土工格栅加筋高填方路基应力变形模拟分析

吴永妍

(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

在山区高速公路设计与施工中,高填方路基是一种常见的路基形式[1]。由于其填方高度大,路基自重大,对地基的压力较大,路基压缩沉降和地基沉降量也较大。高填方路基占地面积大,填方工程量大,施工时间长[2-3],对压实质量要求高,施工不当很容易产生不均匀沉降,破坏道路结构。因此,高填方路基工后沉降是施工质量控制的重点[4],施工中应从填层厚度、碾压施工和压实质量检测等方面进行控制,并采取措施降低高填方路基的应力应变,提高路基稳定性。土工格栅强度高、耐腐蚀、柔韧性好[5],在竖向荷载作用下与路基填料相互作用可提高土工格栅水平拉力,控制路堤不均匀沉降。土工格栅的埋置层数对控制高填方路基沉降的影响较大,文章重点对土工格栅加筋设置层数进行研究。依托高速公路高填方路基施工案例,采用有限元软件建立计算模型,对无格栅和不同层数的土工格栅加筋路基的土压力和沉降进行数值模拟计算,分析确定土工格栅设置层数,并结合工程现场监测结果,对比确定高填方路基应力应变的变化规律,确定土工格栅的加筋效果。

1 工程概况

某高速公路路基设计宽度为28 m,采用双向四车道设计,行车车速为100 km/h,局部路段车速为80 km/h。高速公路位于山岭重丘区,地形起伏较大,最大高差约260 m,沿线分布有多处高填方路堤和深挖路堑。公路沿线地质状况良好,个别路段穿越采空区,应做好勘察设计。该施工区域地表水主要为大气降水,地下水位较低,雨季地下水位有所上升,且地下水无腐蚀性。施工区域四季分明,夏季多雨湿润,春秋季节干旱少雨,冬季干燥少雪,降雨时间主要集中在7月和8月,其他月份降雨量少。年平均降雨量为539.4 mm,年平均气温为14.6 ℃。

K108+243～K110+146段为填方路基,路基最大填方高度为22.5 m,最小填方高度为15.6 m。其中K108+680～K109+064段填方高度为21 m,路基设计宽度28 m,为高填方路基。为提高高填方路基的稳定性,在路堤填筑过程中设置双向塑料土工格栅,自路堤顶部每隔2 m设置一层,共设置5层土工格栅。路堤边坡分两级,一级边坡坡度为1∶1.75,二级边坡坡度为1∶1.5。为合理确定土工格栅的设置层数,采用有限元软件建立计算模型进行数值模拟分析,并通过施工实践验证。

2 高填方路堤变形有限元模拟分析

2.1 模型建立

以K108+680～K109+064段高填方路堤为研究对象,根据设计资料建立有限元计算模型。高填方路堤高度为21 m,下部地基计算深度为40 m。采用有限元软件建立计算模型时将路堤填料和土工格栅看作一个整体,自由划分为若干单元格。利用弹簧单元模拟路基土与土工格栅之间的界面特性,根据土工格栅的受力特性,设置土工格栅属性使其只承受拉应力。土工格栅与路基填土之间的接触采用约束命令设置,用嵌入关系模拟二者之间的相互作用,将土工格栅嵌入到路堤相应位置。由于路堤具有对称性,选取一半路堤作为研究对象,确定计算范围,网格划分如图1所示。

图1 高填方加筋路基有限元分析网格划分图

约束条件:高填方路堤计算模型中地基土水平和竖直两个方向均约束,路堤填土竖直方向也为约束。路堤纵向前后两个方向设定为水平约束,路堤横断面方向左右两个面也设定为水平约束。采用弹簧单元代替土工格栅,分为无格栅、1～5层格栅共6种情况进行数值模拟分析,路堤填料与地基土计算参数如表1所示,土工格栅计算参数如表2所示。

表1 路基填料与地基土主要计算参数

表2 土工格栅计算参数

2.2 数值模拟计算结果分析

2.2.1土压力分析

为合理确定高填方路基土工格栅加筋设置层数,分别对无格栅、1～5 层格栅6种情况进行数值模拟分析。土工格栅选用PP双向塑料土工格栅,上部压力荷载为120 kPa,对上述6种情况路基土压力进行计算。利用计算模型模拟不同格栅层数下同一标高层的土压力,计算距离路基中心线不同位置的竖向土压力,整理计算结果,绘制不同加筋方式,路基土压力变化曲线如图2所示。

图2 不同加筋方式路基土压力变化曲线

分析曲线变化趋势可知,随土工格栅加筋层数的增加,路基土压力随之下降,其中无土工格栅加筋的路基土压力最大,5层土工格栅加筋路基土压力最小,说明土工格栅层数越多,土压力越小。通过对比分析,1～4层土工格栅加筋路基土压力降幅较小,5层土工格栅加筋路基土压力下降幅度最大。因此,路基土压力随土工格栅的设置层数增加而减小,但格栅层数的增加也会增加施工成本,增大施工难度,因此选取5层土工格栅作为最优设置层数。

2.2.2沉降分析

通过软件模拟高填方路基的施工工序,按照填土-加筋-填土的施工顺序进行逐级加载,分层计算路基沉降,对不同加筋方式的路基沉降进行数值模拟计算,整理距路基中线不同位置的路基沉降计算结果,绘制不同加筋方式路堤沉降变化曲线如图3所示。

图3 不同加筋方式路堤沉降变化曲线

分析图3曲线变化趋势,可知随土工格栅加筋层数的增加,路基各部位沉降变形不断下降,无土工格栅加筋路基沉降量最大,加筋4层、5层路基沉降量下降幅度较大,且加筋5层沉降量最小。路基中部沉降较大,边缘沉降较小,这是由于路基中部应力较大,与上述土压力计算结果相同。通过对比分析,土工格栅加筋层数为4层、5层时路基沉降下降幅度均较大,因此在优先考虑经济性的情况下,最优设置层数为4层,而在优先考虑降低路基沉降的情况下,最优设置层数为5层。

3 高填方路基现场监测结果分析

3.1 路基内部土压力监测结果分析

以K108+680～K109+064段高填方路堤为研究对象,在路基填筑施工过程中对路基竖向土压力进行监测。为分析路堤填筑过程中不同深度土压力的变化情况,按无格栅和有格栅两种情况在路堤内部分三层埋设土压力盒,埋设布置如图4所示。有格栅断面布置5层土工格栅,施工工序与无格栅断面相同。土压盒选择HCYB-16微型土压力盒,经标定合格后按要求埋设在监测断面。每层埋设3个压力盒,分别位于路基中心线和距左、右两侧边缘1 m位置,最下层压力盒布置在地基顶面以上30 cm,上下两层高度差为6 m。在路堤填筑施工中做好土压力盒的保护,如路堤内有渗水情况应做好防水。

图4 土压力盒布置示意图

在路堤填筑施工过程中读取土压力盒监测数据,对比分析无格栅和有格栅上、中、下三层竖向土压力的变化情况。收集整理路基各层竖向土压力监测结果,绘制无格栅和有格栅路基土压力变化曲线,如图5和图6所示。

图5 无格栅路基各层土压力变化曲线

图6 格栅加筋路基各层土压力变化曲线

分析图5和图6所示曲线变化趋势,随着填筑高度的增加,路基自重不断增加,各层路基土压力也随之增大,且总体呈现施工前期增速较快,后期增速逐步减缓的趋势。对比分析无格栅和有格栅加筋路基断面土压力变化趋势,可知加筋后路基各层土压力明显下降,无格栅路基上、中、下三层土压力最大值分别为0.11 MPa、0.18 MPa和0.19 MPa;采用土工格栅加筋路基上、中、下三层土压力最大值分别为0.08 MPa、0.12 MPa和0.14 MPa;加筋后各层土压力均有一定程度的下降,下降幅度分别为27.3 %、33.3 %和26.3 %。在土工格栅加筋作用下,路基填料压实过程中产生了一定的摩阻力,约束路基的侧向变形,施工过程中降低土压力在路基中的扩散。

3.2 路基沉降监测结果分析

同样以K108+680～K109+064段高填方路堤为研究对象,在路基填筑施工过程中对路基沉降进行监测。为分析路堤填筑过程中的沉降情况,在施工过程中埋设沉降板,采用水准仪对路堤沉降变形情况进行监测。沉降板尺寸为50 cm×50 cm×50 cm,上部测杆直径为4 cm,在路基填筑过程中分节加长。沉降监测采用S1型水准仪,按照二等水准测量方法进行监测,测量精度为1 mm。路基沉降板布置见图4,整理监测数据,绘制无格栅和有格栅路基沉降变化曲线如图7、图8所示。

图7 无格栅路段路堤底层沉降变化曲线

图8 土工格栅加筋路段路基底层沉降变化曲线

分析图7和图8曲线变化趋势,路基沉降随路基填筑高度的增加而增加,在观测初期路基沉降增速较快,而后增速逐步趋缓,这是由于施工前期填料密实度低,逐步压实稳定后沉降速率下降。路基中央沉降量最大,两侧较小,这是由于路基中部应力较大。通过对比分析,可知采用土工格栅加筋后路基沉降量明显下降,无格栅加筋监测断面3个测点最终沉降量分别为344 mm、356 mm和396 mm,加筋后各测点最终沉降量分别为264 mm、271 mm和284 mm,下降幅度分别为23.3%、23.9%、28.3%。土工格栅加筋后产生拉伸变形,限制了路基土的竖向位移,降低了路基的最终沉降量。

4 结论

结合高速公路高填方路基施工实践,分别采用建立计算模型和现场监测两种方法对有无土工格栅加筋的路基土压力和沉降进行分析,得出以下结论:

(1)根据计算模型数值模拟分析结果,采用5层土工格栅加筋路基土压力下降幅度最大,土工格栅加筋层数为4层、5层路基沉降下降幅度均较大,综合分析确定土工格栅层数为5层。

(2)现场监测结果表明,采用5层土工格栅加筋后路基各层土压力下降幅度分别为27.3%、33.3%和26.3%,这是由于加筋后土工格栅限制了土压力的扩散作用;加筋后路基各测点最终沉降量分别下降23.3%、23.9%和28.3%,这是由于土工格栅的拉伸变形限制了路基土的竖向位移。

(3)路基土压力和沉降现场监测结果略高于数值模拟计算结果,这是由于计算过程中未考虑气候和部分现场荷载的影响,计算结果准确。

综上,采用5层土工格栅加筋较为合理,加筋后路基土压力和沉降明显下降,加筋效果明显。