高速公路高填方路堤中土工格栅性能探究

高速公路高填方路堤中土工格栅性能探究　　摘要：路基是高速公路的基础，路基的稳定是公路运营安全的前提，尤其是高填方路基路段，如何保证高填方路堤的稳定与安全是广大公路建设者亟需解决的课题。本文以河北邢汾高速为背景，研究了土工格栅的作用机理以及在高填方路堤施工中的应用，并使用ANSYS进行模拟，对比分析结果，得出有用结论。关键词：高填方路基，土工格栅，沉降，ANSYSAbstract:Thefoundationisthefoundationoffreewayroadbed,thestabilityisthepremiseofhighwayoperationsafety,especiallythehighfillsubgradesection,andhowtoguaranteethehighembankmentstabilityandsecurityisabroadroadbuildersneededtoresolvetheissue.ThisarticletaketheHebeiXingFenexpresswayasbackground,studiesthegeogridmechanismaswellasinhighembankmentconstructionapplication,anduseANSYStosimulate,comparativeanalysisoftheresults,drawusefulconclusions.Keywords:highembankment,geogrid,settlement,ANSYS10 中图分类号：TU528.2文献标识码：A0前言邢汾高速公路起点位于京港澳高速公路邢台南互通南侧，途经邢台市开发区、沙河市、桥西区和邢台县，终止于冀晋省界，全长83.511公里，按全封闭、全立交、双向四车道标准建设。路线从东向西分为平原区、丘陵区、山区，东西部高差1100多米。由于该项目横穿太行山主峰，东难西险，地形复杂，施工难度大。高填方路堤施工路段较多，控制高填方路段的沉降变形，保证行车安全显得尤为重要。本文主要从理论层面研究土工格栅在高填方路堤中对其沉降及变形的影响，给出可靠的分析数据，说明土工格栅在高填方路堤使用中防止过度沉降变形的必要性。1土工格栅的加筋作用机理目前土工格栅作为一种新型的加筋材料在工程中应用已日趋广泛，它能弥补天然岩石材料抗拉性能不足的缺点，例如可有效地分配扩散荷载，提高路基的稳定性和承载力，延长使用寿命；防止路基材料的流失造成的路基变形、开裂；提高挡土墙的承载能力；在公路的路基和面层中加入土工格栅，还可以降低弯沉，减少车辙等等。土工格栅主要通过土工格栅材料的拉力来实现其加筋作用，是一种良好的路用加筋材料，是防止路堤沉降的一个有效的方案。土工隔栅的加筋作用具体体现在一下三个方面：10 （1）承担水平荷载推力，提高地基承载力（2）增大地基土的约束力，提高竖向承载力对于未加筋路堤的约束（3）抑制土拱效应，减小路堤沉降2室内试验研究加筋的研究，从室内试验方面着手，主要研究筋土界面特性，“筋土界面是由土工合成材料与土之间的接触面，以及相邻土体中存在的一定厚度的剪切带组成”。加筋土界面特性室内试验主要有：直剪试验、拉拔试验、三轴试验等。对土工格栅与填料的界面特性研究，采用拉拔试验机，填土采用邢汾高速L9标段某断面填土；筋材分别采用类型和型号不同的2种高密度聚乙烯（HDPE）单向拉伸土工格栅EG90R和聚丙烯（PP）单向拉伸土工格栅TGDG80，钢塑复合和聚丙烯（PP）2种双向土工格栅。研究在直剪试验条件下，土工格栅种类、试验填土含水量对筋土界面特性的影响；在拉拔试验条件下，不同压实度和不同格栅类型对筋土界面特性的影响，并比较总结试验结果，为加筋路堤稳定性计算提供参考依据。通过室内直剪试验和拉拔试验，研究了不同因素对加筋土筋土界面特征的影响，得出以下结论：10 1、通过增大格栅表面的垂直压力，格栅与填土之间的接触面摩擦作用增大，产生的摩擦阻抗力随垂直压力的增大而增大。2、加筋材料类型的选择，对界面摩擦系数的影响难以判断，然而加筋后其筋土界面的界面摩擦角要小于填土自身的内摩擦角。3、含水量对界面强度参数的影响表现在对筋土界面摩擦系数方面4、土工格栅的抗拉性能可分为三个阶段：初始阶段，拉拔力随拔出位移的增大而迅速上升；发展阶段，拉拔力随位移增大达到峰值阶段；破坏阶段，整个土工格栅都处于残余阻力状态，拉拔力随位移增大而保持基本不变。5、界面粘聚力与界面摩擦系数随着压实度的提高而增大，填土的压实度对加筋土工程影响重大。6、格栅网孔对填土有嵌固和咬合作用，增大了筋土界面粘聚力，横肋对筋土界面摩擦角影响不大。3ANSYS对比分析取邢汾高速L9标段的某路堤为研究对象，其路面宽度为28m，路堤填筑高度14m，边坡坡率分别为1：1.75和1：1.5，路基全横断面取120m，地基竖向取20m。本模型共铺设两层土工格栅，第一层土工格栅铺设于路堤底部砂垫层中，第二层土工格栅铺设于第一层上部5m处，均设置砂垫层，层厚0.5m。10 图3.1路堤断面示意图3.1计算单元假设在有限元分析时，作如下一些假定：1）路堤纵向是足够长，可按二维平面结构处理；2）土工格栅视为一种类似薄膜的单元，其材料为线弹性；3）填土和地基土的本构关系采用Duncan—Chang双曲线模型；4）界面单元采用Goodman摩擦单元，切向刚度系数随应力水平的变化采用双曲线来模拟。3.2边界条件的简化计算模型的坐标取向为：路基横断面的水平方向为X轴，竖向为Y轴，沿路基断面中心纵深方向为Z轴。划分网格采用局部加密的方法，随地基深度的增加网格越稀疏，路基网格受沉降影响较大，因此网格划分较密集，这种划分原则既不会影响计算速度，同时也不会影响计算结果的精度。本文以路堤和地基的受力特性为研究对象，模型边界条件为：X=60m边界X向的位移和速度为0，Y=0~-20m边界y向的位移和速度为0，在路基填方前，实际的岩层处于一个稳定的应力状态之下，即重力作用下地基已经固结完成。因此在填方之前还需要将初始应力状态产生的速度和位移清零，来体现最终的位移沉降是由于路基填方造成。10 3.3参数选取本文的有限元分析参数根据有关土工试验结果及有关参考文献取值，具体取值如下。表3.1土单元计算参数3.4模型建立本章中对高填方路堤加筋的数值模拟分析中，因主要考虑高填方路堤在加筋和不加筋两种情况下的变形特点和稳定性，主要采用二维平面结构的非线性分析，因此把土工格栅单元模拟为一种杆单元link1。，此杆单元为均质直杆，只承受杆轴向的拉压，这与土工格栅作为筋材时的受力类似。有限元模型可以简化为平面应变问题，土体单元采用plance-42单元（四节点等参单元）；接触单元采用contact-48单元（点与面接触单元）。有限元网格划分如图（3.2）　　图3.2网格划分3.5加筋与未加筋结果对比分析3.5.1水平应力分析图3.3未加筋水平应力云图图3.4加筋水平应力云图10 路堤的水平应力云图如5.4和5.5所示，随深度的增加，路堤水平应力逐渐增大，路堤路面处的水平应力和路堤右肩边坡坡角处的水平应力小，加筋前最大水平应力为0.35MPa，加筋后水平应力为0.33MPa，加筋使得最大水平应力减小7%。图3.5路堤右肩竖直方向上沿深度的水平应力分布分析路堤右肩竖直方向上沿深度的横向应力分布可知（如图3.5），随着深度的加大，水平应力在路堤填土和路基交接处（路面以下14m处）发生转折，主要原因是两种土体性质差异很大，主要体现在弹性模量上。比较加筋前后路堤右肩竖直方向沿深度的水平应力变化可知，相同深度的各点，加筋后其水平应力增大，主要体现在变坡处以下及基岩上面层，说明加筋材料的主要作用是承担水平方向的拉力。3.5.2侧向位移图3.6未加筋侧向位移图3.7加筋侧向位移以路堤右侧路肩以下沿深度方向的侧向位移为对象，可得如图5.9所示的侧向位移随深度变化的关系曲线图。由图5.9可知，随着深度的增加，路堤横侧向变形在变坡层处增大后逐渐减小，最底部节点横向变形为零，路堤整体有向两侧移动的趋势。比较侧向位移云图5-7与10 5-8，发现加筋作用使侧向位移有所改变。加筋前后，最大侧向位移均在坡角处，加筋较大地减小了侧向位移，最大侧向位移由15.0cm减小至8cm，减小量达50%，说明加筋对抑制侧向位移效果显著。同时，比较加筋与未加筋右侧路肩处侧向位移随深度变化的曲线可知，加筋后，路堤结构的侧向位移分布较不加筋情况要均匀得多，峰值也有所下降。图3.8路堤右肩处沿路堤深度侧向位移曲线3.5.3竖向位移高填方路堤由于填筑高度较大，其工后沉降也比较大，工后沉降是影响路堤稳定的一个重要因素，是一个不容忽视的问题。而路堤的破坏往往是由于路堤各部分沉降不均匀而造成破坏。因此减小工后沉降及不均匀沉降是解决路堤破坏的一个首要问题。下图为对比加筋和不加筋情况下路堤Y方向位移图。图3.9未加筋竖向位移图3.10加筋竖向位移由竖向位移云图3.9与3.10的比较，可以看出，不加筋时总沉降量达到20.03厘米，而加筋后总沉降量缩小到15.26厘米，加筋能减小竖向沉降，最大减小量达25%，提取路堤表面沿水平方向上的节点竖向沉降值，可得如图3.11所示的竖向变形与距路堤中心横向距离的关系曲线图。由图10 3.11可知，路堤横向存在明显的不均匀沉降，随着深度的增加，路堤垂直变形逐渐减小，对于未加筋的路堤，路堤中心竖向沉降值为20.183cm，最右侧路肩节点竖向沉降为：17.552cm，不均匀沉降为2.631cm；对于加筋后的路堤，路堤中心竖向沉降值为15.162cm，最右侧路肩节点竖向沉降为：13.158cm，不均匀沉降为2.000cm。减小量为23％，故加筋能减小不均匀沉降。图3.11路堤表面竖向变形与水平距离的关系图3.12路堤中心竖向变形与深度的关系提取路堤中心的节点沿深度方向竖向沉降值，可得如图3.12所示曲线图，加筋后，路堤中心处各点的竖向位移较未加筋时有所降低，路堤中心顶面处达最大值。随着深度的加深，在最深处（-20m处）加筋前后沉降量均接近于零。故加筋利于减少筋材上部的土体沉降。[1]杨果林.现代加筋土技术应用与研究进展[J].力学与实践，2002，24(l)：9~17[2]郑祖祯，徐雄军.土工织物在秦山核电厂海堤工程中的应用[C].中国土工织物学术讨论会论文选集，1987，5：84~59[3]朱湘，黄晓明，邓学钧.加筋路堤圆弧滑动稳定性验算公式的改进[J].东南大学学报，1999，5：109~113[4]Rower.K.etal.Anapproximatemethodfor10 estimatingthestabilityofgeotextilereinforcedembankments.CanadianGeotechnicalJournal，1985，220：392~398[5]邢怀海，顾晓卉，徐波.流变模型在土工格栅加盘堤坝稳定分析中的应用[J].盐城工业学院学报，2002，15(2)21~24[6]闫澎旺，BenBarr.土工格栅与土相互作用的有限元分析[J].岩土工程学报，1997，(6)：56~61.10