山区超高加筋土路基力学行为的有限元分析

任非凡，徐 超，许 强，王 冠

(1.同济大学 a.岩土及地下工程教育部重点实验室;b.地下建筑与工程系，上海 200092;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059;3.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

1 研究背景

在山岭地区修建高速公路时，由于选线的限制，为满足高速公路的等级需保证线路一定的起伏度和弯曲度，特别在通过一些长度较短的高边坡时，最常采用的是填方的高路堤方案，这种方案通过长度较短的高边坡是比较经济和适宜环境的合理措施。然而，采用普通土的填方高路堤方案时，需要大量的填土和占地，还可能存在环境问题。随着加筋土技术的成熟，越来越多的加筋土路基被建设单位所采用［1－6］。但目前对加筋土路基力学行为的研究大多局限在一定的高度内，且以软土地区加筋土路基居多［7－12］，对山区超高加筋土路基力学行为的研究并不多见。鉴于此，本文拟以湖北省十房(十堰至房县高速公路，简称十房)高速公路为例，采用弹塑性有限元程序对岩质地区超高加筋土路基的典型断面进行模拟分析，以了解现设计方案可能存在的隐患，以及加筋土路基将会发生的变形特征、应力分布特征和加筋受力情形，为确定超高加筋土路基设计方案提供参考。

2 工程概况

十房高速公路位于鄂西北十堰市东南部，起于武汉至十堰高速公路丹江口市六里坪镇，沿G209向南延伸，止于房县城关镇。属秦巴山东部武当元古界变质岩区域，相对高差约950m，山高谷深，坡体陡峻，岩性多变，地形地质极为复杂。

由于填筑的路基中段跨越一冲沟，冲沟与路线呈大角度相交，因此填筑后的路基呈现出中间路堤高，两端路堤低，甚至需要局部浅挖的挖方路基，路堤填筑高度不同断面变化很大。根据湖北省交通工程规划设计院提供的加筋路堤初步设计方案，即湖北省十堰至房县设计图，加筋路堤依地势不同、填筑高度的差异，采用不同坡率的加筋土边坡或加筋土挡墙路基方案。由于路基填筑高度大，且原始边坡较陡，为满足加筋土路基的整体稳定性，设计方案中，在加筋路基底部需开挖至稳定岩层，然后设置一定厚度的砌石混凝土平台作为加筋土路基的基础。另外，根据公路路基设计规范，按Bishop圆弧法和不平衡推力法进行验算，未加筋路基断面大部分不满足稳定性要求，经加筋加固后方可满足规范要求的边坡稳定安全系数。

3 数值模型

由于岩土工程问题的非均质、非连续、非线性以及复杂的加卸载条件和边界条件，使得岩土工程问题通常无法使用解析方法进行求解。数值分析方法则能够模拟岩土工程的复杂力学特性和结构特性，随着经验的不断积累，数值模拟已成为研究和认识岩土工程问题的有效工具之一。本文拟采用ABAQUS有限元程序对超高加筋土路基的力学行为进行数值分析。

3.1 剖面的选择

针对十房高速公路的超高加筋土路基，本次选择GK0+379断面作为分析研究对象。该断面路基填筑高度达26.2m，坡率为1∶0.25。受该处地形地势限制及加筋土挡墙整体稳定性需要，路基下部采用混凝土圬工挡土墙进行修筑，墙高15.2m，墙后采用砂土进行回填并夯实，之后进行加筋土挡墙的修筑。所选择的断面基本代表本段填方路基最复杂和最危险的断面。

在利用ABAQUS建立加筋土挡墙二维数值模型时，为避免边界效应，模型长40m，高35.4m。在模拟区域左右两侧设置水平位移0边界，下部设置垂直位移0边界。

在模拟范围内，主要采用四边形网格对模拟介质(岩土层)进行划分，并对加筋体的网格进行了加密，考虑岩质地基刚度较大及墙后土压力较小，采用tie命令将加筋体置于填土中［13］。图1给出了加筋土路基GK0+379断面的网格划分图。

图1 GK0+379断面网格模型图Fig.1 Model of the section GK0+379

3.2 材料本构关系与参数选取

在采用数值模型模拟岩土介质和挡土结构时，模拟对象的本构关系和模型参数对模拟结果起着决定性的作用。本文对模拟对象区分为岩体(即中风化及以下岩体)、回填土、混凝土挡墙和加筋体，考虑到岩体的承载力较大且刚度很高，采用弹性材料进行模拟，其他材料均采用弹塑性本构关系，但材料参数差别很大。各种材料介质的模型参数见表1。模型对加筋体采用弹性杆件truss单元模拟，弹性模量取2.0×1010Pa，屈服强度为25 000～35 000 N/m。

表1 数值模拟各介质的模型参数表Table 1 Model parameters of numerical mediums

3.3 模拟步骤

为真实反应加筋土挡墙的受力变形规律，本次模拟步骤严格按照施工顺序进行，即:① 岩石地应力平衡;②岩体开挖并修筑混凝土挡墙;③ 墙后填土并压实;④修筑加筋土挡墙。

4 结果与分析

图2为GK0+379断面处加筋土路基的水平位移和垂直位移分布图。从图2(a)可以看出，相对于岩石边坡，填方区域产生了较大的水平位移，最大值为1.640cm。从图2(b)可以看出，填方区域产生一定的沉降，最大值为3.616cm，发生在填方路基上部未加筋区域。从这一计算结果分析，可以认为此加筋土挡墙的变形整体上不大，说明通过控制填方施工质量，可以把加筋土边坡的变形控制在合理的范围内。

图2 加筋土路基水平位移和垂直位移分布图Fig.2 Horizontal and vertical displacements of the reinforced embankment

图3(a)给出了GK0+379断面处加筋土路基局部细观水平土压力分布图。由图可知，在混凝土圬工挡墙与墙后填土底部接触处，产生了一定程度的拉应力集中，最大值达到约171kPa，说明混凝土圬工挡墙墙踵处在后部填土及上部加筋土挡墙的作用下承受较大的水平推力。而在混凝土圬工挡墙墙趾处出现一定的压应力集中，最大值为256kPa。由此可见混凝土圬工挡墙受力模式类似悬臂梁受力。

图3(b)给出了GK0+379断面处加筋土路基局部细观垂直土压力分布图。由图可知，路基内竖向土压力分布正常，基本取决于自重应力，混凝土圬工挡墙墙趾处竖向应力最大，约为645kPa。另外，图3(c)给出了该断面处加筋土路基局部细观剪切土压力分布图。由图可知，最大剪应力出现在混凝土圬工挡墙的墙趾处，约为246kPa。因此，考虑混凝土圬工挡墙基础下承受的合力，则要求在进行基础施工前，应开挖掉表层坡积层和填土，将混凝土圬工挡墙基础置于牢固的基岩地基上;同时要求挡墙基础施工保证质量，使得基础有足够的强度，承受来自上部加筋土路基传递的荷载。

图3 加筋土路基局部细观土压力分布图Fig.3 Local mesoscopic soil pressures of the reinforced embankment

图4 不同加筋层轴力分布图Fig.4 Axial force distribution of different reinforced layers

图4给出了加筋土路基内从下到上即第1层到第21层加筋体的轴力分布图。从图中可知，上部7层土工格栅受力很小，中间7层仅墙面至4m段受到一定程度的拉应力，底部7层受力较大，最大拉应力值出现在第3层端部，为53.8MPa，合19.6 kN/m。从图4(c)可见，底部5层格栅受下部混凝土圬工挡墙和墙后填土不同刚度影响，产生一定的不均匀沉降，表现为中/后端受压力作用，最大值为40.2MPa，合14.7 kN/m。考虑设计中采用单向土工格栅HDPE90作为加筋材料，其极限强度为90 kN/m，使用3～4的折减系数，则土工格栅抗拉强度的设计值为22.5～30 kN/m。因此，可以认为，对于GK0+379断面加筋土路基，加筋材料的抗拉强度满足要求。

图5(a)、(b)分别为加筋土路基内不同高程处加筋体的水平位移和垂直位移分布等值线图。从图5(a)可见，最大水平位移值出现在路基中部(第11层端部)，为1.567cm;最小值位于底部第1层，为0.093mm。由图5(b)可见，自上而下加筋体的垂直位移逐渐减小，顶部格栅(第21层)的沉降量最大，为3.592cm，而且相对均匀;底部格栅(第1层)的沉降量最小，为0.107mm。因此，可以认为不同高程中的沉降差主要由填土压缩所致。分析结果表明，加筋土挡墙的水平位移与竖向位移不大，边坡整体上稳定。

图5 不同加筋层的水平位移和垂直位移分布图Fig.5 Horizontal and vertical displacement distribution of different reinforced layers

5 结论与建议

从对本次的数值模拟结果可以得出如下结论:

(1)十房高速公路采用加筋土路基，只要保证填土质量和加筋材料的正常铺设，其墙体变形(沉降和侧向位移)可控制在10cm以内，能够满足路基工后变形的要求。

(2)加筋体内及加筋体后填土内侧向土压力不大，垂直土压力主要为填土自重应力。

(3)加筋土路基底部混凝土圬工挡墙承受较大的侧向压力，基础底部地基上承受的压力较大。

(4)加筋体所受最大拉力出现在路基底部，墙面最大水平位移出现在路基中部。

就以上基于数值模拟结构的相关结论，对土工格栅加筋土路基设计方案提出如下建议:

(1)土工格栅加筋土路基下所设置的混凝土圬工挡墙施工时，应进行开挖验槽，基础平台应放置在基岩之上，且应有一定的埋置深度。

(2)底部格栅后端承受一定的压应力，可通过对混凝土圬工挡墙后的填土进行压实控制。

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