加筋垫层对软土路基加固效果的多方案比较

张海太，张良翰，陈 贺

(1.云南建设基础设施投资股份有限公司, 云南 昆明 650501; 2.云南省交通规划设计研究院有限公司, 云南 昆明 650041；3.陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室, 云南 昆明 650041)

土工合成材料加筋垫层是由分层铺设的土工合成材料与地基土或砂土共同构成的换填垫层。土工合成材料加筋垫层通常用于提高地基土的抗拉和抗剪强度，减小地基沉降，增强散体材料垫层的刚度，已广泛应用于公路、铁路、水利等工程建设中[1]。

近年来，随着国家工程建设的迅速推进，国内外学者就土工合成材料加筋垫层加固软土地基的特性开展了研究，王亚涛等[2]分析了碎石垫层厚度、土工格栅、格栅层数等参数变化对竖向应力场、竖向位移场的影响。邵国霞等[3]通过现场试验探讨了不同刚度材料垫层条件下管桩复合地基的受力和变形规律，并指出钢筋混凝土板垫层对路基沉降的控制效果最好。贺炜等[4-5]、马龙[6]通过实测塌陷过程中单层、三层及四层土工格栅加筋垫层应力-应变及变形量，分析了多层加筋设计中的关键问题及相关计算理论。刘开富等[7]、何杰等[8]分析了加筋层数、垫层模量、桩间距、桩长等因素对加筋垫层复合地基承载性状的影响。师哥[9]应用有限元程序研究了设置土工格栅加筋垫层与未设置加筋垫层2种工况下地基位移场、应力场的变化规律。李磊[10]通过现场监测分析了高路堤扩中土工合成材料加筋作用机理与效果。王超等[11]采用有限元软件对加筋垫层与竖向加固桩复合增强软土路堤进行了数值分析。王勇等[12]分析了路堤荷载下有无土工格栅褥垫层加筋处理两种工况下复合地基的桩身应力及沉降特征。赵磊等[13]探讨了土工合成材料加筋垫层的兜提效应。上官士青等[14]、董博文等[15]研究了土工合成材料与岩土体的相互作用机理。

综上所述，关于土工合成材料加筋垫层加固软土地基的特性，国内外研究多集中于土工格栅层数、加筋、不加筋、不同加筋材料等参数变化对地基土的影响规律研究，然而，工程实践中，土工合成材料往往与其他的软基加固方案联合使用，因此，本文借助有限元数值分析软件，重点分析土工合成材料加筋垫层对公路软土路基加固的影响规律。

1 有限元数值模型的建立

PLAXIS程序是一款功能强大的通用岩土工程有限元计算软件，被广泛应用于边坡稳定、滑坡处置、软土路基固结排水沉降、大型基坑的开挖等专业计算分析中。采用该软件开展加筋垫层对软土路基加固效果的分析，一方面可以克服试验研究遇到的各种条件限制[7]，另一方面可以进行深入探讨分析。

1.1 土工格栅的模拟

正确、合理地模拟土工格栅材料的力学特性对本文的研究至关重要。土工格栅的弹性轴向刚度由式(1)计算得到。

(1)

式中：EA为弹性轴向刚度；Δl为伸长量；l为长度。

土工格栅采用软件中的线单元进行模拟，15和6节点的单元分别采用5和3节点定义；轴向力通过牛顿-科特斯公式估算，当超出某一特定数值，土工格栅发生塑性变形。

1.2 边坡安全系数的表示方法

边坡安全系数Fs一般定义为岩土体能够承受的最大剪应力(τmax)与维持平衡所需的最小剪应力(τneeded)之比，即：

(2)

当采用Mohr-Coulomb模型时，安全系数可如下定义：

(3)

式中：c、φ分别为土的黏聚力和内摩擦角；cr、φr分别为土体维持整体稳定平衡的最小黏聚力和内摩擦角。

1.3 数值计算模型

计算模型的建立参照了云南某一级公路现场试验结果。如图1所示，自上而下，模型地基土分别由黏土、有机质黏土、黏土和粉质黏土构成，基岩为泥岩，路堤填土和地基土均采用摩尔-库仑模型计算分析，其参数可通过室内试验获取或根据经验得到，该类地层岩性为山区软土地基的典型代表[16]；桩采用板单元来模拟，其抗弯刚度EI和轴向刚度EA通过多次试算得到；土工格栅由线单元构成，通过抗拉试验确定其弹性轴向刚度；通过给定界面合适的界面强度折减因子(Rinter)模拟土工格栅与土体之间的相互作用，当土与土工格栅之间没有相对位移时，界面强度折减因子为1，而当两者有相对位移时，界面强度折减因子小于1，界面强度因子按照式(4)和式(5)计算。

Ci=RinterCsoil (4)

图1计算模型断面(单位：m)

路堤填高9.4 m，顶面宽32 m。加筋垫层自上至下分别由2层通长土工格栅及其之间的30 cm厚砾砂组成，具体见图1。为了避免边界条件对数值模拟结果的不利影响，取地基边界水平距离为120 m，竖向深度为原地面以下20 m。除了路堤顶面和边坡自由之外，其他位置的位移均存在约束，包括：模型左右侧水平向，模型底部水平向、竖直向。假定土体材料采用非关联的流动法则，即设置剪胀角为0；参考云南某一级公路勘察资料和室内土工试验结果，各类岩土材料的计算参数见表1，桩的参数见表2，土工格栅抗拉刚度为2 000 kN/m，设计抗拉强度为50 kN/m。

采用不同疏密的网格，加密应力集中的点或线，将全局疏密度设置为中等，在土工格栅及路堤边坡处选择加密线，网格划分见图2。

模型左右和底部边界均不透水，通过重力计算初始应力。分3层填筑，最后一层填筑后，长时间固结，直至地基中最大超孔压小于1 kPa。当施工桩时，需要对由于原地基自重产生的位移归零。

图2加筋垫层联合复合地基网格划分图

表1 土层材料的物理力学参数

表2 桩的物理力学参数

2 数值计算模型验证

为了验证有限元数值模型计算结果的合理性，对比分析了桩顶、桩间土应力和超孔隙水压力的计算结果和现场实测结果，具体见图3所示。可以看出，计算得到的桩顶、桩间土应力和超孔隙水压力和现场监测结果的基本相同，表明了有限元数值模型的合理性。

3 数值计算结果分析

保持原有模型参数不变，通过模拟不处理、仅加筋处理、复合地基、加筋垫层联合复合地基4种不同加固方案作用下地基的受力和变形规律，对比分析其潜在滑移面、稳定安全系数、水平位移、沉降和桩土应力比的工作性状，研究加筋垫层对不同加固方案的影响效果。

3.1 潜在滑移面

图4分别为不处理、仅加筋垫层处理、复合地基、加筋垫层联合复合地基的位移增量云图。由潜在滑移面形状和分布图可知，不进行地基处理时，位移增量集中在浅层黏土及有机质土，可能发生的破坏模式为浅层圆弧滑动破坏；设置加筋垫层后，潜在滑移面往地基深处发展，地基稳定性得到提高；只采用桩进行地基加固时，位移增量集中在路堤填筑高度较大的一侧，可能出现堤身滑动失稳破坏；加筋垫层与复合地基联合处置时，垫层以上的路堤两侧均出现位移增量集中，可能出现的破坏模式也是堤身滑动破坏，且两侧边坡都可能失稳，这也说明加筋后整体性更好。在高填方路堤设计时，为了防止堤身稳定破坏，可在路堤中适当位置铺设土工格栅等加筋材料来提高路堤的稳定性。

3.2 稳定安全系数

路堤填筑施工过程中，其稳定安全系数见表3。由表3可以看出，虽然加固方案不同，但稳定安全系数均随着荷载的增加而减小。稳定安全系数在填筑初期减小较快，填筑完成后有所增大。加筋垫层联合复合地基处置软土路基时，路堤稳定安全系数大于仅使用复合地基处理时的安全系数。由于加筋砂垫层的应力扩散作用及土工格栅与垫层材料间的摩擦力，使土工合成材料加筋垫层对提高路堤稳定性有重要作用[8,15]。

图3 数值模型计算值与现场试验实测值对比

图4位移增量云图

表3 稳定安全系数随荷载施加的变化

3.3 水平位移

图5为不同加固方案下路基水平位移与深度之间的关系曲线。由图5可知，天然地基的深层位移最大，加筋垫层处置的深层位移略微减小；较复合地基，加筋垫层联合复合地基处置的深层水平位移较小，尤其是在浅层，表明土工格栅垫层对地基水平位移起到了很好的限制作用。通过以上分析可知，垫层加筋后随着填土荷载的增加，筋材变形增大，筋材拉力逐渐发挥，拉力通过筋-土界面作用对地基土的变形产生约束作用，减小了水平位移。

图5不同加固方案下深层水平位移与深度关系曲线

3.4 沉降

路基表面的沉降曲线如图6所示。由图6可以看出，施加桩基时的沉降值远小于无桩的地基沉降值，说明复合地基能够显著控制路基表面的沉降。施加加筋垫层的复合地基和仅加筋垫层处置的地基沉降分别小于复合地基和天然地基的沉降，说明加筋垫层能够均匀上部荷载，提高软土地基刚度，减少软土地基的变形。这是因为加筋砂垫层的应力扩散作用能够均匀上部的填土荷载，从而减小路堤的差异沉降，即路堤中部的最大沉降量减小。筋土界面摩擦作用阻止水平变形，减小水平位移。

图6不同加固方案下路基表面沉降

3.5 桩土应力比

填筑过程中的桩土应力比见图7所示。由图7看出，在路堤底部设置加筋垫层可以提高桩土应力比，不加筋时，路堤填筑完成时的桩土应力比为4.39，加筋后，桩土应力比提高到4.92。土工格栅加筋垫层能增大应力扩散角，使桩土沉降差异减小，充分发挥桩的支撑作用，提高桩土应力比。从土工格栅轴力分布图8可知，桩顶处的筋材拉力明显大于桩间土处的筋材拉力，说明加筋垫层将上覆路堤荷载更多地传递到桩顶，桩土应力比增大。

图7 桩土应力比

图8土工格栅轴向拉力分布

4 结 语

(1) 对比不处理和单独加筋垫层两种工况，加筋垫层使潜在滑移面往深处发展，位移增量集中区域几乎横跨全部的筋材宽度，土工格栅发生弯曲变形，筋材拉力得以发挥，限制地基土的侧向变形，致使路基的稳定安全系数提高。

(2) 对比复合地基和加筋垫层联合复合地基两种工况，加筋垫层的应力扩散作用及筋材与土之间的摩擦作用，使路堤的整体稳定性提高。

(3) 加筋砂垫层的应力扩散作用能够均匀上部的填土荷载，从而减小路堤的差异沉降，即路堤中部的最大沉降量减小。

(4) 土工格栅加筋垫层能增大应力扩散角，使桩土差异沉降减小，充分发挥桩的强度和刚度，提高桩土应力比。