基于模拟试验的加筋切填路基变形影响因素敏感性分析*

苏永华,罗正东,常伟涛

(湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082)

在山区修建高速公路经常会遇到半填半挖路基,由于半填半挖路基一侧为原状路基,一侧为新填路基,所以交界面两侧土的物理力学性质有很大的差别,再加上沉降时间不同,成为很难解决的工程问题.实践证明,加筋路基是一种非常有效的处理措施.许多学者对此开展了一系列试验研究工作,郭大华[1]对土工合成材料在公路软基处理中的应用与设计进行了研究;谢永利等[2]采用基于直接约束的接触迭代算法和Coulomb摩擦模型模拟半填半挖路基挖方段和填方段的非线性接触,对土工格室在处治路基不均匀沉降中的应用进行了研究;胡幼常等[3]在试验研究的基础上建立有限元模型,并探讨了加筋层间距以及路堤土的内摩擦角、粘聚力等对加筋路堤沉降和应力分布的影响规律;李志清等[4]就土工格栅在加固高速公路路堤中的应用进行了研究;冯晓静等[5]对土工格栅加筋路堤进行了现场试验,研究了加筋层数及加筋类型对路堤结构性能的影响.

目前,关于切填路基的研究主要集中于加筋种类或土体物理力学性质研究,本文就加筋种类和切填路基的几何结构特征进行了研究;利用实际工程建立有限元模型研究切填路基变形影响因素的敏感程度,以便为这种路基的设计、施工及加固提供指导.

1 影响加筋切填路基的因素

影响加筋切填路基稳定性效果的因素很多,主要有路基高度、地基强度、加筋模量、土工合成材料的种类、边坡坡度及新填路基的宽度等.本文就加筋种类、边坡坡度、路堤高度、新填路基宽度及地基强度5个因素进行试验.参照本工程实例具体试验参数取值如表1所示:

表1 影响因素及取值水平Tab.1 Influence factors and value level

2 参数敏感性的分析

参数敏感性分析是指参数r对特性P的影响程度分析,可令其余各参数取基准值且固定不变,而令ri在其可能的范围内变动,则系统特性P表现为P=.若ri的微小变化,引起P的较大变化,则P对ri很敏感,此时的ri为高敏感参数;若ri的较大变化仅引起P的较小变化,则ri为低敏感参数.为对不同的参数进行敏感性比较,参照文献[6]定义敏感度因子:

式中M(ri)为参数ri的敏感度;S*为基准参数集对应的变形量;S*-Srmax,S*-Srmin分别为计算的切填路基变形差在参数ri变化范围之内的最大值和最小值.本文各参数的基准值选定为路堤高度为4 m,新填路基宽度为10 m,地基弹性模量为10 MPa,边坡坡角为45°及不加筋.然后将其他参数不变,分别对路堤的高度、新填路基宽度、地基弹性模量、加筋种类及边坡坡角对路基变形的影响进行分析.

3 模拟试验

3.1 基本假定

对加筋土结构进行有限元数值分析时通常有3种考虑方法[7],本文采用有限元离散模型将加筋路堤分为土体单元和筋材单元,并在土与筋材之间加入接触单元,考虑土与筋材的相互作用.并作如下假定:

1)路堤有足够长,可以按平面问题处理;

2)土工合成材料视为一种杆单元,其材料为线弹性;

3)填土和路基土的本构关系采用Drucker-Prager弹塑性模型;

4)界面单元采用两节点接触单元,它是无厚度的四节点Goodman摩擦单元的简化单元.

3.2 有限元模型的建立及网格的划分

本文以邵怀高速公路溆浦连接线半填半挖路基一个典型的断面为背景,通过对实际工程的现场条件简化处理后,建立分析模型.该典型断面原路基宽6 m,新填路基宽为10 m,新填路基高4 m.外荷载主要考虑路基土的重力作用和车辆荷载的静力作用.模型边界范围的选取参照文献[8].

有限元模型可简化为平面应变问题,土体单元采用有限元程序提供的plane单元;土工格栅单元采用link单元;土工格室单元采用beam单元.单元计算模型及有限元网格划分见图1.

图1 计算模型及有限元网格划分Fig.1 Calculation model and finite element mesh division

3.3 模型计算参数

本文所采用的有限元计算参数为工程现场的观测数据,计算中各种材料参数的选取是根据资料[9-10]进行的参数反分析,或根据文献[7]中的材料类比而选定的.具体参数见表2.

表2 有限元模型计算参数Tab.2 Finite element model of calculation parameters

3.4 计算方案及结果分析

3.4.1 不同土工材料加筋对沉降的影响

第1组计算方案:各参数选基准值,不加筋、加土工格栅、加土工格室3种工况,结果如图2,3所示;半填半挖路基加入土工材料后,路堤横断面内沉降分布更加均匀了,加筋堤的最大沉降比非加筋堤小,路基顶面的沉降差减小,并趋于均匀.其中不加筋,加土工格栅和加土工格室后的路基顶面的差异沉降分别为:6.909 cm,6.187 cm,5.727 cm,路基坡脚下的最大侧向位移分别为:1.872 cm,1.603 cm,1.41 cm.这表明土工材料承受地基表面的拉力,通过界面摩擦的侧限作用,使原本作用在路堤中部的沉降向两侧扩散,使沉降变得均匀化,应力分布更协调均匀,同时使结构的整体性得到加强.

图2 不加筋、加土工格栅、土工格室路堤顶面沉降图Fig.2 Settlement graph of top subgrade by without reinforcement,geogrid,geocell

图3 不加筋、加土工格栅、土工格室坡底侧向位移图Fig.3 Lateral displacement graph at the base of subgrade by without reinforcement,geogrid,geocell

3.4.2 不同路堤高度时加筋对沉降的影响

第2组计算方案:路堤高分别为3 m,4 m,5 m,不加筋、加土工格栅、加土工格室9种工况,结果如图4,5所示.由图可知,随着路堤高度的增加,土工合成材料对减少新旧路堤的不均匀沉降也比较明显,但路堤越高,加筋后不均匀沉降还是会越来越明显,其根本原因在于路基的沉降对路基高度的变化比较敏感,这也就是说,路堤高度的增加使沉降产生了更大幅度的增加,虽然土工合成材料能减少路基的沉降量,但不足以抵消由于路堤高度增加带来的地基沉降增量.当路堤高度为3 m时,其不加筋,加土工格栅和加土工格室路基顶面差异沉降分别为:5.318 cm,4.863 cm,4.504 cm;当路堤高度为4 m时,其值为:6.909 cm,6.187 cm,5.727 cm;当路堤高度为5 m时,其值为:8.497 cm,7.44 cm,6.868 cm.新填路基高3 m时,不加筋,加土工格栅,加土工格室坡脚下的侧向位移分别为1.471 cm,1.298 cm,1.146 cm;新填路基高4 m时,其值分别为1.872 cm,1.603 cm,1.41 cm;新填路基高5 m时,其值分别为2.239 cm,1.872 cm,1.651 cm.可见,路堤越高变形值越大.

图4 路堤高度分别为3 m,4 m,5 m时路堤顶部沉降图Fig.4 Settlement graph of top subgrade by embankment height were 3 m,4 m,5 m

图5 路堤高度分别为3 m,4 m,5 m时坡脚底部侧向位移图Fig.5 Lateral displacement graph at the base of subgrade by embankment height were 3 m,4 m,5 m

3.4.3 不同新填路基宽度时对沉降的影响

第3组计算方案:路堤宽分别为9,10,11 m,不加筋、加土工格栅、加土工格室9种工况,结果如图6,7所示;随着填土宽度的增加,路堤顶部最大沉降位置向外移动,最大沉降值,差异沉降值和坡底侧向位移值都会增大.当新填路堤宽度分别为9,10,11 m时,不加筋,加土工格栅和加土工格室时路堤顶面的差异沉降分别为:6.152 cm,5.702 cm,5.301 cm;6.909 cm,6.187 cm,5.727 cm;7.449 cm,6.669 cm,6.149 cm;坡脚下侧向位移在不加筋,加土工格栅,加土工格室时分别为:1.696 cm,1.456 cm,1.289 cm;1.872 cm,1.603 cm,1.41 cm;2.036 cm,1.747 cm,1.53 cm.差异沉降随路堤宽度的增大而增加.

图6 新填土路基宽9,10,11 m时路堤顶面沉降图Fig.6 Settlement graph of top subgrade by new filling roadbed width were 9,10,11 m

图7 新填土路基宽9,10,11 m时坡脚底部侧向位移图Fig.7 Lateral displacement graph at the base of subgrade by new filling roadbed width were 9,10,11 m

3.4.4 不同地基强度时加筋对沉降的影响

第4组计算方案:地基强度分别为5,10,15 MPa,不加筋、加土工格栅、加土工格室9种工况,结果如图8,9所示;随着路基强度的减小,路堤顶面沉降和差异沉降都迅速增大,土工材料的作用也在随着地基的变软而增大,但整体差异沉降的趋势在增大.当地基的弹性模量分别为5,10,15 MPa时,最大路基顶面差异沉降分别为12.528 cm,6.909 cm,5.007 cm.加土工格栅后其值分别为:10.492 cm,6.187 cm,4.637 cm,加土工格室后其值分别为9.747 cm,5.727 cm,4.32 cm.坡脚侧向位移在不加筋时分别为3.599 cm,1.872 cm,1.275 cm,加土工格栅后分别为2.867 cm,1.603 cm,1.132 cm,加土工格室后分别为2.526 cm,1.41 cm,1 cm.地基强度对路堤变形非常敏感,仅仅靠土工合成材料减少新旧路基的不均匀沉降发挥的作用不够,这时要寻求更有效的处理方法.

图8 不同地基强度时路堤顶面沉降图Fig.8 Settlement graph of top subgrade by different foundation strength

图9 不同地基强度时路堤坡底部侧向位移图Fig.9 Lateral displacement graph at the base of subgrade by different foundation strength

3.4.5 不同坡度与加筋条件对沉降的影响

第5组计算方案:边坡坡角分别取为30°,45°,60°,不加筋、加土工格栅、加土工格室9种工况,结果如图10,11所示;随着路基坡角的增大路堤顶面沉降和差异沉降都有所减少,但减少的幅度非常小;坡脚下侧向位移逐渐增大.边坡坡角分别取30°,45°,60°时路基顶面的差距沉降分别为6.95 cm,6.909 cm,6.805 cm;加土工格栅后为6.223 cm,6.187 cm,6.088 cm;加土工格室后为5.772 cm,5.727 cm,5.641 cm.坡脚下侧向位移分别为1.599 cm,1.872 cm,2.091 cm;加土工格栅后为1.381 cm,1.603 cm,1.795 cm;加土工格室后为1.258 cm,1.41 cm,1.565 cm.可见坡角的变化对切填路基坡脚下侧向位移的影响比对路基顶面的沉降影响大.

图10 不同边坡坡度时路基顶面沉降图Fig.10 Settleent graph of top subgrade with different slope gradient

图11 不同边坡坡度时路堤坡底侧向位移图Fig.11 Lateral displacement graph at the base of subgrade with different slope gradient

4 各参数敏感性分析

按照式(1)给出的敏感度定义,表3给出了各个参数在变化范围内的敏感度.敏感性分析计算结果表明,在以上参数中,地基强度对路堤顶面沉降的影响最敏感,其次是路堤高度,最不敏感的是坡角变化;地基强度对路基坡底侧向位移影响最敏感,其次是加土工格室,最不敏感的是新填路基宽度.因此在修建切填路基时对地基强度及路基高度要非常重视,加土工格室比加土工格栅的效果明显;加土工织物对路堤侧向位移的影响比对路堤顶面沉降影响明显.

表3 各参数对路堤稳定性的敏感度Tab.3 The parameters sensitivity on the stability of the embankment

5 结 语

1)本文通过对切填路基影响因素的敏感性分析,区分出了影响切填路基变形的主要参数和次要参数.这种分析方法同样可用于其他参数的敏感性分析.

2)计算实例中,通过参数的敏感性分析识别出了地基强度是影响路堤稳定性的主要因素,而坡度变化是影响路基顶面沉降的次要因素,新填路基宽度是影响路基侧向位移的次要因素.这可为加筋切填路基的设计、施工及加固提供具体的指导.

3)无论是限制路堤顶面沉降还是限制路堤侧向位移,加土工格室效果比加土工格栅要好.

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