沟谷软基区土工格栅加筋路堤边坡稳定性数值模拟分析

沟谷软基区土工格栅加筋路堤边坡稳定性数值模拟分析第27卷　第4期2007年8月　文章编号:1671-2579(2007)04-0043-03中　外　公　路　43　韩　利1,周　基2,崔颖超2,3,芮勇勤2(1.河南省叶集至信阳高速公路建设有限公司,河南信阳　464100;2.长沙理工大学;3.河南禹州至登封高速公路有限公司)　　摘　要:沟谷软基由于在其上部填筑路堤会发生沉降、变形,该文利用岩土工程有限元软件,采用强度参数降低法分析比较了路堤在加筋和不加筋及变换土工格栅的轴向刚度EA值的情况下进行稳定性安全系数计算,,提高整体稳定性,减少路堤的变形发展。 关键词:加筋;土工格栅;软基;　　的极限平衡法。但是极限平衡法有其自身的缺陷:由于此方法中将土体划分为刚性土条,所以不能很好地考虑土体内部应力-应变关系,求出的土体间内力和滑裂面底部反力不是真实存在的力;无法分析稳定破坏的发生和发展过程,更无法考虑局部变形对土坡稳定的影响;此法所求出的安全系数只是所假定的滑裂面上的平均安全度。随着有限单元法在岩土工程中的广泛应用,它也被用来分析土坡稳定性。使用有限单元法,可以考虑到土的非线性本构关系,求出每一计算单元的应力及变形,确定破坏区的位置及破坏范围的扩展情况,并求得合适的临界滑裂面位置,再根据极限平衡分析推求整体稳定安全系数。本文结合工程实例,用抗剪强度折减有限元法研究土坡稳定性问题,评价抗剪强度折减有限元法分析土坡稳定问题的适用性;并得到土坡发生滑裂破坏时土体变形性状的一些规律。本文以四川省川东南充至广安高速公路G标段试验段典型沟谷软基区高路基变形为例(图1),对沟谷软基区路堤的稳定性进行分析。低洼沟谷地带一般覆盖4～12m粘土层,主要为川中冬水田,长期饱水,软粘土呈液塑至软塑状,地基承载力较低,一般0.05～0.12MPa,沉降量大,固结速度慢,易形成软弱地基。路线在该地带多以路堤形式通过,填料以泥岩为主,填筑前一般先清除表层耕植土和淤泥,再分层填筑路堤,填方路段软基多采用片石排水沟、塑料插板、土工格栅、反压护道等措施处理。图1　G标段试验段典型沟谷软基区地形1　工程概况山区高速公路的建设,经常会遇到一种特殊的沟谷地形,类似“鸡爪”与“鸡沟”相间分布的鸡爪沟地形,在此地形上修筑的路基往往既遇到不等厚软基又遇到不等高路堤问题。收稿日期:2007-06-10作者简介:韩　利,女,大学本科,高级工程师.2　有限元分析模型及物理力学参数 本文采用二维有限元数值分析手段,土体的本构模型采用摩尔-库仑模型,对于土体是否破坏失稳使用Mohr-Coulomb准则作为屈服函数,并且用?1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net中　外　公　路　27卷　44Drucker-Prager方程作为塑性势函数的本构模型,称表1　路基各层物理力学参数岩土类别填料软基基岩容重粘聚力-3/kPa/kN?m21.2620.332344.2428.6700为Mohr-CoulombDrucker-Prager模型(简称MC-DP模型)。屈服函数由Mohr-Coulomb方程给出,可以写成如下形式:σφ-2c?φ(1)f=(σcos1-σ3)-(1+σ3)sin式中:f为屈服函数;σ1和σ3为最大和最小有效主应φ为强度指标。力;c、 塑性势函数为:σσΦ=(2)-sinΨ22式中:Φ为塑性势函数;Ψ为剪胀角。塑性应变增量可以由塑性势函数来计算,用矩阵形式可表示为:pd=dpε式中:d,看成只能受拉,不能受压,不具有抗弯刚度,只能沿轴向变形的一ε维单元,本构关系σ=E。为了模拟土工织物与土的相互作用,有限元分析时引入了界面单元的概念。用一个弹塑性模型描述界面的性质,来模拟土与土工织物的相互作用,并用参数Rinter反映两者相互作用的程度。土与土工织物变形一致,两者之间没有相对滑动时,Rinter=1.0。当界面单元为弹性时,剪应力为:φ(4)|τ|<σntani+ci当界面单元为塑性时,剪应力用式(5)表示:φ(5)|τ|=σntani+ci式中:φi和ci分别为界面单元的内摩擦角和粘聚力;σn为作用在界面单元上的正应力。根据上述资料,利用有限元二维分析软件建立模型如图2所示:长、宽分别为140、40m,路堤高20m,分两层铺筑,第一层厚10m,第二层厚10m,反压护道宽12m。 内摩擦角弹性模量泊松比)/(°/MPa30.79.57413021710.250.350.23　边坡稳定性分析在结构工程中,,这一定义并,,大多数荷载是由土体自。:F=Sneededforequilibrium(6)式中:Smaximumavailable为实际抗剪强度;Sneededforequilibrium为计算获得的保证土体平衡状态所需要的最小抗剪强度。通过引入标准库仑条件,安全系数可以通过式(7)获得:F=φrcr-σntan(7)φ为抗剪强度参数;σ式中:c、n为实际的正应力分量。cr和φr是不断减小到恰好足够大而能保持土平衡的抗剪参数。在上面计算安全系数基本方法中,粘聚力和内摩擦角按下列比例减小:==∑Msfcrtanφr 抗剪强度参数的减小受(8)∑Mfs的控制。这一参数随加载步骤的进行而增大,直到破坏发生。从有限元数值模拟分析结果可知:在中部及底部加筋时,安全系数的提高很大。为了验证这一点,本文先在路堤的底部加筋,然后逐次把加筋位置及层数进行更换,得出加筋位置与边坡安全系数的关系曲线如图3所示。由图3可以看出,在上部加筋时对边坡安全系数影响小,而在路堤中部及底部加筋时边坡安全系数有了显著改变。同时为了分析加筋格栅不同的轴向刚度对路堤边坡安全系数的影响,在有无格栅及变换土工格栅的轴向刚度EA值的情况下进行路堤边坡安全系数计算,结果如图3所示。从计算数据中可以看出,路堤经加筋处理后,路堤边坡安全系数明显提高,且随着筋材刚图2　典型试验段横断面图路基各层岩土物理力学参数见表1。?1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net　度EA的增大而逐渐变大。但筋材刚度EA大于一定值后,再增大时,路堤边坡安全系数增量变缓,说明此时轴向刚度的增量对边坡安全系数的影响越来越小 。堤下地基表面铺设土工格栅或做加筋垫层对于改善路堤及地基变形特性和提高软弱地基的承载力均起到了积极的作用。(2)土工格栅的变形模量对路堤边坡稳定系数有影响,如果土工格栅的变形模量较小,沉降量和不均匀沉降仍较大,将发挥不了加筋应有的作用。因此,作为加筋的土工格栅对强度的要求较高,要求具有较高的变形模量和适宜的延伸率,这样,加筋材料的效果才会显著。而当刚度大于一定值时,再增加格栅刚度对路。(3),图3　加筋格栅不同位置、层数下路堤边坡安全系数G[1]　龚晓南,李海芳.岩土力学及工程理论与实践[M].北京:,和不均匀沉降,,减少了路堤的变形发展。其填筑竣工后如图4所示。中国水利水电出版社,2002.[2]　王晓谋,袁怀宇.高等级公路软土地基路堤设计与施工技术[M].北京:人民交通出版社,2001.[3]　ChenYQ.AFluorescentApproachtotheIdentificationofGroutInjectedintoFissuresandPoreSpaces[J].Engi2neeringGeology,2000,56(3/4):395～401.[4]　CurranDR,SeamanL,ShockeyDA.DynamicFailureofSolids[J].PhysRev,1987,147:253～388.[5]　WuLX,WangJZ.InfraredRadiationFeaturesofCoalandRocksunderLoading[J].IntJRockMechMinSci, 1998,35(7):969～976.[6]　TangCA.NumericalSimulationonProgressiveFailure图4　G标试验段竣工图LeadingtoCollapseandAssociatedSeismically[J].IntJRockMech&MinSci,1997,34(2):249～261.[7]　刘汉龙,吴维军,高玉峰.土工织物加固堤防非线性有限4　结论(1)土工格栅作为土的筋材,可以用于加强堤坝、元分析[J].岩土力学,2003(1).[8]　朱　湘,黄晓明,邓学钧.土工格栅加筋路堤机理研究[J].公路交通科技,2002(1).土坡和软土地基。通过有限元法计算分析发现,在路鄂东大桥主塔承台完工2007年7月16日23时45分,随着最后一罐混凝土进入承台模内,湖北鄂东长江公路大桥南岸主塔承台顺利完工,自承台基坑开挖至混凝土浇注完毕历时38d。鄂东大桥位于湖北省黄石与鄂州交界处,是沪蓉西国道主干线湖北东段和国家高速公路网规划中大庆至广州公路湖北段的共用过江通道,为预应力混凝土-钢箱梁混合式双塔双索面斜拉桥,大桥主跨926m。南岸主塔高236.5m,是整座大桥的控制性工程。摘自《中国交通报》:2007.08.06?1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net