高填方土工格栅加筋路堤稳定性分析

张 民

（天津市市政工程设计研究院 公路设计院，天津 300170）

由于山区特殊的地理、地貌环境，修建高速公路会不可避免的遇到高填方和深挖路堑的情况[1]，高速公路局部大沉降变形、滑坡等稳定性问题时有发生[2]。近年来，土工合成材料在高速公路中的应用越来越广泛，它依靠格栅材料表面与土体直接的摩擦接触和格栅之间与土体的端部摩阻力等的作用与土形成力学稳定性好的加筋土[3]，在竖向荷载作用下，土工格栅与土之间的相互作用使得高填方路堤土体基质形成多层弹塑性体[4]，从而避免了路堤发生不均匀沉降和变形[5]。影响加筋效果的因素很多，研究这些因素对路堤稳定性的影响十分必要。曲新杰[6]利用ABAQUS 非线性有限元分析软件对交通荷载下土工格栅加筋粉煤灰路堤稳定性进行分析研究，分析了土工格栅的加筋稳定机理；刘强森等[7]利用ABAQUS 对土工格栅不同位移下拉力与位移关系、挡块拉拔阻力效果以及筋土界面摩阻力分布进行了分析，研究得出挡块式土工格栅在处理新旧路基时优势明显。本文以京新高速公路胶泥湾—冀晋段为例，利用ABAQUS 软件模拟不同工况下高填方路堤的沉降以及稳定性特征。

1 模型建立

1.1 基本假定

理想模型，忽略地下水、地表水渗漏、地震荷载、交通荷载、土壤固结、土壤温度敏感性等因素，为便于有效分析计算，作如下假设：

1）填筑材料分布均匀，忽略温度影响；

2）断面各土层表面是相对水平的；

3）不稳定条件的判断是基于数值计算的收敛性，如果模拟结果没有在最大迭代次数内收敛，则假定没有能够满足屈服条件的应力分布，整体平衡已经发生破坏。

1.2 模型建立

建立与现场相同的断面模型；由于路堤的对称性，选取一半截面建立模型。本工程涉及的高填方路堤是由三级边坡组成，坡比均为1∶1，每级边坡均设有宽2 m 的土体平台。根据实际工程情况，选取边坡高度为30 m，三级边坡均为1:1 坡比，坡顶铺面为20 m，地基深度15 m。采用莫尔-库仑非线性本构模型进行计算。由于主要对截面进行分析，故将路堤简化为平面问题。模型的初始约束下部固定，左右两侧水平约束，上部自由边界。分层填筑法是高填方路堤的最有效施工方法[8]，但在ABAQUS 模拟中不影响稳定性分析结果，故忽略其影响。见图1。

图1 三级边坡高路堤有限元模型

由于填土情况复杂，根据不同土体参数分层建模。见表1。

表1 高填方路堤材料计算参数

选用EG 3030 土工格栅，厚5 mm、弹性模量38.7 GPa、泊松比0.33、切向刚度2.3×106kPa/m，内摩擦角为29.2°，黏聚力0。

1.3 土工格栅的设置

采用Truss 单元模拟土工格栅。由于具有只承受拉力的特点，因此对土工格栅的性能值设置*No compression。钢筋与土的接触采用ABAQUS 中的界面约束(Constraints)命令，使用嵌入关系来处理两者的相互作用，土工格栅作为嵌入区域（Embedded region）嵌入到路堤主区（host region）中，格栅的界面参数：接触面黏聚力为0，接触面摩擦角为15°。

2 影响稳定性因素模拟

2.1 加筋间距

2.1.1 工况

为研究不同加筋间距对高填方路堤的稳定性，对不同的加筋方案分别进行模拟。

1）工况一：全截面不加筋。

2）工况二：从一级边坡顶部开始，每隔6 m 铺设一层土工格栅，加筋长度20 m。

3）工况三：从一级边坡顶部开始，每隔3 m 铺设一层土工格栅，加筋长度20 m。

2.1.2 结果分析

1）工况一。高填方路堤填筑完成后，在土体自重作用下，上部土体的应力逐渐向下部传递，路堤底部中心处应力最大并由此向外依次递减。一、二、三级边坡外部边缘土的沉降较内部土体更大，这是因为内部土体受到了约束，不同土体的弹性模量大小不一样，地基土和路堤的沉降大小也有一定的差异。

2）工况二。对比不加土工格栅的高填方路堤，分布规律基本不变，但最大应力值有所减小，说明土工格栅传递土体应力，分担了部分应力。加土工格栅后整体沉降有减小的趋势，沉降分布规律和不加土工格栅较为相似。路堤的塑性区是最先从坡脚处开始，逐渐沿着45°角方向向内延伸，最终仅有坡脚处有小部分塑性区，可见土工格栅对高边坡路堤内部的应力分散作用十分显著。

3）工况三。不论是应力还是应变值都有大幅度降低，塑性区的分布区域也越来越小，除坡底小面积变形相对较大外，其余部分均在工程可接受范围内。由此可见，土工格栅铺设层数对高填方路堤的稳定性有着明显的影响，在一定范围内格栅铺设层数越大，间距越小，高填方路堤的土压力和沉降的降低效果更明显，路堤越稳定。

2.2 筋材长度

由于边坡潜在滑移面的存在，土工格栅长度也是一个需要考虑的参数，一般需要使水平铺设的土工格栅穿过潜在滑移面，但是在实际工程中难以直接求出潜在滑移面的位置，一般经验设计长度为（0.5～0.8）H（H为一级边坡的高度）[9]，因此需要对筋材长度与路堤稳定性之间的关系进行分析。见图2。

图2 不同格栅长度下路堤位移

由图2可以看出：土工格栅的长度（0.6～1.0）H对高填方路堤的竖向沉降影响作用不明显，0.4H加筋长度的路堤出现了沉降增大的现象，从0.4H到0.6H沉降减小25%，而0.6H到0.8H沉降变化几乎为0；土工格栅对路堤的水平向位移约束效果较好，不同长度加筋的高填路堤水平位移差异较大，其中1.0H加筋长度路堤水平位移最小，格栅长度越小，水平位移越大且增长趋势越明显。

2.3 地基土

高填方路堤的地基土是指填方以下、承受填方土传递下来的荷载的土体。不同地基土会有不同的压缩性能，从而会对填方路堤起不同作用；有必要研究不同种类的地基土对路堤稳定性的影响。分别选择碎石土、砂土和黏性土进行模拟，见表2。

表2 3种地基土计算参数

通过模拟得出：粉质黏土地基稳定时出现的塑性变形范围较广且贯穿地基和填方路堤，但塑性变形量不大，是一种较好的路基材料；砂土地基稳定时塑性变形区最小，集中在地基处且无局部塑性区过大现象，最适合作为地基材料；碎石土塑性变形区过大，不适合用作路基材料。

2.4 地基倾斜度

由于背景工程地理环境较为复杂，遇到不同的地势和水文条件需要采取不同手段进行处理，导致路段截面各有不同，有的高填方路堤是直接建立在斜坡地基上的。为满足实际工程要求，选择15°和30°倾角的倾斜地基，忽略地基变形的影响。

当地基坡度为15°时，高填方路堤整体变形较小，只有小面积发生较大变形；而当地基坡度为30°时，高填方路堤在自重的作用下向下发生沉降，由于坡脚处土体最少剪切角较大，因此坡底土体最先发生塑性变形，随着时间推移，塑性区开始向中间发展并逐渐增大，最终变成中心塑性区较大、整体位移较大的状态。地基坡度对高填方路堤的稳定性影响十分显著，地基倾角越大，高填方路堤的稳定性能越差。在实际工程中，遇到倾角比较大的高路堤需要考虑铺设合理数量的土工格栅，土工格栅长度应该从路堤穿入地基层，这样才能使得高填方路堤的稳定性满足要求。

2.5 地基处理方式

为深入地探讨地基处理方式对高填方路堤稳定性的影响，利用ABAQUS 在30°倾角的地基上选择斜坡式和阶梯式两种方式铺筑高填方路堤，模拟过程中为了满足高填方路堤的整体稳定性，每隔6 m 铺设一层10 m 长的土工格栅。

结果表明：在斜坡路堤中土体塑性区和应力分布范围都比阶梯路堤中的土体塑性区和应力分布范围小，但是应力和塑性变形值都比阶梯路堤大2 倍左右并且斜坡路堤中土体总量本身就比阶梯要小，土工格栅嵌入地基内有一定长度，阶梯路堤中土工格栅并未嵌入地基中，使得应力全部由高填方路堤自身承担，应力没有损失。因此综合分析下来还是阶梯状路堤应力、应变情况较好。

3 结论

铺设土工格栅的路堤承载能力明显大于未加筋的情况。加筋间距越小，高填方路堤的稳定性越好，每3 m 铺设一层土工格栅是较为合理的；土工格栅的长度变化对路堤侧向位移约束的大小较为敏感，加筋长度越长，高填方路堤越稳定；地基土刚度越大，塑性区和应力集中越容易，相较于黏性土和碎石，砂土最能满足地基应力-应变分布。