土工格栅加筋高液限土路堤的稳定性研究

陈兴专,洪宝宁,刘 鑫

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2.河海大学岩土工程科学研究所,江苏 南京 210098;3.河海大学隧道与城市轨道工程研究所,江苏 南京 210098)

广东省西南山区分布着大量的高液限土,高液限土具有弱膨胀性、裂隙性和崩解性等特殊的工程性质,一经扰动很容易破坏其原状结构而造成地基强度急剧下降,对线路建设危害较大,故对高液限土路堤需进行加固处理。

考虑到当地复杂的地质与气候条件,一般的加固方法不仅建设费用高,而且施工效率低,工期长。用土工格栅加筋垫层来加固山区高液限土地基,是一种合理、科学而且经济的工程措施。前人对土工格栅加筋在工程中的应用进行了深入研究,王虎妹等研究了土工格栅加筋粉煤灰路堤,提出了合理的加筋方案[1];张志清对高填方黄土路堤的加筋设计方案进行了扩展研究,认为对黄土路堤加筋,能有效提高其整体稳定性,减少或避免湿陷性沉降[2];王仕传等从地基中动偏应力分布的角度,揭示了土工格栅加筋对于减小交通荷载引起的软土地基累积塑性变形的意义和机理[3];杨林华通过具体的模型试验对土工格栅加筋路堤边坡的变形进行了研究,认为加筋能提高土体整体性,使应力应变在边坡土体内分布更均匀[4];顾长存等采用通用非线性有限元ABAQUS程序分析了加筋前后路堤的竖向位移和侧向位移,认为土工格栅加筋能有效地降低软土路堤的竖向位移和水平位移[5]。目前,土工格栅加筋高液限土路堤的研究较少,本文在已有成果的基础上,针对高液限土特殊的工程性质,运用Plaxis软件就格栅加筋高液限土的效果进行了数值分析,同时,重点探讨了加筋位置、加筋间距、筋材刚度等对加筋高液限土路堤稳定性的影响,并依据探讨的结果采用优化的加筋设计进行现场试验,论证其可行性。

1 工程概况

广东某高速公路全长132.5 km,最大填土高度24 m,地形地貌主要为低缓丘陵区夹山间洼地,山间洼地为第四系松散沉积层,一般分布有带状、点状的软弱地基土。低缓丘陵覆盖层主要为坡残积粉质粘土,岩基为红色、紫红色的砂砾岩、砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩,工程性质一般。软土层厚度多在10 m左右,主要是粉质粘土、淤泥质粉质粘土、全风化或强风化的砾岩和泥质粉砂岩。此外还分布着大量的高液限土,高液限土具有弱膨胀性、裂隙性和崩解性等特殊的工程性质,不能用来直接填筑,需采用加筋或掺砂改良的施工工艺。该工程段土层力学参数如表1。

表1 土层力学参数

2 Plaxis数值模拟

Plaxis程序是荷兰开发的岩土工程有限元软件,能够模拟复杂的工程地质条件,尤其适合于变形和稳定分析[6-9]。Plaxis程序能够计算2类工程问题,即平面应变问题和轴对称问题。

2.1 模型建立

计算模型基底宽度取42 m,地基深度取值3 m,填土高度取值12 m,路基边坡坡比值1∶1.5,路基顶宽取(半幅)12 m。考虑便于施工的因素,土工格栅沿横向通长布设,竖向间距2 m,6 m～8 m高的路堤可布置1道土工格栅,8 m以上,按间距2.0 m控制布设土工格栅。仅考虑土体自身重量影响。土体间上、下卧层及褥垫层刚度小,在受荷过程中,会发生塑性变形,因此采用摩尔-库仑弹塑性模型。模型如图1。

图1 基于Plaxis的加筋路堤模型

计算采用的路堤土与地基土参数如表2所示,土工格栅参数如表3所示。

表2 路堤土与地基土参数

表3 土工格栅参数

2.2 结果及分析

通过改变高液限土路堤的填筑高度:8 m,10 m,12 m,14 m,得到不同高度下路基表面中心点的竖向位移(如图2),不同高度下路基表面边坡点的侧向水平位移(如图3),不同高度下安全系数FS如图4。

图2 加筋对竖向位移的影响

图3 加筋对侧向位移的影响

由图2可知,路堤加筋以后,路堤中心点的竖向位移较未加筋时有明显降低,降低了大约11%～13%,说明加筋垫层能明显的降低路基的沉降,均化路堤荷载对地基的作用,减少地基层附加应力的分布,改善路堤下土层变形和受力情况。

由图3可知,路堤加筋以后,路堤表面边坡点的侧向位移较未加筋时明显降低,降低了大约46%～51%,说明加筋垫层能有效促进土体的应力重新分布,加强筋土两者的共同作用,提高路堤的稳定性。

图4 加筋对安全系数的影响

由图4可知,路堤加筋后,不同填筑高度下的安全系数大约提高了31%～43%,说明格栅加筋能有效提高路堤的安全系数,提高整体稳定性。

总之,加筋垫层的加入,改善了路堤土层的变形和受力性状,无论对于竖向位移还是侧向位移都有十分显著的抑制作用,提高路堤的安全系数,大大增强了路堤的稳定性。但是相对竖向位移而言,加筋对侧向位移的抑制作用更为明显,这和土工格栅具有很强的抗拉强度而抗弯刚度较弱有关。

3 加筋高液限路堤安全系数的影响因素

判断路堤是否稳定的标准就是其安全系数是否能满足规范要求,因此我们以上述计算模型为基准,分别变换不同的影响因素(筋土界面作用、加筋位置、加筋间距、筋材刚度等),建立不同的有限元模型,再进行计算分析,找出不同因素对安全系数的影响规律,从而得出各个因素对路堤稳定性的影响规律。

3.1 筋土界面作用对安全系数的影响

取4种不同的高液限土,土体1:c=20 kPa,φ=12°;土体 2:c=25 kPa,φ=16°;土体 3:c=30 kPa,φ=20°;土体 4:c=35 kPa,φ=24°,按间距2.0 m 控制布设土工格栅,计算它们在不同填筑高度下的安全系数,如图5。

由图5可知,土质越好的土体,其加筋安全系数也越高,说明在不同的填料性质下,土工格栅和土之间的相互作用不同,在Plaxis软件中,采用界面单元模拟两者之间的作用,并用折减系数Rinter反映两者作用的程度,Rinter越大,相互作用越大,土体越好,故土体1到土体4的 Rinter分别取值为0.2、0.4 、0.6 、0.8 。

图5 不同土体加筋安全系数

3.2 加筋间距对安全系数的影响

以土体1为例,分别按2 m、1 m、0.5 m间距布设土工格栅,计算它们在不同填筑高度下的安全系数,如图6。

图6 不同加筋间距安全系数

由图6可见,这三条折线随土工格栅间距的加密稍有提高,说明图示加筋间距范围内,安全系数变化不大,过小的加筋间距对有效提高路堤稳定性作用有限,所以在工程中要控制合理的加筋间距,避免不必要的浪费。

3.3 加筋位置对安全系数的影响

以土体1为例,分别在路堤底部、上部和中部从下往上按间距2.0 m控制布设土工格栅,布设三层,计算它们在不同填筑高度下的安全系数,如图7。

图7 不同部位加筋安全系数

由图7可见,加筋位置的不同将影响加筋的效果,相对于未加筋的情况,土工格栅铺设于路堤底部、中部、上部时,路堤的稳定性分别提高了39.13%、18.11%、9.16%。说明铺设土工格栅时,应铺设于底部,具体高度根据路堤的填筑高度而定。

3.4 筋材刚度对安全系数的影响

以土体1为例,按间距2.0 m控制布设土工格栅,加筋刚度分别为106kN/m、105kN/m、104kN/m、103kN/m,计算在不同高度下安全系数,如图8。

图8 不同刚度筋材对安全系数的影响

由图8可见,筋材刚度的不同将影响加筋的效果,相对未加筋的情况,加筋刚度分别为106kN/m、105kN/m、104kN/m、103kN/m时路堤的稳定性分别提高了68.21%、56.32%、39.46%、23.16%。说明铺设土工格栅时,应尽可能选择刚度较好的筋材。

3.5 包边(盖)的处理对安全系数的影响

高液限土路基的稳定性分析,安全系数的取值可参照《公路路基设计规范》[10](JTGD30-2004)软土地基的处治设计内容,当计算的稳定安全系数小于规范中表7.6.4-1规定时,如表4所示,应针对稳定性进行处理。按照此规范,高液限土体1即使采用土工格栅加筋也不能完全满足规范的安全系数要求,所以对高液限土而言,为了提高其水稳定性,填筑时应进行包边(盖)处理。

表4 稳定安全系数

高液限土的包边(盖)处理是指用低液限的符合填筑要求的土对高液限土进行包围填筑,以解决高液限土干缩湿胀的工程性质。

高液限土的包边(盖)处理要满足两个条件,一方面是路面不均匀沉降的要求;二是防止雨水渗透和水分蒸发、以及干湿循环的影响深度要求的包边(盖)厚度。包边(盖)处理应选用土质较好的粘性土,具体要求如下:①包边的水平宽度要符合沉降和防水分渗透和蒸发的要求,一般要2.5 m～3 m;②封层土厚度的控制主要表现为上部封顶土的厚度和垫层封底土的厚度。垫层封底土的厚度应根据底基层的承载要求和毛细水上升高度的实验结果确定,一般取0.5 m。上层封顶土的厚度应依据上路床的承载和弯沉要求确定,一般取1.5 m～3.0 m。

以土体1为例,按间距2.0 m控制布设土工格栅,进行包边(盖)处理,封顶土厚2 m,垫层土厚0.5 m,包边土水平宽度2.5 m,计算不同填筑高度下的安全系数,如图9。

图9 不同处理措施对安全系数的影响

由图9可知,经过包盖边处理后的路堤安全系数较之前加筋处理提高了21%左右,说明包盖边处理能明显提高路堤的稳定性,在工程施工中,遇到土质不好的土时,例如高液限土,要按照相关规范要求进行路堤的包边(盖)处理,提高路堤的水稳定性,增强路堤的整体稳定性。

4 优化加筋高液限土路堤在云罗高速公路中的试验验证

广东某高速公路沿线分布着大量高液限土,取某路段进行现场试验,该路段最大填筑高度16 m,分别在该路段取相近的不同试验段:段1、段2和段3,段1未作任何加筋处理,布设观测点a1和a2;段2半边布设土工格栅,b1观测点不布土工格栅,b2观测点布土工格栅;段3布设土工格栅,取观测点c1和c2。根据第3节论述,土工格栅加筋采用优化设计:高密度聚乙烯单向土工格栅(HDPE),型号为GE170R,轴向EA=105kN/m,底部三层布设,间距为2 m,宽度24 m,铺设不允许有褶皱,应用人工拉紧,必要时可采用插钉等措施固定于填土层表面。监测期间观测频率如表5。

整理观测数据,得到土工格栅对高液限土路堤累计沉降的影响,见表6。土工格栅对高液限土路堤累积深层水平位移的影响,见图10。

表5 观测频率

表6 土工格栅对高液限土路堤累计沉降的影响

图10 土工格栅对路堤累计深层水平位移的影响

通过表6可知,土工格栅处理后的路堤累计平均沉降为23.5mm,未加筋处理的路堤累计平均沉降量为68.6mm,说明高液限土路堤经过加筋处理后,路堤沉降明显降低。由图10可知,土工格栅处理后的路堤最大水平位移为7.1mm,未加筋处理路堤的最大水平位移为37.5mm,说明高液限土加筋处理后水平位移明显降低,且水平位移降低比沉降降低的效果更明显,原因是土工格栅具有较强的抗拉刚度而抗弯刚度较弱。总之,采用优化的加筋处理能显著降低路堤的表面沉降和深层水平位移,提高路基的稳定性,现场观测也论证了这一点:未加筋测点附近,尤其是测点a2附近,路堤出现了明显的沉降和裂缝,而加筋处理处的测点这样的现象均不明显,只是测点b2处表面出现了断断续续的缝隙,并且没有发展为连贯的裂缝,也没有相关的迹象。

5 结 论

(1)筋土界面相互作用对路堤稳定性影响明显,因此在工程应用中建议选取能和土工格栅紧密结合的填料并提高其压实度。

(2)2 m、1 m、0.5 m加筋间距不能明显提高高液限土路堤的稳定性,说明单纯提高加筋间距在工程应用中效果不明显。

(3)加筋的位置对路堤稳定性有很大的影响,加在路堤中部和上部的格栅,对路堤的稳定性并没有很明显的改善作用。因此,建议将加筋位置选择在尽量靠近堤底的位置,以更好地发挥加筋作用。

(4)筋材刚度越大,加筋稳定性效果就越明显,建议工程中尽量选用抗拉强度高、延伸率低的格栅材料。

(5)工程应用中选用高液限土填筑时,不仅要进行加筋处理,还需按照相关要求进行包盖边处理,以达到规范的稳定性要求。

(6)现场试验验证:采用优化的加筋处理能显著降低路堤的表面沉降和深层水平位移,且水平位移比表面沉降降低的效果更明显。

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