加筋土-锚杆组合支护式路堤工作机理研究.pdf

第34卷第1期公路交通科技Vol．34No．12017年1月JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentJan．2017doi:10．3969/j．issn．1002-0268．2017．01．006加筋土-锚杆组合支护式路堤工作机理研究1,2,31,234任非凡,徐超,许强,王冠(1．同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092;2．同济大学土木工程学院,上海200092;3．地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059;4．上海理工大学环境与建筑学院,上海200093)摘要:以宜-巴高速公路某加筋土路堤断面为研究对象,结合现场监测数据,采用弹塑性有限元计算程序对加筋土-锚杆组合支护结构的变形受力特性进行研究,并针对筋材刚度、加筋间距、坡后锚杆连接与否等因素进行参数分析。主要研究结果表明:加筋土路堤中相邻阶梯水平位移变化幅度较大,且坡后台阶处出现较大不均匀沉降,需保证此处填土的压实度;加筋土路堤最大水平位移和垂直位移随着筋材轴向刚度的增加而减小;随着加筋间距的增加,加筋土路堤的安全系数相应减小,各加筋体承担的荷载不断增大;锚杆与加筋体连接情况下最大水平位移和垂直位移均较未连接的情况要小,安全系数提高。关键词:道路工程;加筋土-锚杆组合支护;数值计算;变形破坏特征;路堤中图分类号:TU441文献标识码:A文章编号:1002-0268(2017)01-0039-07StudyonWorkingMechanismofReinforcedSoil-anchorCombinedSupportingEmbankment1,2,31,234RENFei-fan,XUChao,XUQiang,WANGGuan(1．KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2．SchoolofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;3．StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduSichuan610059,China;4．SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)Abstract:Takingacross-sectionofreinforcedembankmentofYichang-Badongexpresswayastheresearchobject,combingwithon-sitemonitoringdata,thestressanddeformationcharacteristicsofthereinforcedsoil-anchorsupportingstructurearestudiedusinganelastic-plasticfiniteelementprogram,andtheparametricanalysisonthereinforcementstiffness,reinforcementspacing,boltconnectionconditionsatbackslope,etc．iscarriedout．Themainresultshowsthat(1)thereisanobviouschangeinhorizontaldisplacementbetweenadjacentembankmentsteps,andlargerdifferentialsettlementisfoundaroundthebackslopestepwherethedegreeoffillcompactionshouldbeguaranteed;(2)themaximumhorizontalandverticaldisplacementsdecreaseofthereinforcementwiththeincreaseofaxialstiffnessofreinforcement;(3)thesafetyfactordecreaseswiththeincreaseofreinforcementspacing,andthegeogridwillbearlargerload;(4)whenanchorsareconnectedwithgeogrids,themaximumhorizontalandverticaldisplacementsbecomesmallandthesafetyfactorincreasesaccordingly．Keywords:roadengineering;reinforcedsoil-anchorcombinedsupport;numericalcalculation;deformationandfailurecharacteristics;embankment收稿日期:2015-11-26基金项目:国家自然科学基金项目(41302221);中央高校基本科研业务费专项资金项目(20140800);湖北省交通科学研究计划项目(2011-700-3-42);高等学校博士学科点专项科研基金项目(20120072120033);地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金项目(SKLGP2017K020)作者简介:任非凡(1980-),男,山西芮城人,博士,副研究员．(feifan_ren@tongji．edu．cn) 40公路交通科技第34卷0引言1工程概况加筋土技术自20世纪60年代中期法国人Henri湖北省宜巴高速公路所处地貌单元属构造剥蚀Vidal发明以来,以其优良的受力特性和抗震性能,丘陵地貌区,山体相对高差约150~220m,自然坡已经在边坡、挡墙、路堤和地基等领域得到广泛应角37°~47°。路基段出露或钻探揭露地层主要为第[1-3]el+dl3r用。在山岭地区修建高速公路时,为控制线路四系残坡积(Q)及新元古代(Pt)地层。为4的倾斜度和弯曲度,特别在通过一些宽度较窄的沟充分利用隧道开挖产生的弃土,其YK72+940．500谷时,最常采用方案是高填方路堤,加筋土技术的至YK73+034．500段路基采用加筋土结构进行处理。[4-5]使用更增加了其经济性和适用性。然而,常规该段路基位于雾渡河南岸低山斜坡地带一冲沟处,加筋挡墙由于其自身结构要求,加筋长度一般不小冲沟与路线呈大角度相交,在94m长的填筑路基段[6-7]于0．7倍的墙高,这样一方面增大了挡墙宽落,加筋路基高度从8~50m不等;因受地形限制,度,多占用建设空间;另一方面增加了填方量,提坡率从1∶1至1∶0．5变化,某些断面无法满足规范加高了工程造价。鉴于此,“加筋土-锚杆组合支护筋长度(0．7H)要求。鉴于此,采用加筋土-锚杆结构”这一工法很好地解决了这个问题。它不但能组合支护进行修筑路堤(图1),加筋土部分采用无满足结构安全性,大大缩短加筋长度(一般取墙高面板式加筋土结构,即通过筋材反包进行修筑,并的0．2~0．3倍即可),墙体坡比可达1∶0．05,高设计基岩锚杆以提供加筋土路堤的抗水平位移能力;度可达40m,而且还能有效地节约用地和填料,同时,为满足加筋土路基的整体稳定性要求,加筋减少征地以及大面积开挖造成的费用并在工程完工路基底部挖出强风化岩至稳定岩体,然后设置片石后,其表面能快速生长植被形成生态屏障,已被成混凝土平台作为加筋土路基的基础。[8-11]功地应用于边坡治理等工程实践中。目前有关加筋土-锚杆组合支护结构的设计和施工多基于工程经验,对其受力特性及破坏模式研究的报道较[12-13]少。Lee等人采用离心机模型试验对顶部加载作用下加筋长度小于0．7倍墙高的加筋土挡墙变形[14]特征进行了研究;董健等人采用极限平衡法对加筋土路堤进行了计算分析,阐述了增设坡底支撑墩、岩层锚杆、调整加筋层间距和长度等增强山区加筋土路堤的稳定性和控制变形能力的工程措施。图1加筋土-锚杆组合支护式路堤典型断面图[15]徐超等人利用离心模型试验,对加筋土-锚杆(单位:cm)组合支护模型的沉降、水平位移、土压力分布等规Fig．1Typicalcross-sectionofreinforcedsoil-anchor律进行了分析。combinedsupportingembankment(unit:cm)综上所述,已有研究主要采用模型试验和极限2数值模型的建立平衡理论分析对加筋土挡墙(L≤0．7)或加筋土-锚杆组合支护结构进行探索性研究,对加筋土-锚2．1计算剖面选择杆组合支护变形受力特性及破坏机理的系统研究尚本文选择典型断面YK73+005．5(见图1)进不多见。本文以宜巴(宜昌至巴东)高速公路某加行计算分析,其中,路堤宽度46．34m,其断面填土筋土-锚杆组合支护结构典型断面为研究对象,结高度接近40m,坡率为1∶0．5。岩体材料为中风化合现场监测结果,采用弹塑性有限元程序对加筋花岗片麻岩;基础采用C20片石混凝土;土工格栅土-锚杆组合支护结构的变形受力特征进行研究,采用某材料公司生产的HDPE单向土工格栅;回填并针对筋材刚度、加筋间距、坡后锚杆连接与否等土采用附近隧道开挖产生的弃碴,由于弃渣颗粒粒因素进行参数分析。研究成果不但可以丰富加筋土径悬殊,在填方施工时需去除粒径超过15cm的块结构理论,而且还可为加筋土-锚杆组合支护结构石;锚杆为ϕ28水泥砂浆钢筋锚杆,孔径75mm。的设计计算提供理论依据。该断面采用3种加筋间距进行施工,其中第1阶梯 第1期任非凡,等:加筋土-锚杆组合支护式路堤工作机理研究41加筋边坡的加筋间距0．5m,第2阶梯加筋边坡的加145m。模型左右两侧和下部设置水平及垂直位移零筋间距为0．6m,第3、4阶梯加筋边坡的加筋间距边界,计算单元采用15节点平面应变三角形单元,为0．75m。受该处地形地势的限制,路基底部加筋同时对土工格栅和锚杆周边的网格进行加密以增加空间未满足规范0．7H要求,因此加筋路基底部设置计算精度。了多层锚杆以保证路基稳定,其断面模型图如图22．2材料本构模型与参数选取所示。为避免边界效应,保证计算精度,加筋土路(1)各类介质的本构模型与参数堤两侧计算范围取不小于3~4倍的加筋土长度,下该计算断面共包含岩体、片石混凝土基础、土部计算范围取不小于1倍坡高,模型长434m,高工格栅、回填土、锚杆5种材料介质,其中,岩体、片石混凝土采用摩尔-库伦模型,土工格栅采用弹塑性格栅单元,锚杆采用弹性模型,回填土采用Hardening-Soil模型。Hardening-Soil模型是一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型土体行为的先进模型,其使用塑性理论,考虑了土体的剪胀性,并引入了一个屈服帽盖反映土体的塑性体积应变,图2计算断面模型图模型参数通过排水三轴试验和固结仪试验获得。各Fig．2Calculationmodelofcross-section种材料介质的模型参数见表1、表2。表1岩土体计算参数表Tab．1Calculationparametersofrockandsoilmass重度/弹性模黏聚力/内摩擦角/refrefref介质材料模型泊松比E50/kPaEoed/kPaEur/kPam-3量/MPakPa(°)(kN·m)岩体摩尔-库伦25．83．7×1040．2249052————圬工摩尔-库伦27．07．0×1040．1760045————填土H-S18．7——10495．9×104450．55．3×101．8×10refrefref注:E50为标准排水三轴试验中的割线刚度;Eoed为主固结议加载中的切线刚度;Eur为卸载/重新加载刚度;m为刚度应力水平相关幂指数。表2加筋及锚固材料计算参数表严格按照施工顺序进行,即:①岩石地应力平衡;Tab．2Calculationparametersofreinforcementand②岩体开挖并安设锚杆;③开挖风化岩体并修筑混anchormaterial凝土圬工基础;④修建第1阶梯边坡并分层连接锚轴向刚度EA/最大轴向拉力Np/杆和土工格栅;⑤修建第2阶梯边坡;⑥修建第3介质材料模型(kN·m-1)(kN·m-1)阶梯边坡;⑦修建第4阶梯边坡;⑧运用强度折减土工格栅弹塑性1．2×10490法计算安全系数。锚杆弹性1×105—3．1深层水平位移对比(2)加筋土相互作用以及土工格栅-锚杆连接图3和图4分别为该断面水平位移等值线图以处理及水平位移对比图。由图3可知,最大水平位移分筋土相互作用以及土工格栅-锚杆连接方式的布于加筋土路堤中部,位于边坡第2、3台阶之间,处理直接影响数值计算结果。因此,在本模型中,最大位移值为0．32m。图4(a)为数值计算结果与各层土工格栅与填土之间设置界面单元,根据工程现场测斜监测值对比图(测斜管位置见图3),由图可知,计算结果与现场实测结果符合较好。另外,现场情况,R取0．9,可真实模拟土工格栅与填土inter#由于1测斜管的埋设深度仅20m,从数值计算结果之间的摩擦作用,当滑动力超过最大摩擦力时,土#来看,1测斜管在20m深度处已有28．7cm的位移,工格栅和填土将发生相对滑动。土工格栅与锚杆的因此,其测斜曲线仅能反映此处的相对水平位移分连接采用弹塑性弹簧单元来模拟,其轴向刚度EA取#布情况。鉴于此,图4(b)展示了1测斜管埋设点7．3e6kN,L取1．0m,F取91．632kN。spacingmax,tens从坡顶向下延伸32m深度处的水平位移分布图,由3结果与分析图可知,该测斜剖面水平位移的最大值并非出现在为真实反映加筋土变形的受力规律,本次计算测斜管的顶部,而是出现在第3阶梯台阶与第4台 42公路交通科技第34卷阶之间,为30．1cm,且在第2,3台阶以及第1,2中1-1′剖面线的最大垂直位移为19．4cm,2-2′剖#台阶之间均出现了水平位移突变。图4(c)为2测面线的最大垂直位移为12．9cm。因此,现场施工时#斜管水平位移分布图,由于2测斜管布设地点并非在台阶处应保证填土的压实度以满足加筋土路堤整位于边坡顶部,而是位于第3台阶的第4加筋层坡面体稳定性要求。处,此处正好位于本剖面的最大水平位移范围内,因#此2测斜管水平位移分布呈现从上到下依次减小的趋势,且在第1,2台阶处出现水平位移的小幅突变。图5垂直位移等值线图Fig．5Verticaldisplacementcontours图3水平位移等值线图Fig．3Horizontaldisplacementcontours图6加筋土路堤坡后台阶处垂直位移分布图Fig．6Distributionofverticaldisplacementonslopestepsofreinforcedembankment3．3土工格栅受力对比图7为计算断面不同埋深处土工格栅应变分布对比图,由图可知,本次数值计算结果与现场监测-3注:水平位移Ux极值(b)为300．53×10m;(c)为320．53×结果符合较好,最大应变量为0．42%,分布在坡顶-310m下36m处土工格栅中部。图8为选定不同埋深处土图4水平位移计算结果与现场实测结果对比工格栅轴力分布图,其中,坡顶下36m处土工格轴Fig．4Comparisonofcalculatedandmeasuredresultsof力值最大,轴力值为50．5kN/m。且从图可知,不horizontaldisplacement同埋深处的土工格栅,其轴力分布规律不一,有的3．2垂直位移处在土工格栅中间部位,如坡顶下36m处;有的则图5为计算断面垂直位移等值线图。垂直位移分布在土工格栅尾部,如坡顶下16,28m处,这与最大值位于坡顶靠近坡面处,其值为67．9cm。图6加筋土路堤的受力变形情况是相关的。另外,按照为加筋土路堤坡后台阶处垂直位移分布图,坡后台图中所示的轴力最大值,可大致勾画出加筋土路堤阶处由于填土厚度不同出现较大的不均匀沉降,其内部破坏形式的潜在破裂面。 第1期任非凡,等:加筋土-锚杆组合支护式路堤工作机理研究43图9不同加筋模量情况下位移和安全系数对比图Fig．9Comparisonofdisplacementsandsafetyfactorsunderdifferentreinforcementmoduli图7土工格栅应变计算与监测结果对比图Fig．7Comparisonofcalculatedandmeasuredresultsofgeogridstrains图10不同加筋间距下加筋边坡安全系数对比图Fig．10Comparisonofsafetyfactorsunderdifferentreinforcementspacing进行对比。图10为3种不同加筋间距下的加筋边坡安全系数对比图。由该图可知,随着加筋间距的增图8土工格栅轴力分布图加,加筋边坡安全系数不断减小,从加筋间距0．4mFig．8Distributionofgeogridaxialforces的2．28降为0．8m的1．67,可见加筋体间距对边坡3．4参数分析的稳定性影响较大。(1)筋材刚度图11为不同加筋间距坡顶下36m处轴力对比为研究加筋模量对加筋土变形受力行为的影响,图,由图可知,随着加筋间距的增大,各加筋体分分别采用8000,12000,16000kN/m3种不同轴向担的荷载也在不断增大。最大轴力由加筋间距0．4m刚度的土工格栅进行了数值计算。同时,采用强度的41．5kN/m增至0．8m的67．6kN/m,可见实际折减法,对加筋边坡的安全系数进行计算。图9为3工程中如增大加筋间距,需相应增加加筋体的抗拉种不同加筋模量情况下的最大水平位移、最大垂直强度。位移以及加筋边坡安全系数对比图。由图可知,随(3)筋材与锚杆连接与否着加筋体轴向刚度的增加,最大水平位移与最大垂为研究坡后锚杆连接与否对加筋边坡变形受力直位移均相应减小。加筋边坡安全系数随着加筋体行为的影响,对坡后锚杆与土工格栅连接和未连接轴向刚度的增加不断增加,但后期增长速率减缓并两种情况进行了对比分析。图12为锚杆与筋材连接未呈现线性增长,可见加筋模量增加至一定程度后或不连接时最大水平位移、最大垂直位移以及安全对边坡稳定性贡献逐渐减小。系数对比图,由图可知,加筋体与锚杆相连接的情(2)加筋间距况较未连接的情况最大水平位移和最大垂直位移均为研究加筋间距对加筋土变形受力行为的影响,有所减小。虽然模拟结果说明坡后锚杆的连接对边分别采用0．4,0．8m两种加筋间距与施工设计方案坡的变形控制和稳定性均有贡献,但就本工程而言, 44公路交通科技第34卷图11不同加筋间距坡顶下36m处筋材轴力对比图13坡后锚杆连接情况下加筋土路堤剪应变云图(单位:%)Fig．11ComparisonofreinforcementaxialforceatdepthofFig．13Shearstrainnephogramofreinforcedembankment36munderdifferentreinforcementspacingsunderconnectinganchoratbackslope(unit:%)由于较好的填土质量和严格的施工质量控制,坡后锚杆对施工阶段边坡变形控制的贡献均未得到较大程度的体现。另外,由图12可知,坡后锚杆与筋材的牢固连接可使加筋土体与岩质边坡更紧密结合,对加筋边坡的稳定性具有较好地加强作用。图14坡后锚杆未连接情况下加筋土路堤剪应变云图(单位:%)Fig．14Shearstrainnephogramofreinforcedembankmentundernotconnectinganchoratbackslope(unit:%)提供依据。主要结论如下:(1)最大水平位移出现在加筋土路堤中上部,加筋土路堤不同阶梯之间水平位移变化幅度较大,垂图12锚杆与筋材连接与否位移与安全系数对比图Fig．12Comparisonofdisplacementsandsafetyfactors直位移最大值处于坡顶靠近坡面处,加筋土路堤坡后underconnectinganchor-reinforcementornot台阶处出现较大不均匀沉降,应保证此处的压实度。图13、图14分别为锚杆与加筋体连接和未连接(2)随着加筋体轴向刚度的增加,最大水平位两种方式下加筋土路堤剪应变云图。由图可知,锚移与最大垂直位移均相应减小,加筋边坡安全系数杆与加筋体连接情况下边坡的剪切应变可达相应增大;随着加筋间距的增加,加筋边坡安全系473．6%,而锚杆与加筋体未连接情况下边坡的剪切数不断减小,各加筋体分担的荷载不断增大;应变达到282．8%就发生了稳定性破坏,同样说明坡(3)土工格栅与锚杆连接情况下最大水平位移后锚杆的连接对边坡的稳定性贡献较大。同时由两和最大垂直位移均较未连接的情况有所减小,加筋图可以看出该断面加筋土路堤的滑动面形状与分布边坡安全系数提高。这说明筋锚连接有利于控制加情况,其破坏方式属混合破坏,结合土工格栅轴力筋土路堤变形,提高边坡的稳定性。计算结果和加筋范围,上部第2,3,4台阶加筋坡(4)本断面加筋土路堤的破坏方式为混合破坏,体破坏面位于各加筋层外部,下部第1阶梯加筋坡上部第2~4阶梯加筋坡体破坏面绕过各层加筋体,体破坏面穿越各加筋体,表现为土工格栅的拉断。下部第1阶梯加筋坡体破坏面穿越各加筋体,表现为土工格栅的拉断。4结论参考文献:综上所述,通过与监测结果对比,本次数值计References:算结果能够较好地反映该断面加筋土路堤的行为特征,可为加筋土-锚杆组合支护结构的推广与应用[1]黄向京,许桂林,杨果林,等.加筋格宾新型组合支 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