竹筋格栅加筋山区挖填路基数值模拟分析初探

2018-10-17

福建质量管理 2018年18期

(1.中国水利水电第八工程局有限公司湖南长沙 410001；2.湘潭大学土木工程与力学学院湖南湘潭 411105)

前言

竹材因具有分布广、生长速度快、可再生以及强度高等优点在土木工程领域得到广泛应用，竹筋格栅因优良的力学特征及生态环保优点，在一些路基工程[1]、基坑挡墙[2]、文物保护工程[3]中得以应用。但是目前针对竹筋在山区挖填这种特殊路基结构中的应用还鲜见报道，本文拟基于Flac3D有限差分软件，建立竹筋格栅加筋挖填路基三维模型，探讨竹筋格栅在挖填路基中的适应性。

一、竹筋格栅加筋挖填路基数值分析

(一)数值模型构建

本次数值模拟试验模型以湖南省湘西地区龙永高速公路连线挖填路基K62+345～350路段为原型，路基尺寸为15m×4.3m×10m(长×宽×高)，坡比1：0.466，地基尺寸为20m×4.3m×10m(长×宽×高)，挖填交界台阶高2m，宽1.5m，一共5个台阶；采用Flac3D进行数值分析，试验分为3种工况，工况1为挖填交界台阶处不加筋、工况2为加土工格栅、工况3为加竹筋格栅，路基模型网格划分如图1所示；岩土体屈服准则采用摩尔-库伦模型，相应的力学参数见表1，土工格栅采用Flac3D自带的Geogrid单元模拟，力学参数见表2，竹筋格栅采用实体单元进行模拟，本构模型采用各向同性弹性模型，竹筋格栅与填方区土体相互作用以及挖填交界面均使用interface单元模拟，参数见表3；竹筋格栅与土工格栅均从每一层台阶内侧延伸至边坡满布，分别铺设5层；

表1 岩土体及竹筋的力学参数

表2 土工格栅的物理力学参数

表3 接触面单元参数

图1 路基模型网格划分

(二)不同工况下差异沉降分析

图2为不同工况模型计算下路基顶面各点的沉降值，可见，当未对挖填交接面进行加筋处理时，路基顶面最大沉降值达54.11mm，最大沉降与最小沉降值相差30.33mm，路基顶面沉降曲线在挖填交界面处有突变。当在挖填交接面处铺设土工格栅或者竹筋格栅后，路基顶面最大沉降分别为51.67、48.11mm，最大沉降与最小沉降分别相差28.05mm、24.61mm，最大沉降相比于不加筋分别减少了

4.5%、11.09%，差异沉降相比于未加筋分别减少了7.52%、18.86%，路基顶面沉降曲线相比于未加筋时明显平滑，有效的协调了挖填交界两侧的变形，且竹筋格栅的加筋效果要优于土工格栅。这是由于土工格栅属于网膜结构，其抗弯能力相比竹筋格栅较小，在填方区，由于竹筋的抗弯特性，竹筋格栅将分担大部分竖向压力，从而土体所受到的竖向压力减少，减少了沉降量。

图2 不同工况路基顶面沉降图

(三)竹筋格栅的铺设位置对挖填路基顶面差异沉降的影响分析

为了研究挖填交界面台阶处竹筋格栅铺设层数对挖填路基的影响，本次数值模拟试验还还设置了4种不同工况，它们分别是，工况a：顶层铺设竹筋格栅；工况b：中间层铺设竹筋格栅；工况c：底层铺设竹筋格栅；工况d：底层、第二层及中间层铺设竹筋格栅；层数命名如图3所示

图3 层数命名

图4为不同工况下路基顶面沉降值，可见：工况c相比于工况a及工况b，其路基顶面沉降值更低，这表明，若仅在填方区铺设一层竹筋格栅，则在底层铺设竹筋格栅的效果最佳；当只在顶层铺设竹筋格栅时，其路基顶面最大差异沉降值相比于未铺设竹筋格栅减少了8.4%，当在顶层、中间层以及底层均铺设竹筋格栅时，其路基顶面差异沉降值相比于未铺设竹筋格栅减少了16.3%，当在每一层均铺设竹筋格栅时，其路基顶面最大差异沉降值相比于未铺设竹筋格栅减少了20%。