土工格室柔性搭板处治桥头跳车影响因素分析

王维国

(湘潭大学 土木工程与力学学院, 湖南 湘潭, 411105)

土工格室柔性搭板处治桥头跳车影响因素分析

王维国

(湘潭大学 土木工程与力学学院, 湖南 湘潭, 411105)

运用有限元软件ABAQUS研究了加筋前后路堤顶部竖向位移和坡脚下地基的水平位移, 分析了土工格室模量、填料参数、柔性搭板布置间距、布置层数和路堤高度等因素对路堤位移的影响。结果显示: 土工格室柔性搭板体系能够有效减少路桥过渡段不均匀沉降, 且当增大土工格室的弹性模量或增加布置层数时, 将显著改善处治桥头跳车的效果。

柔性搭板; 桥头跳车; 数值分析; 差异沉降; ABAQUS

在软土地基上修建道路往往出现因大变形所带来的病害, 地基的差异沉降是导致这种病害的主要原因。特别是在路桥过渡段容易造成桥头跳车现象, 严重影响高等级公路的使用。诸多工程实践表明,在路堤中进行加筋处理, 能够很好地改善路堤性能, 提高其稳定性。目前, 国内外学者对路堤加筋进行了系列研究。羊晔等[1]通过室内小比例模型实验, 得到土工格栅加筋结构可有效控制高速公路过渡段的不均匀沉降。王广月等[2]采用极限平衡法对降雨条件下土工格室柔性护坡进行稳定性分析, 计算结果表明格室防护体系的稳定性随格室土体含水率、铆钉间距、格室坡长和边坡角度的增大而减小, 且影响显著。谢永利等[3]通过现场测试, 并结合有限元分析, 对土工格室处治路基不均匀沉降的作用机理进行了研究。杨晓华等[4–5]运用有限元软件对土工格室加固浅层饱和黄土地基及铁路软弱基床进行数值分析,并结合实际工程案例得到土工格室可有效约束软弱地基的侧向位移和扩散应力, 达到加固地基的目的。苏永华[6]、马国栋[7]、刘柱[8]等利用实际工程建立有限元模型, 并分析其加固机理, 比较不同加筋种类对路堤稳定性的影响, 指出土工格室作用效果比土工格栅要更显著。张宏光[9]、俞永华[10]等分别对土工格室柔性搭板进行模型实验和数值仿真, 得出柔性搭板体系较单纯的土工格室加筋能更好地消除桥头跳车。土工格室柔性搭板做为一种新兴台后填土的处治方法, 弄清楚它处治跳车的作用性状和机理, 对其优化设计有着重大的意义。随着国内外有限元软件的成熟和材料本构模型的发展, 三维数值仿真技术可以更为直观地对不同工况及边界条件做出较为合理地分析。本文将应用大型有限元ABAQUS分析土工格室模量、填料参数、柔性搭板布置间距、布置层数和路堤高度等对路堤加筋效果的影响进行分析。

1 模型与参数

1.1 模型

参考实际工程, 考虑路堤沿左右对称, 取半幅路堤作为计算模型。路堤顶宽14 m, 路堤填土高度6 m, 边坡坡率1∶1.5, 计算长度取30 m。路堤以下是软土地基, 深度15 m, 计算宽度取43 m, 计算长度仍为30 m, 台背共布设土工格室4层, 按楔形等间距布置, 顶层为双层结构, 层高均为20 cm。计算模型如图1所示。

图1 计算模型(单位: cm)

1.2 材料参数

路堤填土和地基土均采用ABAQUS所提供的摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)模型模拟, 并依据理想塑性摩尔-库伦屈服准则与非相关流动法则。路堤填料参数为: 弹性模量25 MPa, 泊松比0.3, 重度20 kN·m-3, 黏聚力C = 30 kPa, 内摩擦角φ = 30°。地基为软黏土, 其计算参数为: 弹性模量10 MPa, 泊松比0.35, 重度17 kN·m-3, 黏聚力C = 15 kPa, 内摩擦角φ = 10°。土工格室结构层采用线弹性模型, 弹性模量取路堤填料的2倍, 50 MPa, 泊松比取0.15, 重度为20 kN·m-3。

1.3 边界条件与荷载

对重力式桥台来说, 在实际施工中, 是将土工格室锚固于桥台之上, 并做回填处理。因此, 在有限元分析中,土工格室与桥台接触, 并限制其连接端x, y, z方向的位移均为0。模型中各部分具体边界条件见表1。各结构层的自重荷载按所给出的材料重度予以施加, 同时将路面荷载和汽车荷载等效为均布荷载, 取值为50 kPa。

表1 边界条件

2 土工格室作用性状

土工格室柔性搭板是由多层土工格室复合体一端锚固于桥台上, 另一端伸入路堤一定长度, 且各层土工格室的分布长度由路堤面到路堤底部呈一定梯度, 形成的一种楔型柔性加筋体系。

2.1 加筋路堤竖向位移

式中：Rs为整个系统的可靠度；Rh为人的可靠度；Rm为设备可靠度。其中Rh由各个工位上工人所装配零部件的准确度决定的。发动机由上百个零部件组成。在流水线上装配时，主体部分固定在流水线上，随流水线的移动而移动；各种零部件分布在不同的装配工位上，不断地添加到主题部分上，最终形成完整的发动机产品。

加筋前后路堤顶面中轴线竖向位移曲线如图2所示。从图2可以看出, 在路堤未做加筋处治时, 路堤顶面近桥台端的竖向位移值约为9 cm, 且沿路堤纵向呈一直线趋势, 路桥之间没有过渡, 这样容易在路桥过渡段形成台阶形沉降, 导致桥头跳车现象发生。在路堤经过加筋处治后, 竖向位移曲线在桥头处治区呈抛物线状, 路桥过渡段的不均匀沉降在较长的范围内得以平缓地过渡, 最大沉降值也低于未加筋路堤, 故与刚性搭板相比, 柔性搭板处治区与未处治区衔接处不会产生二次跳车现象。这说明土工格室柔性搭板能有效地减小路堤顶面沉降, 改善差异沉降所引起的桥头跳车现象。

图2 路堤顶面竖向位移曲线

2.2 坡脚下地基水平位移

土工格室在应用于处治路堤填土的过程中, 与其中的填料共同作用, 构成具有强大刚度和拉伸强度的复合体。并对周围土体提供了侧向约束作用, 从而可以有效地限制地基土体的侧向变形。图3为加筋前后距离桥台台背1 m和15 m处的地基水平位移曲线。

从图3可以看出, 坡脚下地基土体的水平位移呈现向右凸出的拱形, 未加筋时, 最大水平位移为28.9 mm, 加筋后, 拱形顶部显著减小, 坡脚下土体的最大水平位移为21.9 mm, 这说明土工格室柔性搭板能明显减少软土地基的横向水平位移。同时对于不加筋路堤来说, 在靠近台背的1 m处与路堤中部区域的地基土体水平位移曲线基本重合, 而加筋后, 靠近台背固定端的地基水平位移程度要明显小于路堤中部, 两者在坡脚下的最大水平位移相差8.2 mm, 这是由于土工格室一端锚固于桥台上, 与桥台为刚性连接, 有效限制了近桥台端地基土体的侧向位移, 使得软土地基的整体性得到加强。

图3 坡脚水平位移曲线

3 土工格室作用性状影响因素分析

3.1 土工格室弹性模量

把土工格室看做为线弹性体, 土工格室的抗拉强度指标以弹性模量表征。分别取土工格室的弹性模量为45、50、60及75 MPa进行模拟对比分析, 结果见图4。由图4可以看出, 弹性模量对路堤的竖向位移可以产生直接影响, 土工格室的弹性模量越大, 其抗压能力及抗弯刚度也随之增大,对土体的约束能力也越强, 路基顶面的位移也就越小。但这种影响仅仅在有铺设土工格室的范围之类, 超过土工格室长度之外并无显著影响, 土体的竖向位移趋于一致。

图4 弹性模量与竖向位移关系

3.2 填料参数

保持计算模型中的其他材料参数不变, 分别取路堤填料的变形模量E为20、25、35及50 MPa, 土工格室模量取2倍填料模量, 将这4种情况进行模拟对比分析, 结果如图5所示。

由图5可以看出, 路堤填料模量的改变对路堤竖向位移有较大的影响。随着填料模量的增大, 路堤的位移值逐渐减小。特别是在填料模量很小的情况下, 这种改变影响更大。可以看出, E = 20 MPa与E = 25 MPa两曲线的差别相较E =35 MPa与E = 50 MPa两曲线的差别更加明显, 这也说明超过一定范围, 模量对位移的影响越来越弱。

图5 填土模量与竖向位移关系

3.3 柔性搭板布置间距

保持模型其他各项条件均不变, 将柔性搭板布置间距分别取为1.4、1.5、1.6及1.8 m, 将这4种情况进行模拟分析, 模拟所得路基顶面竖向位移曲线如图6所示。

从图6可以看出, 土工格室布置间距对路堤竖向位移有影响。但影响并不是单一的, 与远桥台端相比, 布置间距的减小对近桥台端的沉降值减小更为明显。在距桥台距离1～4 m范围内, 布置间距为1.4 m的沉降值小于间距为1.5、1.6和1.8m时的情况, 沉降的最大差值出现在距桥台距离2 m处。对于后3种布置间距, 虽然沉降会随布置间距的增大而增大, 但其沉降曲线差别很小, 这说明布置间距只有在一定范围内对路堤沉降有影响。工程上建议布置间距取1.5 m左右。

图6 布置间距与竖向位移关系

3.4 柔性搭板布置层数

在其余参数不变的情况下, 分析柔性搭板布置层数对路堤沉降的影响。分别模拟布置层数为3～6层4种工况, 其路基顶面竖向位移曲线如图7所示。

由图7可以看出, 柔性搭板的布置层数对沉降有一定的影响。在近桥台端, 柔性搭板布置层数为3～5层时, 其沉降值随布置层数的增加而减小, 但布置6层柔性搭板时,其沉降值在近桥台端要大于布置5层的情况。在距桥台14 m后的远桥台端, 其减小路堤沉降的影响更为显著, 这说明增加层数使得沉降值的减小逐渐向远处发展。

图7 布置层数与竖向位移关系

3.5 路堤高度

保持模型各项参数不变, 取路堤高度为6、8、10和12 m四种情况进行对比分析, 结果如图8所示。

从图8可以看出, 路堤高度的变化对路堤顶部的竖向位移有显著影响。在近桥台端, 随着路堤高度的增加, 土工格室柔性搭板能明显减少路堤的竖向位移, 并且高度为12 m的路堤竖向位移值要小于高度为6、8和10 m时的位移值。路堤高度的增加使竖向位移产生了更大幅度的增加。虽然柔性搭板能减少路基的沉降量, 但在距离台背14 m范围之外, 逐渐超过各层土工格室的铺设长度, 这种影响随着远离台背端而减弱, 并不足以抵消由于路堤高度增加带来的地基竖向位移增量。

图8 路堤高度与竖向位移关系

4 结论

本文通过大型有限元软件ABAQUS建立加筋路堤与软土地基的三维模型进行数值分析, 得到以下结论。

(1) 土工格室柔性搭板体系能够有效地消化软土地基所带来的不均匀沉降, 控制和协调路堤与桥台过渡段的沉降差, 从而实现改善桥头跳车的目的。

(2) 土工格室布置于路堤中, 与其中填料构成复合体, 对周围土体提供了侧向约束作用, 并减少了地基土体的水平位移。

(3) 土工格室的弹性模量越大, 对土体的约束作用越明显, 其竖向位移就越小。因此, 在实际工程运用中应尽量使用模量大, 抗弯刚度强的格室材料。

(4) 增加柔性搭板的布置层数可以有效减小地基的沉降量, 但土工格室布置在5层以下时, 其数量的增加对地基加固效果有限。建议实际工程中的柔性搭板应大于5层进行布置为宜。

[1] 羊晔, 刘松玉, 邓永锋. 加筋路基处治不均匀沉降模型试验研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(3): 703–706.

[2] 王广月, 韩燕, 王杏花. 降雨条件下土工格室柔性护坡的稳定性分析[J]. 岩土力学, 2012, 33(10): 3 020–3 024.

[3] 谢永利, 俞永华, 杨晓华. 土工格室在处治路基不均匀沉降中的应用研究[J]. 中国公路学报, 2004, 17(4): 7–10.

[4] 杨晓华, 李新伟, 俞永华. 土工格室加固浅层饱和黄土地基的有限元分析[J]. 中国公路学报, 2005, 18(2): 12–17.

[5] 杨晓华, 戴铁丁, 许新桩. 土工格室在铁路软弱基床加固中的应用[J]. 交通运输工程学报, 2005, 5(2): 42–46.

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[9] 张宏光, 谢永利, 杨晓华. 楔型柔性搭板模型试验[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2005, 25(3): 54–57.

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(责任编校: 江河)

Analysis of the factors influencing geocell flexible approach slab for treating vehicle dumpping

Wang Weiguo
(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

By employing the finite element software ABAQUS, the vertical displacement at the top of the embankment and the horizontal displacement of the foundation under the foot of the embankment are studied. At the same time, effects of the geomorphic modulus, packing parameters, layout of the flexible slab, number of layers and height of the embankment on displacement are analyzed. The results show that the flexible slab system can effectively reduce the differential settlement in the roadbed-bridge transition section, and the treatment effect of the flexible slab system will be improved when the elastic modulus of the geocell is increased or the number of layers is increased.

flexible approach slab; vehicle dumpping; numerical analysis; differential settlement; ABAQUS

U 416.1

A

1672–6146(2017)03–0059–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.013

王维国, 510543970@qq.com。

: 2017–04–01