高度的增加，加筋效果愈发不明显，这说明加筋材料降低了沉降的最大值，使土体沉降均匀分布。

图5 路堤竖向位移与填土高度关系曲线

1.2.2 高填方施工过程中的水平方向位移分析

在初始重力场中，实体模型由于受到自重的作用，土体与岩体发生形变，产生沉降，通过FLAC3D有限元差分数值模拟，得出在填土填到第六层后每层土工格栅最左端的水平位移。

由图5可知，水平位移随着路堤填土高度的逐渐增加而增大。未加筋的水平位移为7.90 cm，当加入土工合成材料后，加筋的水平位移为7.24 cm，其加筋前后水平位移相差8.28%，与没有加筋的情况相比，侧向位移变化较大，土工格栅在土体受拉的方向束缚了路堤填土的水平位移。

图6 坡脚处最左端的水平位移

此外，随着路堤填土高度的增加，水平位移值逐渐增大，路堤在填土6 m之内，加筋效果不明显。在填土12 m时，加筋土的水平位移为34 mm，未加筋土的水平位移为38 mm，其加筋前后水平位移相差8.8%(图7)。这说明土工格栅对路堤水平方向起着限制作用，而且随着填土厚度的增加，限制作用愈发明显。土体具有一定的抗压和抗剪强度，但抗拉强度低，筋材与土体相互作用时，由于土工格栅的抗拉强度大，筋材在受拉方向会给土体侧向约束，使土体的侧向位移受到限制，侧向变形受到一定限制导致竖向位移值会有所降低。故土工格栅对竖向变形的影响是间接的，对水平位移的影响才是直接的，因此土工格栅对水平位移起到的作用较大。

图7 数值模拟中不同填土高度固定监测点的水平位移

分层填筑过程中，最大水平位移值在填土高度6 m处，其后每次填筑2 m，其水平位移都会有所减小，水平位移都是以后每填筑2 m的累加(图8)。

图8 路堤最大水平位移与填土高度关系曲线

1.2.3 高填方施工完成后的路堤外界荷载作用下的位移

路堤在初始重力场作用后，外加19 kPa的行车均布荷载，土体与岩体发生形变，产生沉降，经过FLAC3D有限元差分数值模拟，得出有、无土工格栅作用的路基模型总位移。高填方施工完成后，在外加的行车均布荷载作用下，无土工格栅的路堤比有土工格栅的路堤总位移最大值、竖向位移最大值、水平位移最大值分别大5.26 cm、5.59 cm、3.44 cm，其中土工格栅所降低的幅度分别为14.91%、17.32%、15.18%。从仿真模拟图像看出，在外加荷载作用下，有土工格栅的沉降区域明显小于无土工格栅，这说明土工格栅使沉降分布均匀，分散了沉降的最大值。在外加的行车均布荷载作用下土工格栅对位移的最大值影响都较大。

2 监测实施方案与数据分析

2.1 监测方案

由于本工程边坡高度较大，为了监测边坡的深层滑动，在K48+468横断面相关位置布置了两个测斜管。为了监测边坡在层面上的滑动，在横断面上铺设了几层柔性位移计。

2.2 监测数据分析

在K48+316～K48+540范围内，通过沉降板监测到K48+460左坡脚的沉降位移，根据监测数据，其填土高度已达到24.5 m，填土高度与沉降的关系曲线如图9和图10所示。

图9 坡脚处实际沉降与填土高度的关系曲线

图10 不同时期坡脚处沉降监测曲线

由图9、图10可以看出:随着填土高度的增加，坡脚处的位移逐渐增大。随着填土高度愈来愈厚，其沉降增大幅度明显降低。

3 基于监测数据的加筋高填路堤分层填筑变形特性

由于本工程边坡高度较大，为了监测边坡的深层滑动，在K48+468横断面相关位置布置了两个测斜管。为了监测边坡在层面上的滑动，在横断面上铺设了几层柔性位移计(图11)，图中右上角为测斜管。

图11 柔性位移计和测斜管布置

3.1 加筋高填路堤分层填筑沉降

为了研究从第一层土工格栅到第七层土工格栅之间的填土厚度变化而引起的沉降变化，利用FLAC软件模拟了有、无土工格栅两种情况，K48+460左坡脚在填土过程中沉降变化曲线，如下图12所示。

图12 坡脚处沉降与填土高度的关系

从图12可知，实际监测数据最大的沉降值为90 mm，模拟监测的数据沉降最大值为80 mm，其相差误差为11.1%，其误差偏大，这是因为在实际施工过程中，每次填土都会存在外加荷载的作用，所以实际监测的沉降数据都会比模拟的数据大。尽管监测的数据存在误差，但是模拟的曲线与实际监测数据曲线发展趋势与规律一样，依旧能说明模拟曲线的可行性与合理性。

从模拟曲线可知，在填筑过程中坡脚处有土工格栅的沉降比无土工格栅的沉降要小，随着填土高度的增加，两者之间的差值愈发明显，坡脚处加筋后的沉降为80 mm，未加筋的沉降为82 mm，减少了2 mm，加筋使沉降幅度降低了2.5%。从坡脚处有土工格栅模拟的沉降曲线与无土工格栅模拟的沉降曲线相比，随着填土的增加，筋材对坡脚处的沉降影响越来越大。从模拟的坡脚处沉降曲线与实际的沉降曲线相比，可以看出，在分层填筑中，土工格栅作用下的加筋部分其沉降变化较缓，这说明了土工格栅使路堤中的沉降产生了均匀分布，沉降最大值减小。

3.2 侧向位移分布规律

测斜管底埋设的坐标为(1014.3072，494.9475，0)，测试时，将测斜仪探头放入测斜管，探头带有十字标记要面向边坡方向，用CX-3C型基坑测斜仪读取数据。在该工程中，到现在为止埋设了5根管子，总共10 m，每隔0.5 m记录一次。当铺设第六层土工格栅，即第五层土填完时，所监测的测斜管侧向位移如图13。

图13 不同工况下侧向位移与实测数据对比

由图13可知，实际监测最大数据为20 mm，模拟监测的数据为19 mm，尽管监测的数据不多，但模拟的曲线与实际监测数据曲线相差不大。侧向位移随着测斜管深度的增加而减小，在测斜管上部，其测斜位移变化较大。有土工格栅的侧向位移比无土工格栅的侧向位移小，加筋土在外界作用下由于土工格栅具有较大的抗拉强度，当土与筋材相互作用(摩擦与咬合)时土工格栅在水平方向给土体一个约束作用，限制了土体的侧向位移，从而减小了加筋土的侧向位移。

从图14～图16可知，在分层填筑过程中，第一层土工格栅附近的水平位移最大，距测斜管顶端－10 m是第一层土工格栅铺设处，这是因为在填筑中第一层土工格栅的水平位移都是上面填土的积累，其最大的水平位移比未加筋的最大水平位移要小。－10～0 m之间是土工格栅铺设处，加筋路堤比未加筋的路堤水平位移小，在加筋部分水平位移减小的程度明显大于未加筋部分水平位移减小的程度，这说明了在筋材的作用下路堤的侧向位移明显受到限制。对于－10 m以下的填土，其有土工格栅侧向位移也比无土工格栅的侧向位移要小，这说明了加筋也分担了一部分荷载，使其侧向位移也受到影响。

图14 不同填土层土工格栅布置情况下侧向位移

图15 不同填土高度处监测到的侧向位移

图16 有无土工格栅对侧向位移的影响

为了监测土工格栅的侧向位移，在土工格栅表面铺设了柔性位移计。当填土铺设第一层土工格栅时，埋设柔性位移计，每隔10 m铺设一个，从边坡外依次向里的柔性位移计编号为00003，000015和00008，具体结果如下图所示。

图17 距第一层土工格栅厚度与水平位移的关系

从图17可知，实际监测的数据最大水平位移值为65.9 mm，模拟监测的数据最大水平值为66.5 mm，其误差为0.8%，尽管监测的数据不多，但其数据误差相差不大，模拟的曲线与实际监测数据曲线相符合，这说明了模拟曲线的可行性与合理性。从模拟曲线可知，加筋路堤的水平位移都明显小于未加筋的水平位移，而且水平位移随着填土厚度的增加而增加，到达一定厚度时，水平位移达到最大，随后开始有所降低。由于在填土施工过程中，位移计可能长期受到同一侧的压力作用，可能会导致位移出现负值。此外，从FLAC模拟数据可知土工格栅对编号00003、000015、00008水平位移最大降幅分别为8.62%、8.38%、4.16%，可以看出，土工格栅对靠近边坡方向的影响较大。

4 结论

(1)高填方在填土过程中，土工格栅使土体中的位移重新分布，水平位移和垂直位移均减小了，这在一定程度上防止了不均匀沉降。

(2)在分层填筑过程中，土工格栅降低水平位移幅度为8.74%，而降低沉降幅度为3.82%，这说明土工格栅对水平位移影响效果比垂直方向要明显。

(3)在外加均布荷载作用下，有土工格栅的高填方在竖向与水平方向的位移都比无土工格栅的高填方的位移小。其中，在外加荷载作用下土工格栅降低幅度值比自重作用下土工格栅降低幅度值大。这说明土工格栅在外加荷载下起到的作用明显大于重力场下所起到的作用。

(4)在分层填筑过程中，筋材分散了路堤的沉降，使路堤的最大沉降值降低。水平位移受到筋材作用的影响较大，水平位移最大降幅分别为8.62%、8.38%、4.16%，可以看出，土工格栅对靠近边坡方向的影响较大。

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