加筋路堤三维流固耦合分析.pdf

第37卷第9期建筑技术开发Vo1．37。No．92010年9月BuildingTechniqueDevelopmentSep．2010加筋路堤三维流固耦合分析卢培刚余炜刘永球(1．河南省有色工程勘察有限公司，郑州450016；2．上海大学土木工程系，上海200072；3．湖南省电力勘测设计院，长沙410007)[摘要】应用FLAC3D软件建立了三维流固耦合模型，研究了加筋路堤在静力作用下的加筋特性。通过数值分析比较得出：加筋路堤有效地减小了路面及软土地基顶面的总沉降值和不均匀沉降，能限制整个路堤的横向变形，提高了路堤的整体稳定性；加筋路堤增强了路堤的整体强度，提高了路堤层扩散荷载的能力，大大减小了传至地基中的上部荷载值；另外，随着距路堤中心距离的不断增加，加筋路堤中格栅拉力逐渐减小，逐渐形成“中间大，两头小”的分布形态。[关键词]加筋路堤；土工格栅；流固耦合[中图分类号]U416．12[文献标志码]A[文章编号]1001-523Xf2010)09-0026-03加筋土是一种在土中加入加筋材料形成的复合土。在维流固耦合分析模型，研究了加筋路堤在静力作用下的土中加入加筋材料可以提高土体的强度，增强土体的稳定特性。性。因此，凡在土中加入加筋土材料而使整个土工系统的力1数值建模学性能得到改善和提高的土工加固方法均称为土工加筋技1．1几何模型及荷载条件术，形成的结构亦称之为加筋土结构。加筋可以提高道路的整体强度，减小道路的沉降，同时能显著地降低工程造价。因此，加筋技术已被越来越多的应用于软土地区道路工程中。近年来国内很多研究部门对此做了工作，也有不少工程实例。然而，对于加筋路堤作用机理的研究还不成熟。李艳春等在有限元基础上，利用弹簧单元模型来模拟筋一土之间的相互作用，对土工格栅的受力变形特性进行了分析。指出土工格栅纵肋的拉伸特性和横肋的抗挠刚度是土工格栅结构中影响荷载分布的主要因素。朱湘等利用有限元方法对软土地基上的加筋路堤进行了分析，分析中考虑软土层厚度、加筋模量、加筋层数及位置、加筋一土界面强图1三维计算模型示意度、地基强度和施工速度等因素的影响，提出加筋的效果体本文采用FLAC3D建立了加筋路堤的计算模型。利用现在施工期间对沉降、侧向位移的抑制和降低以及路堤稳定路堤的对称性，所建模型只有半幅路堤，路面宽度6m，路堤性的提高上。土工格栅的抗拉模量、加筋一土的界面强度越高度3m，软土地基深度15m，宽度25．5m，路堤沿长度方向大，加筋的效果越明显，对侧向位移以及沉降的抑制和消减根据对称性取为2m，网格划分情况如图1所示。地基模型作用就越大。徐少曼等在研究加筋路堤作用的基础上，提向路基坡脚外延伸15m，则是为了消除边界效应而通过试算出了多种工程措施，以提高路堤下软基土工织物的加筋获得的。效果。数值模拟的过程主要分为两个步骤：首先是对天然软土然而目前的研究往往都是采用二维的计算模型来研究地基进行初始应力平衡；其次，在建立格栅结构单元后进行加筋路堤，这与实际工程的三维空间分布是有较大区别的，路基及面层的静力流固耦合计算。在静力计算时，将模型底同时，目前的研究也没有考虑流固耦合对加筋路堤性能的影部三个方向的变形完全约束住，而模型四周则仅约束相应的响。基于此，本文采用FLAC3D软件建立了加筋路堤的三水平变形。另外，在进行流固耦合计算时，假设地下水位线位于软土地基表面，其它各面均设置为不透水边界。收稿日期：2010—06—15路堤面层采用线弹性模型来模拟，路堤和软土地基则采作者简介：卢培刚(1976)，男，河南省辉县人，毕业于中南工业大学用莫尔一库伦模型来模拟土体的弹塑性性质。计算参数主(现中南大学)，硕士研究生，国家注册土木工程师(岩土)，现主要从事岩土工程勘察、设计及施工。要引自文献[6—8]，路堤层的粘聚力为10kPa，内摩擦角为26 第37卷卢培刚，等：加筋路堤三维流固耦合分析第9期40。；软土地基层的粘聚力为8kPa，内摩擦角为l5。，渗透系的范围，从而大大减小了软土地基顶面的沉降值。另外，格g＼蛙数为1．0×10m·Pa～·S，其它参数如表1所示。栅的存在也很好的控制了路堤坡脚软土的隆起值。由此可见加筋路堤在减小软土地基顶面总沉降和差异沉降方面具表1模型计算参数勰如有非常显著的效果。吕世2结果分析2．1沉降2．1．1路面沉降图2给出了Y=1剖面上路面dc线上各点在路堤填筑距路基中心距离／m完成后的沉降值。从图中可以看出，两种情况下，路面沉降图3软土地基顶面沉降示意的最大值都发生在路基中心处。且当路堤不加筋时，路面最2，1．3横向位移大沉降达到36．2cm。而在加筋的情况下，路面最大沉降仅图4给出了路堤填筑完毕后，边坡上a、b、c三个监测为22．6cm。这是由于将土工格栅铺设在路堤地面后，土颗点的横向位移值。从图中可以看到，不论加筋与否，水平位粒之间联接强度被强化，土的结构强度增大，增强了加筋路移最大值都发生在路堤坡脚处。不加筋时，路堤坡脚最大堤的整体刚度，对下卧软粘土层起到扩散应力、均化应力重位移值到达15em；加筋时，坡脚位移仅为2．3Cllq。这是由要作用，土工格栅加筋路堤的复合模量提高，抵抗变形的能于格栅和土体之间的摩擦作用约束了土体水平位移的发力增强，整体抗弯抗剪能力增强，能较多地承担外加荷载，增展，从而大大的限制整个路堤的横向变形，提高了路堤的整强了整个地基的稳定性。体稳定性。Cb一0．050．O00．050．100．150123456横向位移／m距路基中心距离／m图2Y：1剖面路面工后沉降示意图4路堤横向位移示意另外，不加筋时，路面的差异沉降较大，为1．7cm；而在2．2地基中的超孔压加筋时，路面基本保持水平。因此，采用土工格栅加筋路堤，图5给出了路堤填筑完毕后，在Y=1剖面上，距路堤中既可以大大减小路面总沉降值，同时又可以很好的控制路面心2m处软土地基中，沿深度方向每隔1in各点超孑L隙水压不均匀沉降的发生。力值。从图中可以看出，不论加筋与否，超孔隙水压力都随2．1．2地基顶面沉降着深度的增加而减小。不加筋时，超孔压最大值达到图3给出了路堤填筑完毕后，Y=1剖面上软土层顶面O．8MPa；加筋时，超孔压最大值为0．71MPa，且各深度处不加筋时的超孔压值都要大于加筋的情况。这主要是由于土ea线上各点的沉降值。从图中可以看出，不加筋时，软土地工格栅与土体之间的相互作用，约束了土体的横向变形，增基顶面沉降最大值为35cm，路堤坡角附近软土层的隆起量强了路堤的整体强度，提高了路堤层扩散荷载的能力，从而较大，达到了12em，差异沉降达到47cm；而加筋时，软土地有效的减小了传至地基中的上部荷载值。基顶面沉降最大值为23cm，坡角附近的隆起量为2．9cm，差异沉降为25cm。这是由于通过格栅对周围土体的加强作(下接第32页)用，加筋路堤将作用在软土地基顶面的上部荷载扩散至更大27 第9期陈晓友：用钢渣砂替代细集料配制混凝土的试验与应用第37卷凝土。土的工作性和力学性能，以及耐久性能都和试验相差无几，5结论取得了很好的效果，是一项绿色环保产业。1)与普通混凝土相比，掺50％以下钢渣砂混凝土的各参考文献项力学性能均比较好。其中，在掺人钢渣后，混凝土的抗弯[1]许远辉，陆文雄，王秀娟．钢渣活性激发的研究现状与发展[J]．强度和劈拉强度有明显改善。上海大学学报(自然科)，2004，10(1)2)钢渣砂混凝土与普通混凝土的抗冻性近似相同，，并[2]黄晓明，潘钢华，赵永利．土木工程材料[M]．南京．东南大学出且抗渗透性好于普通混凝土。版社，20013)最重要的是，改善了环境，变费为宝，降低了混凝土[3]杨华明，张广业．钢渣资源化的现状与前景[J]．矿产综合利用，的单方成本，有很好的社会效益和经济效益。1999，(3)经过多次试验后，考虑混凝土各项性能和经济效益，我[4]李建平，倪文，陈德平．影响大掺量钢渣水泥强度的主要因素探们采用50％的钢渣砂取代率，之后用于多项结构工程，混凝讨[J]．矿物岩石，2003，23(4)(上接第27页)处)与土体实体单元进行刚接，以便模拟实际工程中的包边处理方式。3结语1)加筋路堤既可以大大减小路面总沉降值，同时又可以很好的控制路面不均匀沉降的发生。2)加筋路堤在减小软土地基顶面总沉降和差异沉降方面具有非常显著的效果。3)由于格栅和土体之间的摩擦作用约束了土体水平位移的发展，加筋路堤很好的限制整个路堤的横向变形，提高超孔隙水压力／kPa了路堤的整体稳定性。图5软土地基中超孔隙水压力随深度的变化4)加筋路堤增强了路堤的整体强度，提高了路堤层扩2．3土工格栅拉应力散荷载的能力，从而有效的减小了传至地基中的上部荷图6给出了路堤填筑完毕后，土工格栅拉力沿路堤横断载值。面的变化规律。从图中可以看出，路基中心处土工格栅拉应5)随着距路堤中心距离的不断增加，加筋路堤中格栅拉力最大，达到18．7MPa。随着距路堤中心距离的不断增加，力逐渐减小，逐渐形成“中间大，两头小”的分布形态。格栅拉力逐渐减小，逐渐形成线路“中间大，两头小”的分布参考文献形状。在距路堤中心10m处，土【格栅拉应力只有4MPa，仅[1]邓卫东，陈环，郑玉琨．土工织物加筋软基路堤的试验与计算分为中心处的2l％。一方面，这是由于距路堤中心越近，上部析．天津：天津大学，1989荷载值越大；另一方面，由图3也可看到，在距路堤中心10m[2]俞仲泉，李少青．土工织物加固堤基的离心模型试验．岩土工程处左右，软土地基顶面产生了土体隆起现象。学报，1989，11(1)[3]李艳春，蒋志仁．弹簧单元模型用于分析土工格栅受力特性．中国公路学报，1996，9(4)：38—42[4]朱湘，黄晓明．有限元方法分析影响加筋路堤效果的几个因素．皇土木工程学报，2002，35(6)：86—92[5]徐少曼，林瑞良，康进王．提高路堤下软基土工织物加筋效果的综合措施．中国公路学报，2003，16(2)：42—45塞蛙[6]HuangJ．，HanJ．，OztoprakS．CoupledMechanicalandHydraulicH刊ModelingofGeosynthetic——ReinforcedColumn—-SupposedEmbankments．JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2009，135(8)：1011—1021距路基中心距离／m[7jSaadB．，MitriH．，PoorooshasbH．3DFEanalysisofflexiblepavementwithgeosyntheticreinforcement．Journaloftransportation图6土工格栅拉力沿横断面的分布engineering，2006，132(5)：402—415另外，从图中还可以看到，在距路堤中心10m以后。土工[8]BergadoaD．T．，TeerawattanasukC．2Dand3Dnumericalsimulations格栅拉力叉出现了增大趋势。这是由于在数值模拟过程中，ofreinforcedembankmentsonsoftground．Geotextilesand人为地将土工格栅结构单元最右边的所有节点(：10．5mGeomembranes2008，26(1)：39—5532