土工格栅在岩溶区路基上的应用研究

林燕紫

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

土工格栅在岩溶区路基上的应用研究

林燕紫

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

岩溶溶洞灾害是交通建设主要工程地质问题之一，采用土工格栅加筋处治方法能够有效降低岩溶坍塌风险。文章采用PLAXIS2D有限元软件，将溶洞上方加筋体划分为临空段、过渡段及锚固段3个受力特征段，研究岩溶区加筋路堤的位移、应力分布规律。结果表明，在溶洞坍塌后，临空段上方路基荷载通过土拱效应传递到锚固段，能够有效防止岩溶突然坍塌的风险。

岩溶溶洞；加筋路堤；数值分析；土拱效应

1 概述

随着我国经济的蓬勃发展，我国对公路交通设施的需求越来越大。岩溶地形在中国尤其是在南方地区分布广泛，加上公路工程线路长，不可避免地要穿越岩溶发育区。由于岩溶作用导致岩土结构破坏，形成不同形状的溶洞或土洞，从而引起岩土体强度降低[1]。已有资料表明[2-3]，由于溶洞地质构造复杂，其力学特征、规模相差较大，存在很多不确定因素，导致路基在车辆荷载作用下会产生近似圆柱形的地陷破坏，对交通及人身安全造成了极大的危害，有必要采用经济合理的技术措施对其进行防治，如图1所示。

(a)浙江黄衢南高速公路车道塌 (b)危地马拉首都地陷图1 地层地陷典型破坏模式[4]

近年来，土工合成材料在土木工程中的应用，为岩溶区路基处理开辟了新的途径。土工合成材料是各种合成纤维的统称，例如土工格栅、土工网、土工模袋、土工网垫和土工带，复合土工膜，膨润土防水毯，复合排水网等。土工格栅就是一种片网状结构，具有抗拉强度高，变形模量大，将其埋入土体中，可以改善土体的受力条件，增强地基的承载力，提高地基的整体稳定性，因此，其在岩溶区道路工程中得到广泛应用[5]。国外学者对此类问题的研究开展得较早，如Bonaparte[6]对美国宾夕法尼亚州某公路的水平加筋路堤性状进行了分析。Briancon 等[7]采用土工格栅对溶洞上路堤进行了水平加筋，并提出相应的分析方法。国内学者对岩溶区加筋路堤进行了一定研究，如朱斌等[8]建立了抗空洞塌陷的水平加筋体设计方法，进行了水平加筋体变形影响因素分析。王芳洪[9]采用多层土工加筋体设计岩溶路基，并对土工格栅的变形和土拱效应的发挥开展研究。研究表明，岩溶区路基采用土工格栅处治地层地陷风险具有较好的经济性，是一种较为理想的技术措施。

本文基于土工格栅的工程特性，进一步分析了溶洞上方加筋体的受力特征，并采用PLAXIS2D有限元软件，对岩溶区加筋路基开展了数值分析。

2 土工格栅的工程特性

2.1 物理性质

土工格栅是柔性材料，其主要优点是抗拉强度高、整体连续性好、能与土体很好地结合、抗腐蚀性好、抗老化性高。由于土体的抗拉性能差，通常在土中铺设土工格栅以阻止土体的变形，增强土体的强度和稳定性。

土工格栅的物理性质指标有单位面积质量、厚度和开孔尺寸。采用土工格栅每平方米的质量表示单位面积质量，一般取值范围为0.1kg/m2～1.0kg/m2。

2.2 力学性质

土工格栅具有明显的粘弹性，其力学特性的影响因素较多，主要力学指标有抗拉强度、疲劳强度和徐变性等。试验研究表明，土工格栅的抗拉强度受温度影响较大。表1为不同温度条件下土工格栅的抗拉强度值。土工格栅抗拉强度随温度的升高而明显降低。如果单独考虑温度作用，土工格栅的温度变形系数较大，一般不会发生整体变形破坏，但实际施工过程中可能发生局部不均匀变形。

表1 不同温度下土工格栅抗拉强度

2.3 水理性质

土工格栅的水理性质主要用导水率表示。导水率一般是指水平向和垂直向的透水性。大部分土工格栅的导水率很小，一般为10-6m2/s～10-5m2/s。

3 溶洞上方加筋体受力特征段

采用水平加筋体处治溶洞上方路堤塌陷时，加筋体将失去原有地基支撑，变为临空段，如图2所示。临空段上方的水平加筋体受到车辆荷载和土压力的作用发生变形，加筋体产生的拉力与上部荷载平衡，该拉力通过加筋体与过渡段、锚固段之间的摩擦阻力传递给土体。因此，水平加筋体受力特征段分为临空段、过渡段及锚固段三部分。

图2 岩溶塌陷上方加筋体受力图

4 岩溶区加筋路堤数值模拟

4.1 几何模型建立

采用PLAXIS2D有限元软件模拟岩溶上方加筋路堤。加筋路基由路堤填土、土工格栅和地基土组成。路面宽度16m，路堤填土高度4m，路堤坡度1∶3。塌陷区宽度2m，地基厚度6m，宽度80m，有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

路堤填土和地基土采用Mohr-Coulomb模型，土体参数如表2所示。加筋体采用PLAXIS中的土工格栅单元，用弹塑性本构模型模拟。

表2 土体参数

4.2 数值结果分析

图4为溶洞坍塌后加筋路堤土体竖向位移云图。从图中可看出，溶洞上方土体呈现明显的位移拱，与Benmebarek等[10]发现的“土拱效应”一致。土工效应与土体间的相对位移密切相关，加筋体锚固段土体未发生明显相对位移则无土拱效应产生。加筋体临空段上方土体发生显著下沉，上部荷载通过土体间剪应力传递到加筋体过渡段，引起土拱效应。

图4 竖向位移云图

图5为溶洞坍塌后加筋路堤土体主应力分布。与竖向位移拱相似，在加筋体临空段和过渡段出现了主应力拱。临空段上方主应力减小，过渡段主应力增加，从而产生应力拱。

溶洞坍塌后，路堤中的土拱效应导致临空段上方加筋体竖向应力低于路堤填土竖向自重应力，锚固段上方加筋体竖向应力高于路堤填土竖向自重应力，临空段上方路基荷载通过土拱效应传递到锚固段[11]。因此，采用水平加筋能够较好地处理岩溶坍塌问题。

图5 主应力分布

图6为加筋路堤和无加筋路堤的土体竖向位移。从图中可看出：①加筋体上土体竖向位移的分布是不均匀的，随着距溶洞中心距离增加，加筋体上土体竖向位移逐渐减小，呈现出抛物线形分布规律。这主要是距溶洞中心距离的增加，锚固段的主应力先快速减小而后趋于平缓，呈现指数衰减的缘故[12]。②加筋路堤的竖向位移明显低于无加筋路堤的竖向位移，说明在岩溶区采用水平加筋体能够防止岩溶突然坍塌的风险。

图6 加筋体上土体竖向位移

5 结论

(1)对岩溶区加筋体受力特征段分为临空段、过渡段及锚固段三部分。水平加筋体临空段的拉力经过渡段及锚固段的摩阻力传递给土体。

(2)采用铺设土工格栅加筋垫层的方法加固岩溶区路基，在溶洞坍塌后，临空段上方路基荷载通过土拱效应传递到锚固段，能够有效防止岩溶突然坍塌的风险。

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Applied research of geosynthetic reinforced embankment in karst areas

LINYanzi

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research, Fuzhou 350001)

Disaster caused by the cave is one of the primary matter for the road project at Karst area. It is often necessary to implement geosynthetics to reduce risk of sinkhole for roadbed engineering in karst areas. The reinforcement is considered composing of three portions which are portion above Karst cave, changeover portion and anchored portion adjacent to Karst cave. In this paper，the displacements and stresses in both embankment and geosynthetics were analyzed in detail based on the numerical simulation results by PLAXIS2D. Results indicate that embankment load through the soil arching effect is passed to the anchored portion adjacent to Karst cave, and geosynthetics could be used for reinforcing embankment subjected to the influence of potential localized karst collapse.

Karst cave; Geosynthetic reinforced embankment; Numerical analysis; Soil arching effect

林燕紫(1988.10- )，男，工程师。

E-mail:2529899854@qq.com

2017-04-28

U416

A

1004-6135(2017)09-0076-03