土工格栅加筋路堤变形模拟分析

范鹏慧

(山西交通控股集团有限公司运城南高速公路分公司 运城市 044000)

0 引言

路堤填方高度越大,受到自重荷载和外部荷载作用产生的变形越大[1]。山区高速公路建设中,路堤填方工程量大,处治不当易产生不均匀沉降、边坡滑塌等病害[2]。受原地面地形地貌影响,地质条件复杂、填方高度大的路堤对稳定性的要求更高。路堤填筑过程中,加入土工合成材料可减少路堤变形,提高路堤的整体稳定性[3]。此外,土工格栅加筋还可增加路堤边坡坡率,降低填方工程量。土工格栅强度高、耐腐蚀性好[4],是公路填方路堤加筋常用的土工合成材料。土工格栅和路堤填土合成一个整体,可增强土体的抗拉性能,控制路堤竖向位移,减少坡面水平位移,增强路堤稳定性[5]。为研究土工格栅路堤加筋效果,文章分三种情况制定加筋方案,采用有限元软件建立计算模型,对比分析不同部位加筋路堤的变形情况,确定土工格栅路堤加筋方案。

1 路堤土工格栅加筋方案

研究选取路堤高度为20 m,一级边坡高度为12 m,坡率1∶1.5,二级边坡高度为8 m,坡率1∶1,两级边坡中间设置2 m宽平台。未做加筋处理的路堤在压力和剪切应力作用下,会产生较大的内部竖向位移和坡面水平位移,影响路堤稳定性。为提高路堤整体抗拉强度,拟在路堤内部设置土工格栅加筋,降低路堤内部应力,控制路堤内部和坡面变形。为提高路堤稳定性,降低路堤坡面和内部的变形和应力,采用土工格栅加筋。为研究不同加筋方案对路堤的加筋效果,分三个部位,制定八种土工格栅加筋方案,分别将土工格栅布置在一级边坡、二级边坡、一二级边坡中间三个位置,具体布设方案如下:

(1)一级边坡布设

方案一:土工格栅布置范围为路堤高度6～10 m,相邻两层土工格栅布置间距为2m,分三层全断面布置。

方案二:土工格栅布置范围为路堤高度2～6 m,相邻两层土工格栅布置间距为2m,分三层全断面布置。

方案三:土工格栅布置范围为路堤高度2～10 m,相邻两层土工格栅布置间距为2m,分五层全断面布置。

(2)二级边坡布设

方案四:土工格栅布置范围为路堤高度14～18 m,相邻两层土工格栅布置间距为2m,分三层全断面布置。

方案五:土工格栅布置范围为路堤高度12～16 m,相邻两层土工格栅布置间距为1m,分五层全断面布置。

(3)一二级边坡中间布设

方案六:土工格栅布置范围为路堤高度10～14 m,相邻两层土工格栅布置间距为2m,分三层全断面布置。

方案七:土工格栅布置范围为路堤高度11～13 m,相邻两层土工格栅布置间距为1m,分三层全断面布置。

方案八:土工格栅布置范围为路堤高度8～16 m,相邻两层土工格栅布置间距为2m,分五层全断面布置。

2 建立计算模型

2.1 基本假定

路堤变形计算不考虑路堤纵向影响,只考虑路堤竖向变形(竖向位移)和侧向变形(坡面水平位移),按照平面应变进行模拟分析。模型按自重应力场进行计算,将汽车荷载换算为当量填土厚度。路堤变形和应力计算过程中不考虑温度、地震、填土固结等因素影响。通过有限元软件建立模型,计算路堤的塑性应变,通过计算结果确定路堤的竖向位移和坡面位移变化情况。

2.2 建立模型

根据上述设计,确定边坡坡率、高度、平台宽度等基本尺寸。由于路堤在横断面方向具有对称性,因此取一般路堤为研究对象,地基计算高度为10 m,宽度为55 m,一级边坡坡度为1∶1.5,高度为12 m,二级边坡坡度为1∶1,高度为8 m。路基填土采用粉质黏土,土工格栅选用双向塑料土工格栅,主要计算参数如表1、表2所示。

表1 岩土体计算参数

表2 土工格栅计算参数

网格划分:理论上,网格数量越多,计算精度越高,但也会增加计算量,耗费更多时间。由于路堤变形集中在中、上部,在边坡顶面容易产生应力集中,因此靠近边坡坡顶位置网格划分较密,路堤自上而下网格划分由密变疏。加筋路堤计算模型如图1所示。路堤坡面水平位移和路堤内部竖向位移计算共选择11个计算点,自路堤坡脚向上每隔2 m(垂直距离)布置1个点。

图1 加筋路堤计算模型

3 加筋路堤变形模拟分析

3.1 一级边坡加筋模拟计算结果分析

按照上述加筋方案,计算未加筋和一级边坡加筋两种情况下的路堤内部竖向位移和坡面水平位移。整理各点计算结果,绘制路堤坡面水平位移变化曲线,如图2所示。

图2 一级边坡加筋路堤坡面水平位移变化曲线

分析图2可知,三种土工格栅加筋方案均可有效控制路堤坡面的水平位移,其中方案二和方案三对边坡坡面水平位移控制效果较好,方案三对坡面位移的整体控制最好。与未加筋路堤相比,加筋方案二可大幅降低一级边坡坡面水平位移,但二级边坡坡面位移较大。加筋方案三中一级边坡和二级边坡水平位移均得到明显控制,因此一级边坡加筋方案三对坡面水平位移总体控制效果最好。此外,三种土工格栅加筋方案对路堤内部竖向位移的控制虽然较未加筋路堤有小幅下降,但控制效果不明显。路堤竖向位移最大位置出现在路堤顶部,采用土工格栅加筋方案三竖向位移最小,但三种方案效果相差不大。

3.2 二级边坡加筋模拟计算结果分析

按加筋方案四和方案五在路堤二级边坡布设土工格栅,整理计算结果,分别绘制路堤坡面水平位移和路堤内部竖向位移变化曲线,如图3、图4所示。

图3 二级边坡加筋路堤坡面水平位移变化曲线

图4 二级边坡加筋路堤内部竖向位移变化曲线

分析图3可知,采用方案五对路堤坡面水平位移的控制效果更好,坡面水平位移最大值出现在路堤高度2 m位置,而未加筋和加筋方案四坡面水平位移最大值均出现在路堤高度4 m位置。经对比分析,采用加筋方案五时其他高度坡面水平位移也较低,控制效果最好。

分析图4可知,方案五对路堤内部竖向位移的控制效果更好,尤其对二级边坡的竖向位移控制效果更明显。方案四与未加筋路堤竖向位移比较接近。总体分析,方案五对路堤内部竖向位移控制效果最好。

3.3 一二级边坡中间加筋模拟计算结果分析

按照方案六、方案七和方案八在一二级边坡中间加筋,整理计算结果,分别绘制路堤坡面水平位移和路堤内部竖向位移变化曲线,如图5和图6所示。

图5 一二级边坡中间加筋路堤坡面水平位移变化曲线

图6 一二级边坡中间加筋路堤内部竖向位移变化曲线

分析图5、图6可知,四种加筋方案对路堤坡面水平位移和内部竖向位移的控制效果均较好。其中,方案八控制效果最好,路堤坡面水平位移和内部竖向位移的最大值分别为2.64 cm和2.87 cm,较未加筋方案分别下降了35.56 %和52.73 %。

4 结论

为合理确定不同位置路堤土工格栅加筋效果,分别在一级边坡、一二级边坡中间、二级边坡三个位置制定加筋方案,通过计算模型开展数值模拟分析,对比分析后确定各方案对路堤内部竖向位移、坡面水平位移的控制效果,得出以下结论:

(1)经对比分析,采用方案三控制路基坡面水平位移的效果最好,路堤内部竖向位移也略高于其他方案。因此,一级边坡加筋选择方案三为最优方案。

(2)采用方案五,坡面水平位移最大值出现在路堤高度2 m位置,较其他方案位移值较低,竖向位移控制效果明显。因此,二级边坡加筋选择方案五为最优方案。

(3)对于一二级边坡中间位置,各加筋方案对路堤变形的控制效果均较好,其中方案八效果最好,较未加筋方案分别下降了35.56%、52.73%。因此,一二级边坡中间位置加筋选择方案八为最优方案。

(4)经对比分析,采用加筋方案八的路堤内部竖向位移最小,为2.64 cm,坡顶位置水平位移也最小,为1.12 cm。综合分析,确定方案八为最佳加筋方案。

对比分析采用不同加筋方案时路堤内部的应力变化情况,得出与路堤变形分析相同的结果,故认为上述结论具有合理性,可作为路堤土工格栅加筋设计的重要参考。