土工格栅加筋陡边坡变形及稳定性分析★

赵振华 薛晓辉

(1.贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州贵阳 550001; 2.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000)

近年来随着我国基础建设的快速发展，在建及改扩建公路建设项目越来越注重环保，如何在工程建设中既节省工程占地面积，又能美化环境，同时还能降低工程造价成为工程设计发展的新方向。土工格栅作为一种加筋材料已经广泛应用于工程建设项目中，同时在高陡边坡工程中已开始应用，以解决高速公路在跨越地形较陡路段时的边坡稳定问题，从而保证施工安全、边坡稳定及工程质量。土工格栅加筋高陡路堤边坡工程不但可以极大地减少土石方工程量，同时在缩短工期、少占农田等方面具有极大优势，还能取得较好的经济效益和环境效益。

文中通过数值模拟的手段建立土工格栅加筋高陡路堤模型，对土工格栅加筋高陡路堤边坡的变形特性及稳定性进行了分析。

1 建立土工格栅加筋高陡路堤计算模型

1.1 计算模型的确定

选取边坡坡度为1∶0.75，路堤边坡模型见图1，图2，边坡尺寸见表1。

图1 高陡路堤未加筋模型

图2 高陡路堤加筋模型

表1 边坡尺寸 m

在数值模拟软件中，将该加筋土陡堤简化为平面应变问题进行分析。其中地基和填料都采用摩尔—库仑材料模型模拟，土工格栅体采用反包式，软件中路堤边坡面采用软件中墙面板单元进行模拟;土工格栅采用2-node杆单元模拟;土工格栅和填料、填料与面板之间的接触面采用Goodman接触单元来模拟。有限元分析中用到的材料参数通过室内常规土工试验得到，如表2所示。

表2 材料参数

1.2 网格划分及边界条件

PLAXIS程序提供了6节点三角形单元和15节点三角形单元，而15节点单元是一种非常精确的单元，可以得出精度很高的应力计算结果，因此，计算中采用15节点单元为基本单元，PLAXIS的网格生成是基于稳定的三角形分割程序，形成的是“非结构化”网格，这种网格的数值计算一般优于规则“网格”。生成的网格如图3所示。

图3 模型网格划分及边界条件

边界条件:Ⅰ—Ⅰ断面X=0，Y=0;Ⅱ—Ⅱ，Ⅲ—Ⅲ断面X=0。

2 计算结果分析

2.1 加筋沉降的影响

图4 路堤顶面沉降

从图4，图5可以看出，加筋对路堤沉降影响很大，对于未加筋路堤，沉降最大位置在路堤顶面中心位置，为0.554 m，沉降沿远离中心位置逐渐减小，但减小幅度很小;加筋后陡堤沉降最大位置依然在中心位置，分别为0.32 m，但沿远离中心位置减小幅度较大，对比数据后得出加筋后可减小路堤顶面中心位置沉降40%以上，最远端沉降可减小50%，加筋效果显著。对于路堤底部沉降，未加筋地基沉降规律为路堤中间竖向沉降量最大，远离路堤中心位置竖向沉降量依次减小，且坡脚处沉降和路堤中位置差异沉降较大。加筋处理后，沉降趋于均匀，基本不存在差异沉降，整个沉降趋于平缓，没出现差异沉降。

图5 路堤底面沉降

根据以上数据及分析可以得出，加筋后不但较大减小了路堤的竖向沉降，同时改变了沉降规律，从原有的整体式下沉规律，变为中间沉降大，两边沉降小的新沉降规律。可见，反包式加筋，起到了土兜效应，将土体兜在一起，形成一个整体，沉降主要集中在中心位置，两侧沉降反而减小了。经加筋处理后，地基沉降趋于一致，差异沉降基本消失，可见加筋对减小下卧软基差异性沉降起到了极大的作用。

2.2 危险滑动面及安全系数分析

软件中提供了边坡安全系数计算功能，通过安全系数的计算可以测算出路堤陡边坡的安全系数。计算结果见图6，图7及表3。

图6 未加筋路堤安全系数

图7 加筋后路堤安全系数

表3 安全系数

根据计算结果可以得知，在未加筋的情况下，边坡处于失稳破坏状态，而加筋后边坡处于稳定安全状态。

3 结语

通过建立二维有限元加筋高陡路堤模型，进行数值模拟，对路堤沉降及稳定性进行了分析，得出如下结论:1)改变路堤填土沉降变形规律。路堤由原来整体式下沉方式，变为中心沉降大，两侧逐渐减小的新沉降规律，同时减小了路堤整体的沉降量。2)改变了地基的沉降规律。地基沉降由不加筋时路堤底面中心沉降大，两边小，且差异沉降大，变为加筋处理的地基整体式下沉，差异沉降基本消失。3)加筋后对于高陡路堤的稳定性具有加强作用。

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