基于数值分析的土工格栅横向加筋对浸水路堤的沉降变形影响研究

李宏杰，郭康，周钰杰

（云南建设投资控股集团有限公司国际工程部，云南昆明650000）

1 工程背景

万万高速公路是老挝磨丁口岸至万象高速公路中的万荣至万象段，该高速公路起于万象市，终于万荣市，向北经琅勃拉邦对接中国磨憨口岸，顺接G8511昆明至磨憨高速公路；向南连接老挝—泰国边境的老泰友谊大桥，连接泰国廊开区境内的高速公路，是亚洲昆曼国际大通道的重要构成部分，此高速公路的设计全长达460余公里，其中第一段万象至万荣高速公路的全长为109.1km。

由于万万高速地处热带雨林地区，该高速公路穿行地段高温多雨，年平均气温处于25℃~28℃之间，全年雨季长，年降水量大，可达2000mm以上。万万高速公路南段地处万象平原地带，地势平缓，河道稀疏，排水条件差；此外，万万高速公路与中老铁路并肩而行，当雨季来临的时候，铁路与公路之间会产生大量雍水，尽管公路和铁路均设有排水涵洞，但涵洞间距较远，且两侧地势平缓，排水效果较差。在典型的热带雨林区，高温多雨是其明显的气候特征，导致其高速公路在建设期和运营期存在大量的雨水。水会对土质路基的强度和变形产生重要的影响，是导致路基病害的关键因素，长期浸水的高速公路路基很容易受到水的侵蚀和软化，水的综合影响将危机高速公路路基的安全，常常引发公路路基土体的软化、颗粒流失，并进一步导致路基的翻浆冒泥、整体失稳、边坡垮塌等一系列的病害，对行车安全产生重大危害，甚至会阻断道路交通，造成巨大的经济与安全损失。

采用土工格栅横向加筋是地基加固的常用方法，本文拟采用数值分析方法研究土工格栅横向加筋对浸水路堤沉降变形的影响，研究土工格栅布设参数对路基沉降变形产生的不同影响，以期为浸水路堤的加固处理提供技术方案的选项。

2 土工格栅横向加筋浸水路堤数值模型构建

为了研究万万高速公路土工格栅横向加筋对浸水路堤稳定性的影响，本研究拟采用有限元分析方法进行数值分析，对土工格栅的不同加筋参数对路基沉降变形影响规律进行研究。

2.1 模型构建

建模的路基横断面顶宽46m，路基横坡坡度设定为0°，纵坡坡度取0°，边坡坡率取68.2°，土体的本构模型采用摩尔—库仑模型进行模拟，在分析时由于填方路基可以归纳为轴对称平面应变问题，依照对称性原则完成对模型的假设：①土的渗流速率恒定可以忽略时间的影响；②土为弹塑体；③土体中水的流动遵从达西定律；④土是连续且土体均匀；⑤车辆荷载取20kPa。采用FLAC3D有限元软件建立公路模型，并完成对模型的网格划分，由于地基在变形中位移量较小，因此划分较为稀疏；路基在变形中的位移量相对来说较大，因此在划分网格的时候较为密集，在不影响计算精度的同时，加快计算进程。在对边界施加约束时，考虑实际情况，对路基底部采用完全约束；对地基横向施加约束，竖向不施加约束。见图1。

图1 网格划分示意图

2.2 模型参数选取

数值模型中土工格栅、地基土体、垫层、路堤材料釆用Mohr-Coulomb本构模型，参数不仅易确定而且其反映实际受力和变形能力较好。桩体按照线弹性模型确定相关参数，物理力学参数包括弹性模量E和泊松比。模型中主要材料的物理力学参数如表1所示。

表1 材料参数和单元形式

土工格栅主要选取型号为TGSG50的双向土工格栅，其技术指标参见表2。

表2 土工格栅技术指标

3 数值分析结果

3.1 有、无格栅沉降模拟

选择边坡坡率为1∶0.75的路基进行数值计算，对铺设（土工格栅的敷设厚度去0.9m）和未铺设土工格栅两种工况的路基沉降情况进行分析，计算得到如图2所示的沉降量结果，a沉降曲线为设置了土工格栅的路基沉降量，b为未设置土工格栅的路基沉降量，对比分析可知，对比未铺设土工格栅的情况，铺设格栅路堤的路基沉降量下降了8%~12%，而未铺设土工格栅时的最大沉降量达到了500mm。

从图2还可以看出，路基沉降量最大位置处于路堤中心点，距离路堤中心点位置越远则沉降量随之减小。

图2 路堤沉降量

3.2 格栅间距改变沉降模拟分析

为了进一步分析土工格栅铺设参数变化对土质路基工后沉降产生的影响，主要考虑了土工格栅铺设间距差异的影响，分别考虑了不铺设土工格栅以及铺设间距分别为600mm、900mm、1200mm、1500mm等四种情况，数值分析的结果如图3所示。如图可知，随着土工格栅的铺设间距加密，土工格栅的加筋作用越来越明显，路堤的沉降量持续减小，其中铺设间距为0.6m时，土工格栅加筋对路堤沉降量的降低作用最为明显。

图3 不同格栅间距的路堤沉降量

3.3 变化路堤坡度时沉降分析

路基坡率是影响路基边坡稳定的重要因素，同时也会对路基的沉降产生直接影响，为研究不同坡率对路基沉降量所产生的影响，本文针对加筋间距0.9m的路堤，分别选择了1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5等五种常见坡率进行了数值分析，研究坡率对路基沉降量的影响规律，数值分析结果如图4所示。

图4 不同坡度有格栅时路堤表面的沉降

由图4可知，随着坡率不断变换，路堤沉降量也不断降低，对比坡率1∶1.5和坡率1∶0.5的路堤沉降量，总的路堤沉降增大了8cm左右。路堤边坡坡率越缓，沉降量就越大，由此可见，路堤坡度变陡会导致路堤沉降量变小。由此可见，加筋路堤对沉降的影响存在着显著的尺寸效应。究其原因，很可能是因为随着路堤坡率变大，路堤底部宽度不断加大，路堤的荷载产生了显著的扩散效应，此时在路堤中铺设土工格栅所产生的荷载扩散效果受到削弱，土工格栅所产生的缓解路堤沉降的加筋效果就被显著削弱。

4 结语

本文基于室内试验得到的物理力学参数构建了有限元数值分析模型，对路堤中铺设土工格栅影响路堤沉降特性的效果进行数值计算，研究表明土工格栅铺设参数会影响路堤的沉降变形规律，研究得出的主要结论如下：

（1）在路堤中铺设土工格栅能够产生显著的扩散效应，当土工格栅的竖向铺设间距为0.9m时，能够产生总沉降量降低8%以上的效果，本文的分析结果与相关文献的试验结果较为吻合。

（2）路堤的最大沉降量发生在路堤中心位置，随着土工格栅的铺设间距加密，土工格栅的加筋作用越来越明显，路堤的沉降量持续减小，其中土工格栅铺设的竖向间距为0.6m时，土工格栅加筋对路堤沉降量的降低作用最为明显。

（3）加筋路堤对沉降的影响存在着显著的尺寸效应，路堤边坡坡率越缓，沉降量就越大，土工格栅的加筋效应越弱，路堤坡度变陡会导致土工格栅的加筋效应变得更加显著。