加筋垫层路堤有限元分析

周 娟

(同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

加筋垫层路堤有限元分析

周 娟

(同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

结合工程实例，采用有限元软件Plaxis，分析了土工格栅加筋和未加筋时的稳定性和变形情况，计算结果表明，在路堤底部设置土工合成材料加筋垫层可以减小路基的沉降、不均匀沉降及侧向位移，提高路堤的整体稳定性。

公路，加筋垫层，路堤，有限元分析

在软土地区修建公路，通常会存在整体稳定性不良以及后期沉降变形较大等一系列实际问题。土工合成材料加筋垫层路堤具有较好的稳定性和较强的变形适应能力，在路堤底部铺设加筋垫层可以减小路堤的沉降和不均匀沉降，提高整体稳定性。土工格栅具有高强度、低延伸率、高稳定性等优点，在公路工程中的应用越来越多[1-3]。随着计算机技术的发展和大型通用有限元软件的完善，有限元法逐渐被应用到加筋路堤的稳定性分析中[4-6]。本文针对一源于实际工程的加筋垫层路堤，采用有限元方法对土工格栅加筋垫层的效果进行分析，得到了加筋前后路基的水平位移、沉降及稳定性等的变化规律。

1 工程概况

云南楚雄—南华一级公路5标高填方软土路基试验段属于山地斜坡洼地地形地貌。根据钻孔揭示，浅层发育有软～可塑状粘土、有机质土、粉质粘土，下部为残坡积硬塑状粉质粘土，下伏基岩为侏罗系妥甸组粉砂质泥岩，岩体破碎，岩质较软。

该处软土属于山间洼地冲洪积—湖积类型，含水量高、液限高，孔隙比和压缩性大。地表水较丰富，地下水位较高，高填方路基易于发生沉降变形破坏；而且浅层土的塑性随季节变化大，饱水条件下强度有所降低。山区雨季时，雨水在地表汇集，若地基处理不当或排水不畅，雨水浸入地基，软土性质变差，路基将会发生较大不均匀沉降。基于山区复杂的工程地质条件，试验段覆盖层较厚且路堤填筑高度较大，路基右侧较高，只采用加筋垫层加固不能满足沉降和稳定性要求，因而在铺设加筋垫层之前，需要对软土路基进行深层处理[7]。该试验段最终采用的处置方案为加筋垫层+加筋碎石桩，即软土地基采用土工织物包裹式碎石桩，路堤底部设置两层土工格栅构成加筋碎石垫层。

2 有限元模型的建立

选择试验段的典型路基断面，路面宽32 m，路堤填筑高度9.4 m，具体几何参数如图1所示。由于原地表略有倾斜，路堤左侧的压缩层厚度小于右侧，左侧的填方厚度则大于右侧，所研究的断面非对称，取全结构模型。各类岩土材料的计算参数列于表1。地基土从上到下各层的厚度分别为1.2 m，0.7 m，6.0 m，1.3 m，5.1 m。土工格栅采用通长布置，离地高度400 mm，土工格栅间距为300 mm，顶层土工格栅表面铺设300 mm厚的砂砾，土工格栅抗拉刚度取5 000 kN/m。加筋碎石桩的桩径为0.5 m，桩间距1.6 m，梅花形布置，桩长由基岩埋深确定，桩端进入基岩长度不小于0.5 m，桩体压缩模量取40 MPa。地下水位于地表下0.5 m深度处。采用15节点三角形单元进行网格划分，网格的全局疏密度设置为细。计算模型采用Plaxis有限元软件中提供的标准固定边界条件，地基左右边界以及基岩层底部采用不透水边界。有限元计算步骤参考现场实际施工进度，具体步骤为：1)施工加筋碎石桩，历时5 d；2)铺设土工格栅加筋垫层，将路堤填筑至5 m，历时30 d；3)施工间歇180 d；4)填筑路堤到9.4 m，历时30 d；5)预压固结90 d；6)工后固结期，直至孔压低于1 kPa；7)稳定性计算。为了对比，本文也对天然地基、仅采用加筋垫层、仅进行地基处理三种工况进行了模拟分析。根据具体工况，对上述有限元模拟步骤进行调整。

表1 土层材料参数

材料名称重度/kN·m-3E/kPaυC/kPaφ/(°)路堤20200000.21534垫层20180000.21239粘土1851400.33288有机质土1630000.35206粉质粘土11864600.304211粉质粘土21967000.273411泥岩20110000.254113

3 有限元计算结果及分析

3.1 水平位移

图2为不同工况下路堤左侧坡脚下的水平位移。从图中可以看出，未进行地基处理时的水平位移最大，只设置加筋垫层时路基水平位移有所减小，加筋垫层+复合地基处理时的水平位移小于复合地基的水平位移，尤其是浅层软土地基的水平位移有明显的减小。说明在软基上填筑高路堤，地基加固对约束地基变形至关重要，设置加筋垫层也对地基的侧向位移有限制作用。这里加筋的作用体现在加筋垫层中筋材与土产生摩擦作用，筋材提供了水平抗拉作用，使土工格栅上下两侧的土颗粒受到约束，能够限制土体的侧向变形。

3.2 沉降

各工况下，地基表面的沉降变形曲线如图3所示。从图中可以看出，采用加筋碎石桩处置软基后地基沉降值远小于地基未处理的地基沉降值，加筋碎石桩对地基的加固作用明显。加筋垫层+复合地基的沉降小于复合地基的沉降，单独采用加筋垫层处理后的沉降也明显小于天然地基时的沉降。表明加筋垫层能够减小总沉降，均化不均匀沉降。加筋垫层改善地基变形的原因，应该归结为土工格栅加筋垫层的整体性和刚度使应力扩散作用增大，使传递到垫层下的竖向应力减小，地基表面土压力分布趋于均匀，导致地基沉降减小。这种作用可以提高地基承载力，有利于减小地基土的剪切变形，从而减小路堤中部的最大沉降量，使差异沉降减小。筋土界面摩擦力使水平位移减小，也间接地减小了地基竖向变形。

3.3 土工格栅轴向拉力

图4为仅利用加筋垫层处理及加筋垫层+加筋碎石桩联合处理软基时底层土工格栅的轴向拉力。

由图4可知，加筋垫层与复合地基联合使用时，土工格栅的拉力值呈锯齿形变化，桩顶处的土工格栅拉力大于桩间土处的土工格栅拉力，在整个路堤断面上筋材受力相对均匀，加筋作用得到充分发挥。土工格栅在靠近路堤中部范围内的轴力比较大，而在靠近路堤坡脚处的轴力逐渐减小至0，即土工格栅在路堤中部发挥的作用比较大，在坡脚处发挥的作用较小。土工格栅是通过与土体之间的摩擦来发挥作用的，这种摩擦作用的大小取决于作用点正应力的高低，填方高度大的路堤中部正应力明显大于两侧，能够提供的摩阻力越大。

3.4 稳定安全系数

不同加固措施下的稳定安全系数的发展见表2。天然地基、加筋垫层、复合地基及加筋垫层+复合地基分别用编号①～④代替。

表2 各工况下的稳定安全系数

从表2可以看出，不同加固形式下的稳定安全系数有相同的变化趋势，都随路堤填筑高度的增加而减小。在路堤填筑完成之后，随着路基固结，稳定安全系数有所增大。加筋垫层加固与天然地基上填筑路堤时相比，安全系数有大幅度的提高。加筋垫层联合加筋碎石桩复合地基处治软基时路堤稳定安全系数也明显大于仅使用加筋碎石桩复合地基处理时的安全系数。土工合成材料加筋垫层对提高路堤稳定性有重要作用。

4 结语

运用有限元法对比分析了不同加固措施对地基和路堤稳定性和变形的影响，得出以下结论：

1)采用加筋垫层，筋材与土产生摩擦作用，使土工格栅上下两侧的土颗粒受到约束，能够限制土体的侧向变形，特别是对浅层软土地基的水平位移有明显约束作用。

2)加筋土垫层的应力扩散作用使传递到垫层下的竖向应力减小，使地基表面土压力分布趋于均匀，有利于减小地基土的剪切变形；筋土之间的摩擦力使水平位移减小，间接地减小了地基竖向变形，从而减小路堤中部的最大沉降量，使差异沉降减小。

3)在路堤底部铺设加筋垫层对于改善路堤及地基变形特性和提高软弱地基的承载力方面均起了积极的作用。由于加筋约束了地基的侧向位移，有利于降低路堤的沉降和不均匀沉降，有效地提高了地基的承载力，有利于道路的安全使用。

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Abstract： Combining with engineering example, finite element software Plaxis was used to analyse the stability and deformation of embankment when it reinforced or non-reinforced with geogrid. The results show that setting basal reinforcement at the bottom of the embankment could reduce the total and differential settlement, lateral displacement, and improve the overall stability of embankment.

Key words: highway, basal reinforcement, embankment, finite element analysis

Finite element analysis of basal reinforced embankments

Zhou Juan

(KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

2016-03-18

周 娟(1989- )，女，在读硕士

1009-6825(2016)15-0138-02

U416.12

A