路桥过渡段路堤加筋现场试验和数值模拟分析

第３９卷第９期华中科技大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．９２０１１年９月Ｊ．ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖ．ｏｆＳｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｓｅｐ．２０１１路桥过渡段路堤加筋现场试验和数值模拟分析张军郑俊杰马强董友扣（华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉４３００７４）摘要采用土工格栅加筋处理路堤填土可有效解决路堤填土压缩变形过大的问题，从而减小路桥过渡段桥台与路堤的差异沉降以及缓解桥头跳车的现象．通过现场试验对加筋路堤中格栅上、下表面土压力与格栅变形进行了监测分析．采用有限元方法对比分析路堤在加筋与未加筋２种工况下路桥过渡段路堤变形的差异．结果表明：路堤加筋技术在桥台附近减载作用明显，随着距桥台距离的增加，减载作用逐渐减弱；路堤加筋技术有效减小了桥台与路堤的差异沉降．最后，对桩体弹性模量、桩径、筋材抗拉刚度、路堤填土黏聚力和路堤填土内摩擦角进行了参数分析．关键词加筋路堤；差异沉降；路桥过渡段；试验研究；数值模拟中图分类号ＴＵ４７３．１文献标志码Ａ文章编号１６７１－４５１２（２０１１）０９－００８７－０４ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｎｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔａｔｂｒｉｄｇｅａｐｐｒｏａｃｈｅｓＺｈａｎｇＪｕｎＺｈｅｎｇＪｕｎｊｉｅＭａＱｉａｎｇＤｏｎｇＹｏｕｋｏｕ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＧｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｒｅｉｎｆｏｒｃｅｔｈｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｆｉｌｌｓｏｔｈａｔｉｔｃａｎｓｏｌｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｅｘｃｅｓｓｉｖｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｕｓｒｅｄｕｃｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓｂｅｔｗｅｅｎｂｒｉｄｇｅａｂｕｔｍｅｎｔａｎｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔａｎｄａｌｌｅｖｉａｔｅｂｕｍｐａｔｔｈｅａｐｐｒｏａｃｈｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｉｌａｂｏｖｅａｎｄｂｅｌｏｗｔｈｅｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｅｌｄｔｅｓｔ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓａｔｔｈｅｂｒｉｄｇｅａｐｐｒｏａｃｈｕｎｄｅｒｔｗｏｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ（ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ）ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｌｏａｄ－ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔａｔｔｈｅｖｉｃｉｎｉｔｙｏｆｂｒｉｄｇｅａｂｕｔｍｅｎｔ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｍｏｄｅｒａｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｂｒｉｄｇｅａｂｕｔｍｅｎｔ；ａｎｄｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｃａｎｒｅｌｉｅｖｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｔｔｈｅｂｒｉｄｇｅａｐｐｒｏａｃｈｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｐａｒａｍｅｔｒｉｃｓｔｕｄｉｅｓｏｎｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓａｎｄｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｐｉｌｅ，ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ，ｃｏｈｅｓｉｏｎａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｆｉｌｌｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ；ｂｒｉｄｇｅａｐｐｒｏａｃｈ；ｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［１－３］路桥过渡段桥台与路堤的差异沉降，使路面的行驶速度和道路通行能力；同时，车辆通过纵坡出现台阶，车辆通过时易发生桥头跳车现路桥过渡段时，产生不利的动荷载，加速了桥台、象，严重影响着行车舒适性和安全性，降低了车辆支座、伸缩缝及路面结构的损坏．收稿日期２０１０－１２－１８．作者简介张军（１９８６－），男，博士研究生；郑俊杰（通信作者），教授，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｊｊ＠ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目国家自然科学基金资助项目（５０９７８１１２）；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目（２００９１３４１）；华中科技大学研究生科技创新基金资助项目（ＨＦ－０８－０１－２０１１－２４０）；山西省交通建设科技项目（１０－２－０５）． ·８８·华中科技大学学报（自然科学版）第３９卷路桥过渡段桥台与路堤填土、路基材料刚度体内部的受力状态，土体中部分应力得到扩散和［４］的较大差异是产生桥头跳车的主要因素．采用转移，从而减小了外部荷载对路堤填土的压缩变土工格栅加筋处理路堤填土能够很好地解决路堤形，使台背与路堤形成一连续渐变式的过渡段．填土的压缩变形问题，但是其理论研究落后于工图１为路堤填土量增加时路堤加筋格栅上、程实践．目前，关于土工格栅加筋方面的研究很［５－８］多，但是无论是现场试验、数值分析还是理论研究，都只是考虑填土加筋的作用．本研究将路堤填土加筋技术与桩承式加筋路堤联合作用应用于黄土地区路桥过渡段，结合长治至安阳高速公路长（治）－平（顺）段某试验段现场工况，设计了路堤加筋试验方案，对格栅上、下表面土压力和格栅变形等数据进行了监测分析；同时，通过数值模拟分析了格栅加筋技术处理台背路堤填土作用机理，１—４０ｃｍ填土格栅上；２—４０ｃｍ填土格栅下；并对设计计算中各重要因素进行了参数分析．３—１００ｃｍ填土格栅上；４—１００ｃｍ填土格栅下．图１格栅上、下表面土压力变化曲线１现场试验分析下表面各测点土压力的变化曲线，图中：ｐ为土压力；Ｌ为距桥台距离．在不同路堤荷载作用下，格１．１工程概况栅上表面各测点土压力相差不大，基本等于路堤长治至安阳高速公路长－平段位于山西省东填土平均土压力γＨ（γ为填土重度；Ｈ为填土高南部．本试验段场地位于长治东枢纽工程度）．但格栅下表面各测点土压力相差明显．随着ＭＣＫ４０＋８２６大桥０号桥台台背处．试验段台背路堤填土的增大，格栅下表面各测点土压力差值路堤顶面宽Ｂ为３４ｍ，填土高度Ｈ为５ｍ，路堤逐渐增大．距桥台１．５ｍ处，格栅上表面各测点坡率为１．０∶１．５．土压力明显大于格栅下表面，格栅加筋减载作用根据试验段具体地质情况综合分析，对台背明显．随着距桥台距离的增大，格栅加筋减载作用路基进行地基处理，对路堤填土进行加筋处理．同逐渐减小．时，本次现场试验新型土工格栅———三向土工格图２为路堤填土量增加时格栅位移计的变形栅．网孔形状从双向土工格栅的矩形变为具有稳曲线，图中α为变形量．可以看出：随着路堤填土定结构的三角形，具有等距离、等角度和等容积的量的增大，格栅位移计变形量逐渐增大，且随着距等边三角形网孔，增强了对粒料的嵌锁作用，提高桥台距离的增大，格栅变形量逐渐减小；距桥台了土工格栅的拉伸模量、网格刚度和抗摩阻力，同１．５ｍ处，格栅变形量最大，格栅在桥台附近所受时肋条厚度和节点有效性也得到改进，从而提高了力学结构性能，使其具有平面受荷各向同性、整［９］体刚度大、结点强度高等优点．路堤加筋处理时，铺设一层三向土工格栅于路堤顶面以下１ｍ处．路基采用桩承式加筋复合地基加固处理．试验段路堤填土加筋部分在路堤中心轴处沿路堤纵轴每隔３ｍ在格栅上下各埋设１个土压力盒，格栅上表面埋设１个格栅位移计，监测分析格栅有效长度以及格栅加筋减载作用．１．２试验结果分析１—４０ｃｍ填土格栅；２—１００ｃｍ填土格栅．土工格栅加筋路堤填土处治桥头跳车时，格图２格栅变形曲线轴力最大，格栅加筋减载作用在桥台附近最显著；栅的一端固定于桥台，利用土工格栅变形的连续距桥台１０．５ｍ处路堤填土对格栅变形影响不性及其高强度、高弹性、大变形特性，将车辆荷载大，格栅有效加筋减载长度为１０．５ｍ左右；但距及上部土体的自重荷载传递至桥台，在台背局部桥台１３．５ｍ处，随路堤填土量增加，格栅变形量范围内，阻止填土沿台背压缩变形．同时，通过格反而增大，结合图２中距桥台１３．５ｍ处格栅下表栅与土体的相互作用，改善了局部荷载作用下土 第９期张军，等：路桥过渡段路堤加筋现场试验和数值模拟分析·８９·面土压力增大的现象，分析其原因可能是路基加为沉降量．可以看出：路堤填土未加筋工况下，路固区外侧沉降大于路基加固区，使格栅产生向下桥搭接处路堤填土顶面沉降较大，与桥台的差异方向拉力，出现距桥台１３．５ｍ处格栅下表面土沉降高达６．０５ｃｍ，随着距桥台距离的增大；路堤压力和格栅变形量反而增大的现象．２数值模拟２．１数值模拟分析有限元分析计算采用岩土工程专业软件ＰＬＡＸＩＳ，在填土与桩体、筋材、桥台的界面设置接触单元来模拟两者之间的相对滑移．通过界面强度折减系数Ｒｉｎｔ来反映由于桩体、筋材、桥台与１—加筋路堤；２—未加筋路堤．填土界面的塑性滑移导致的接触面强度降低．数图４路堤顶面沉降曲线值模拟分析中模型尺寸与现场试验尺寸相同，土填土顶面沉降逐渐增大，但增幅不大；路堤填土采性参数通过现场原位试验和室内试验得到，主要用加筋处理作用后，路桥搭接处路堤填土顶面沉参数见表１，表中：Ｅ为弹性模量；σ为泊松比；ｆ降量很小，与桥台差异沉降为０．６２ｃｍ，只有未加为黏聚力；θ为内摩擦角．筋工况下搭接处差异沉降的１／１０左右；随着距桥表１试验段土性物理力学参数台距离的增大，路堤填土顶面沉降逐渐增大，且增路堤粉质粘粉土砂卵黏土幅较大．在距桥台距离１．５ｍ处，该处路堤顶面填土土层层石层层沉降量约为６ｃｍ，与未加筋工况下路桥搭接处沉Ｅ／ＭＰａ２０．０５．２７．６３０．０２２．１降量相当，表明路堤填土采用加筋处理后对改善－３）１９．０１７．２１７．８２０．１１８．３γ／（ｋＮ·ｍ路桥搭接处的差异沉降作用明显．虽然距桥台３．０σ０．３００．３３０．３３０．３００．３０ｍ处的加筋路堤与未筋路堤顶面沉降量几乎相ｆ／ｋＰａ１６．８１４．２７．６０．０１５．７等，加筋对路堤顶面沉降量作用不大，但是采用加θ／（°）２４．６１８．３１９．７２８．６２１．０Ｈ／ｍ５．０３．５６．０４．０６．５筋技术处理后的路堤顶面在距桥台３．０ｍ范围内形成差异沉降缓冲区，可以有效减小桥头跳车图３为路堤填筑完毕时随着距桥台距离的增现象．大，土压力变化规律对比分析曲线，图中给出了格栅下１０ｃｍ处路堤填土平均土压力γＨ、数值模２．２参数分析以上述工程实例计算参数为基础，分别分析了桩体弹性模量、桩径、格栅抗拉刚度、路堤填土黏聚力和内摩擦角对路堤加筋格栅最大轴力和路桥搭接处差异沉降的影响．图５为路堤填土工况下路基加固区桩体弹性１—实测值；２—数值模拟结果；３—γＨ．图３格栅下表面土压力变化规律拟结果与现场实测值．从图３可以看出：采用数值模拟得到的格栅下表面土压力曲线与现场实测结果曲线的变化规律基本一致，且格栅下表面土压力在距桥台距离较小时，数值模拟结果与现场实测值加筋减载作用明显，随着距桥台距离的增加，图５桩体弹性模量的影响路堤填土压力逐渐增大，两者土压力值趋于路堤模量（Ｅ）对路堤加筋格栅轴力（Ｆ）和路桥搭接处填土平均土压力γＨ，加筋减载作用逐渐减弱．差异沉降（Δｑ）的影响曲线．由图５可见：随着Ｅ图４为路堤填土加筋处理和未加筋处理２种增大，Ｆ逐渐减小，且Ｅ对Ｆ的影响较大；随着Ｅ工况下，路桥过渡段路堤的顶面沉降曲线，图中ｑ增大，路桥搭接处Δｑ非线性减小，Ｅ较小时，Ｅ对 ·９０·华中科技大学学报（自然科学版）第３９卷Δｑ的影响较大，随着Ｅ增大，Δｑ趋于一定值．Δｑ的影响同样很大．当ｆ只有５ｋＰａ时，Δｑ高达图６为桩径（ｄ）对Ｆ和Δｑ的影响曲线．与差２６．８ｍｍ，但随着填土ｆ增大，ｆ的影响有所减异沉降变化规律相似：当ｄ较小时，ｄ对Ｆ的影弱．响较大，当ｄ增大时，ｄ对Ｆ的影响逐渐减小；随图９为路堤填土内摩擦角（θ）对Ｆ和Δｑ的着ｄ的增大，Δｑ非线性变化明显，当ｄ较小时，影响曲线．随着θ的增大，Ｆ线性增大；同时，ΔｑΔｑ对ｄ的变化反应敏感，ｄ对Δｑ的影响较大，当逐渐减小，与ｆ对Δｑ的影响相似，θ对Δｑ的影响ｄ＞０．５ｍ时，ｄ对Δｑ的影响不大，Δｑ趋于一定很大，但影响程度要小于ｆ．值．图９路堤填土内摩擦角的影响图６桩径的影响参考文献图７为格栅抗拉刚度（Ａ）对Ｆ和Δｑ的影响曲线．随着Ａ的增大，Ｆ逐渐增大，但Ｆ增幅较［１］潘晓东，杜志刚，杨晓光．桥头跳车对行车安全影响小，Ａ对Ｆ的影响不大；随着Ａ的增大，Δｑ逐渐评价指标的研究［Ｊ］．同济大学学报，２００６，３４（５）：减小，但Ａ对Δｑ的影响不大，Ａ增大５倍时，路６３４－６３７．桥搭接处Δｑ减小不到１０％．［２］ＳｕＹ，ＺｈｏｕＪ，ＺｅｎｇＱＹ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ－ｂａｓｅｄｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｔｏｐｉｌｅ－ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｂｕｍｐａｔｔｈｅｅｎｄｓｏｆｂｒｉｄｇｅｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，２８（１）：６８－７２．［３］羊晔，刘松玉，邓永锋．软土地基过渡段差异沉降控制标准［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版，２００８，３８（５）：８３４－８３８．［４］俞永华．路桥过渡段差异沉降处治技术研究［Ｄ］．西安：长安大学公路学院，２００５．图７格栅抗拉刚度的影响［５］田小革，应荣华，张起森．应用土工格栅处理软土地图８为路堤填土黏聚力（ｆ）对Ｆ和Δｑ的影基上的桥头跳车问题［Ｊ］．岩土工程学报，２０００，２２响曲线．随着ｆ增大，Ｆ逐渐增大，且增幅明显．（６）：７４４－７４６．ｆ对Ｆ的影响很大；同时，Δｑ逐渐减小，且ｆ对［６］周志刚，郑健龙，宋蔚涛．土工格栅加筋柔性桥台的机理分析［Ｊ］．中国公路学报，２０００，１３（１）：１８－２１．［７］ＹａｎｇＧＱ，ＺｈａｎｇＢＪ，Ｌ¨ｕＰ，ｅｔａｌ．Ｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｇｅｏ－ｇｒｉｄｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｓｏｉｌｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｌｌｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｒｉｇｉｄｆａｃｉｎｇ［Ｊ］．ＧｅｏｔｅｘｔｉｌｅｓａｎｄＧｅｏｍｅｍｂｒａｎｅｓ，２００９，２７（５）：３５０－３５６．［８］郑俊杰，张军，马强，等．双向增强体复合地基桩土应力比三维分析［Ｊ］．华中科技大学学报：自然科学版，２０１０，３８（８）：８２－８６．［９］安东尼．地栅和网格结构：中国，ＺＬ０３１５４７００［Ｐ］．２００３－０６－２７．图８路堤填土黏聚力的影响