加筋路堤填筑过程的有限元分析

张红日，肖　侃

(1.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007；2.南宁市交通工程质量监督站，广西 南宁 530001)



加筋路堤填筑过程的有限元分析

张红日1，肖侃2

(1.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007；2.南宁市交通工程质量监督站，广西 南宁 530001)

采用有限元对土工格栅在路基填筑中的施工过程进行数值模拟，对比路基加筋和未加筋两种情况。分析结果表明：土工格栅在路堤填筑过程中能够有效地减小路堤侧向位移，均化路堤沉降，提高路堤稳定性。

土工格栅；路堤填筑；有限元；加筋作用

土工格栅是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格屏栅。土工格栅的应用在我国起步较晚，但是发展较快，八十年代初期在国内开始试验应用，目前在路基处理中应用较多[1-2]。土工格栅是一种新型岩土工程材料，利用土工格栅与土之间的锚固力、嵌锁力和截面摩擦阻力，将结构物与填土连成一体，发挥加强或保护土体的作用[3-10]。本文采用有限元对土工格栅在路基填筑中的施工过程进行数值模拟，对土工格栅在路堤填筑中的加筋效果进行分析，分析结果对类似工程有借鉴意义。

1　路堤填筑的有限元分析

1.1工程概况

某高速公路是广西横向交通线路的重要组成部分，该项目软基较多，但软基力学参数较好，含砂，内摩擦角比普通软基普遍偏大，具备一定的利用价值。采用换填方式进行处理不但开挖工程量巨大，弃土困难，而且较为浪费，工程造价亦较大，因此该高速公路软基采用路基加筋方式进行处理。针对该高速公路路堤加筋分层填筑施工的情况，对其典型路堤填筑断面进行有限元分析。

图1　路堤示意图(单位：m)

1.2计算模型及参数

表1　各层土物理力学参数

表2　土工格栅物理力学参数

有限元分析时，将路堤作为平面应变模型，考虑路堤的对称性，取一半路堤建模分析，从路堤中心取13 m宽度。下卧密砂不考虑变形，地下水位较低不考虑孔隙水压力的产生和消散。

为使有限元分析更贴近施工实际情况，将模型中路堤填筑分为5步，每一步回填高度为1 m。使用接触面单元来模拟土工合成材料，考虑其与上下土层以及砂垫层之间的摩擦，分析得到路堤填筑中的应力应变情况，最后根据应力应变结果分析计算边坡稳定性。

2　计算模拟结果及分析

2.1侧向变形分析

在图1中选取AD断面为代表，计算出软粘土地基在垂直方向上分层填筑过程中的水平位移，分析结果见图2。比较加筋与未加筋，可以明显看出土工格栅约束浅层地基侧向水平位移的作用效果。地基侧向最大水平位移发生在距离地表1～2m处，未加筋时，第一、二、三、四次填筑时最大水平位移分别为18.6 mm、40.5 mm、67.1 mm、96.9 mm，第五次填筑时最大水平位移发生在坡脚处为138.6 mm。加筋后，五次填筑产生的最大水平位移分别为15.5 mm、28.8 mm、40.2 mm、50.6 mm、59.6 mm，水平位移较未加筋分别降低了16.7%、28.9%、40.1%、47.8%、56.9%。土工格栅对于坡脚附近的加筋效果十分明显，能够有效地减少其水平位移。

2.2沉降及沉降差分析

取图1中BC截面作为代表进行有限元分析，垂直方向沉降结果如图4所示。未加筋地表BC截面在五次填筑过程中的最大沉降量分别为70.6 mm、140.1 mm、212.5 mm、286.6 mm、359.7 mm。而加筋后，五次填筑过程中最大沉降量分别为69.1 mm、137.0 mm、203.3 mm、269.7 mm、336.5 mm，最大沉降量较未加筋时分别降低了2.1%、2.2%、4.3%、5.9%、6.4%。对沉降量的减小效果不是很理想，但是对于BC断面各处沉降量平均化有较大的效果。

图2　未加筋路堤和加筋路堤AD断面水平位移

图3　未加筋和加筋路堤BC断面垂直方向沉降量

2.3稳定性分析

通过有限元分析边坡的稳定性，未加筋时安全系数为1.268，而加筋后安全系数为1.575，边坡稳定性得到显著提高。在分析计算中土工合成材料所受拉力并没有参与稳定性计算，土工合成材料仅通过改变边坡内部的应力场，从而影响到边坡的稳定性。由图4可以看出：土工合成材料加筋后，潜在滑移方向指向坡角，说明土工合成材料提供一个拉力从而提高边坡的稳定性。

图4　未加筋和加筋路堤滑动面示意图

2.4土工格栅轴力变化分析

五次填筑中土工合成材料轴力的变化如图5所示，在路堤分层填筑中土工合成材料所受到的最大轴力为176.5 kN，小于土工合成材料的抗拉强度，土工合成材料所受轴力随着填筑高度的增加而增加。

图5　土工合成材料上轴力分布图

3　结论

本文利用有限元方法对路堤填筑中设置土工格栅的效果进行了分析研究，主要结论如下：

(1)土工格栅在路基填筑过程中发挥重要的作用，对路基填筑产生的变形有较好的控制。土工格栅能够有效限制地基侧向位移，均化地基沉降，减小路堤变形。

(2)在路堤填筑中，土工格栅的轴力受到的影响因素较多，研究认为路堤填筑高度为主要影响因素，随着路堤填筑高度的增加，土工格栅材料的轴力增大，在分层填筑施工过程中应控制施工进度，充分利用土工格栅材料抗拉强度，有效降低路堤变形。

(3)通过有限元分析能够得到路堤填筑过程中，潜在滑动面的位置，优化设计，有利于土工格栅材料加筋作用的发挥。

[1]杨书霞.浅谈土工格栅在路基路面工程中的应用[J].公路交通科技:应用技术版,2015(3):30-33.

[5]孙福斌.土工合成材料在路基工程上的应用[J].中国公路,2003(16):64-64.

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[6]周志刚,郑健龙,李强.土工加筋材料处治填挖交界路基非均匀沉降设计方法研究[J].中国公路学报,2003,16(1):27-31.

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[8]杨晓军,孙亚琦.路堤软基土工合成材料加筋的机理研究[J].公路,2004(5):10-13.

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Finite element analysis of filling process of reinforced embankment

ZHANG Hong-ri1，XIAO Kan2

(1.GuangxiTransportationResearchInstitute,Nanning530007,China;2.TrafficEngineeringQualitySupervisionStationofNanning,Nanning530001,China)

By using the finite element method to simulate the filling process,and comparing the unreinforced road embankment with reinforced one,it shows that the geogrid can effectively reduce the lateral displacement of the embankment and the settlement of the embankment,and improve the stability of the embankment.

geogrid;embankment filling;FEM;reinforcement effect

2016-05-01

国家自然科学基金(51178063,51578082)；广西科学研究与技术开发计划 (2015AC09017)；广西交通科学研究院科技项目(KJ2014-014)

张红日(1983—)，男，广西柳州人，博士研究生，工程师。

1674-7046(2016)05-0012-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.003

U416.1

A