局部软弱地基上加筋路堤作用机理及变形特性研究.pdf

第68卷第6期有色金属(矿山部分)2016年11月doi：10．3969／j．issn．1671-4172．2016．06．017局部软弱地基上加筋路堤作用机理及变形特性研究赖丰文，陈福全，李丽萍(福州大学土木工程学院，福州350116)摘要：局部软弱地基上加筋路堤技术具有施工便捷、造价降低、路基承载力提高、路堤不均匀沉降减少等优点，但其作用机理和变形特性相当复杂，国内尚无相关规范可循。通过拉格朗日描述位移的大变形有限元分析法对局部软弱地基上加筋路堤的作用机理及变形特性进行了研究，侧重分析了该类路堤顶部和底部最大差异沉降、路堤中心轴处分荷比等变化规律。结果表明，局部软弱地基上加筋路堤通过土拱效应和拉膜效应的耦合作用分担了部分荷载，从而有效减小了作用在软弱地基上的荷载；路堤填土层间土拱效应受填土高度和软弱区宽度影响较大，软土压缩系数、加筋体抗拉刚度、软弱区深度对土拱效应影响甚微；局部软弱土与加筋体存在“互补作用”，但现有的设计方法常忽略此点，偏于保守。关键词：局部软弱地基；加筋路堤；土拱效应；拉膜效应中图分类号：TD313文献标志码：A文章编号：1671—4172(2016)06-0075-06Loadtransfermechanismanddeformationbehaviorofgeosyntheticreinforcedembankmentover1ocallyweakfoundationLAIFengwen。CHENFuquan。LILiping(SchoolofCivilEngineering，FuzhouUniversity，Fuzhou350116，China)Abstract：GeosyntheticsisemployedtosupportembankmentoverlocallyweakfoundationSOastoimprovethebearingcapacityoffoundationandreducethedifferentialsettlementofembankment，whichcanbeimplementedeasilyatalowercost．TheloadtransfermechanismandthedeformationbehaviorofreinforcedembankmentarequitecomplexandnocodecanbereferredtOonthisaspect．Finiteelementanalysiswithupdatedmeshtechnology，namelyALE，isusedtOstudytheloadtransfermechanismanddeformationbehaviorofthereinforcedembankmentoverlocallyweakfoundation．Theresearchfocusesonthemaximumdifferentia1settlementofthetopandbaseoftheembankment，maximumtensilestress，efficacyof1oadtransferofcenteroftheembankment，etc．ThestudyshowsthattheloadofreinforcedembankmentonthelocallyweakfoundationcanbereducedeffectivelyduetOthecouplingeffectofthesoilarchingwithintheembankmentfillandmembraneeffectofthegeosynthetics．ThethicknessofreinforcedembankmentandthewidthoflocallyweakfoundationareparameterstOwhichsoilarchingaremoresensitive，whiletheothersincludingthecompressioncoefficientofthesoftsoil，theaxialstiffnessofthegeosyn—theticsandthedepthoftheweakfoundationhaveaslightinfluenceonarchingeffect．Thelocallyweakfoundationandthegeosyntheticsheethaveacomplementaryreactiontomaintaintheembankment，butmostofdesignrulesdonottakethisreactionintoaccounttOoversizethestructure．Keywords：locallyweakfoundation；reinforcedembankment；soilarchingeffect；membraneeffect近年来，随着国民经济快速发展，土地使用日益修建于一些不良地基之上已是十分常见的现象。土紧张，众多基础设施包括公路、铁路、市政道路等需洞在发生塌陷后，地面成了地表径流汇集的场所，大量堆积物日益聚集，使底部逐渐接近蝶形洼地l_】。基金项目：国家自然科学基金资助(41572253)；高等学校博士学科随着时间的推移，塌陷的地表被夷平而无法辨认，土点专项科研基金博导类资助课题(20133514110004)洞被各种类型的软土所充填，形成局部软弱土。局作者简介：赖丰文(1992一)，男，硕士研究生，岩土工程专业，主要研部软弱地基上修建路堤常面l临沉降或不均匀沉降过究方向为土力学与地基基础。 76有色金属(矿IJl部分)第68卷大、承载力不足、整体或局部失稳等问题。解决这些E。一Ef＼【cu苹—1‘(1)问题常规的方法之一是在路堤的底部铺设土工合成f_sm9，材料lI2。局部软弱地基上加筋路堤具有施工便E—E：L，，!!!翌±!翌＼⋯r2、一“～IfCOS+声／sinJ、一捷、降低造价、提高路基承载力、减少路堤不均匀沉式中：各参数定义见表1。降等优点。然而，应当指出加筋路堤的作用机理和本文假设路面设计宽度为24．5m，路堤边坡坡变形特性相当复杂，国内尚无相关的规范可循，理论度为1：1．5，路堤设计高度为6m，分6层填筑，每研究仍落后于实践。层1m并压实，取计算域大小为130m×20m。在目前，国内外学者大都针对桩承式加筋路堤、岩数值模拟过程中，土体用高精度15节点三角形实体溶上方加筋路堤进行研究，但它们之间存在一定的单元模拟，对应土工格栅用5节点土工加筋材料模共性。IE_2等通过数值模拟和模型实验结合的方拟，加筋体与土体之间的作用面由界面单元组成，用法研究了桩承式加筋路堤的作用机理。费康5组节点定义，界面强度折减因子R取0．9。计等u分别通过模型实验和有限元的方法对其工算模型的顶部为自由边界，模型的左右两边设置横作特性进行了分析。郑俊杰等。对路桥过渡段桩向约束即只允许发生竖向变形，模型的下部边界为承式路堤进行了现场试验研究。Blanc等。、Iu固定约束，认为下部土层为不可压缩土层。整个分等、Zhuang等】、藤前良等[也都对桩承式加筋析过程忽略地下水的影响，将地下水位设置在模型路堤进行了研究，他们都指出桩承式加筋路堤的荷底端。计算网格划分如图1所示。为了能够更加准载传递主要为土拱效应和拉膜效应的耦合作用。确地反映加筋对局部软弱地基上路堤的影响，分析Huckert等、Villard等通过有限元和试验拟过程皆采用拉格朗日描述的大变形有限元分析法进合的方法分析了空洞上方加筋路堤的荷载传递机行，即Plaxis2D中的更新网格功能[3”]。理；Tahmasebipoorl1．53等通过有限元研究了下伏土数值模拟分析过程可分为：1)开挖模拟生成土洞的加筋体沉降问题，同时进行了参数分析。Ben—洞并通过重力加载计算地基土的自重应力；2)重置mebarekl对局部软弱地基上加筋路堤的变形问题位移并用软土填筑土洞，形成软弱区；3)在路堤的底进行了研究并提出了大变形分析法能够更加准确地部铺设土工格栅并分层填筑路堤；4)采用更新网格模拟加筋效果，但未对其作用机理进行深入、合理的功能，对各工况塑性分析，得出相应的变形、应力说明。因此笔者在前人的基础上，采用Plaxis2D应变状态等。(Ver．2010)有限元软件研究局部软弱地基上加筋路堤的作用机理及变形特性。1数值模型局部软弱地基上加筋路堤主要由路堤填土、土工合成材料、局部软弱地基土组成。假设局部软弱地基土分别由黏土和淤泥质土组成，软弱地基内充填物刚度往往较低，致使周边地基土体存在卸荷特性，因此为了更加准确地反映地基的变形和加筋路图1网格划分堤各组成部分之间的相互作用。局部软弱地基土选Fig．1Meshdivision用硬化塑性本构模型即Hardening—Soil模型(以下简称HS模型)，土工格栅采用线弹性本构模型，路2荷载传递机理堤填土采用Mohr—Coulomb模型。HS模型是一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为深入研究局部软弱地基上加筋路堤的作用机为的先进模型。在主偏量加载下，土体的刚度下降，理及变形特性，建立基本算例进行数值分析。基本同时产生了不可逆的翅性应变。HS模型采用塑性算例中，路堤几何尺寸参考数值模型章节，在路堤顶理论，而非弹性理论，并考虑了土体的剪胀性同时引部作用均布荷载30kPa，软弱区大小取5nlX6m入一个屈服帽盖。其最基本的特征是土体刚度与应(宽度×深度)；土工格栅抗拉刚度EA一6000kN／m；力水平相关，表现为：各部分土体物理力学参数见表l。 第6期赖丰文等：局部软弱地基上加筋路堤作用机理及变形特性研究表1各部分土体物理力学参数Table1Physicalandmechanicalparametersofsoilsa)辛廊矢量幽研究结果表明，筋材拉膜效应和填土层间土拱一∈__●，一王一效应是研究这类问题的关键。根据刚度差异将地基土定义为支撑区和软弱区。土拱效应是指路堤填土在自重应力和外荷载作用下，由于地基土存在刚度差异，路堤填土相对滑动产生摩擦剪切作用，填土内部进行应力重分布，软弱《b)竖向位移云图区上方竖向荷载将沿着土拱转移至支撑区，最终软弱区应力减小，支撑区应力增大(如图2)。图3路堤填土层间土拱效应Fig．3Soliarchingeffectofthereinforcedembankmentfil1支撑区土体，此现象称为“拉膜效应”(如图4)。“拉膜效应”的发挥与筋材的挠度直接相关。加筋体挠度越大，同种格栅抗拉力越大，拉膜效应越明显，所分担荷载越多’⋯。图5给出了筋材拉膜效应的示意图．说明了土工格栅在上部荷载作用下，筋材内部生成拉伸力即轴力，并发生相应的挠曲变形(如图6)，验证了该类路堤中筋材拉膜效应的存在。综上所述，局部软弱地基上加筋路堤的荷载传图2土拱效应理论示意图递机理主要分量包括：路堤填土层间土拱效应和筋Fig．2Theoreticalillustrationofsoilarchingeffect材拉膜效应。现有的设计理论中，常将两者分开考虑，在土拱效应作用下计算出作用在筋材表面土压图3表明了路堤在发生一定的不均匀沉降后，力，再根据作用力大小，采用拉膜效应得到筋材的变软弱区上方填土内形成了非常明显的位移拱和应力形和内力等，而忽略了两者的耦合作用[2。。笔者拟拱，即填土中产生了土拱效应。通过分析其影响因素．进一步了解加筋体、路堤填土工格栅是柔软的线弹性材料，无法承受压力，土、软弱地基三者之间的相互作用。只能承受拉力，因此在拉伸力的作用下将被拉紧，当上部荷载作用于土工格栅平面时，格栅的变形可视3影响因素分析为“拉膜”，将产生竖向挠曲，接触面土体的呸向变形本节采用基本算例分析，进一步了解影响该类与“拉膜”挠度一致，格栅在拉伸力的作用下保持静路堤的作用机理和变形特性的主要因素。计算参数力平衡，“拉膜”因变形而产生的抗力作用将分担软除特别说明外．均与上述计算模型保持一致，通过分弱区所承受的上部荷载并有效的将上部荷载转移至析局部软弱地基上加筋路堤的最大差异沉降及分荷 78有色金属(矿山部分)第68卷成封闭土拱，所增加荷重大部分通过土拱转移至支一g．v、撂掇景上部荷载撑区，加筋体不需要发生大变形就足以承担所增加H的未被土拱效应转移的部分荷载，加筋路堤中心荷载传递以土拱效应为主，拉膜效应为辅。{：工格栅图4拉膜效应理论示意图Fig．4Theoraticalillustrationofmembraneeffect填筑高度，m(a)路堤最大差异沉降g进蜉昧蝌丑挺05l()152O2530354045水平位置，m(a)加筋体轴力分布填筑高度／m基【b1}：拱效应和拉膜效应分衙比蠢∞30图6路堤填筑高度的影响zrFig．6Influenceoftheheightofembankmentfill{耋10(1(15】()l520253()3．540453．2软土压缩系数的影响水平位置／m图7说明了“越大，路堤最大差异沉降、拉膜效(b)加筋体竖向位移应分荷比越大，而土拱效应分荷比基本保持不变。这说明，路堤在特定尺寸下，无论底部软弱区压缩系图5筋材拉膜效应数如何变化，土拱效应基本保持稳定。事实上，土洞Fig．5Membraneeffectofthegeosynthetics塌陷后，内部充填物(软土)可以减少路堤的差异沉比等变化规律，其中分荷比指加筋路堤中心轴处荷降，在路堤发生一定的差异沉降后，筋材便可发挥拉载传递过程中土拱效应或拉膜效应分担的竖向荷载膜效应，将限制路堤的变形，并且路堤底部差异沉降比例，研究路堤填筑高度H、软土压缩系数n、加筋越大，拉膜效应越明显，因此局部软弱土与加筋体存体抗拉刚度EA、软弱区尺寸(×)等对该类路堤在“互补作用”，但大部分设计常忽略此点，偏于的作用机理和变形特性的影响。保守。3．1路堤填筑高度的影响3．3加筋体抗拉刚度的影响计算结果表明，H<3m时，随着H的增大，路图8给出了加筋体抗拉刚度EA对局部软弱地堤最大差异沉降、土拱效应分荷比增大，拉膜效应分基上加筋路堤的作用机理和变形特性的影响。计算荷比略微减小；H>3m时，继续增大H，路堤底部结果表明，随着EA的增大，路堤最大差异沉降先减最大差异沉降增幅减小，而路堤顶部最大差异沉降小后趋于稳定，拉膜效应和土拱效应分荷比基本趋逐渐减小，分荷比均趋于稳定(如图6)。这说明路于稳定。这说明加筋可以减少路堤的差异沉降，加堤填筑初期，筋材已发挥出拉膜效应，并且拉膜效应筋路堤在特定尺寸和加筋体抗拉刚度范围内，改变较土拱效应显著；H达到临界高度后，填土内形加筋体的抗拉刚度对路堤的荷载传递影响不大。因 第6期g3，艘鼹昧榭嘴赖丰文等：局部软弱地基上加筋路堤作用机理及变形特性研究软土压缩系~／MPa一1加筋体轴向刚度kN·m)(a)路堤最大差异沉降(a)路堤最大差异沉降‘_▲【一一一一一一一一——^一一————一一H^———————————^一一一一一一0·5o．4}1一舌⋯土拱效应寝o．3}000kN，札两一—{一拉膜效应n}m’d-孔m——。一——一一一一一——一』0．ItL一一I一一l————————————————————————————————————。—————一。g。，世媾昧糊螭目世鳝昧堪20004(Y006【XW】8000l【)(Xx1软土鹾缩系数，MPa_加筋体轴向刚f~／(kN·m--)(b)土拱效应和拉膜效应分荷比(b)土拱效应和拉膜效应分荷比图7软土压缩系数的影响图8加筋体抗拉刚度的影响Fig．7InfluenceofthecompressibilityFig．8Influenceofgeosynthetictensilestiffnessparameterofsoftsoil此，可以得出在一定的变形范围内，加筋路堤内部土体剪切机制和荷载传递基本维持稳定。3．4软弱区宽度的影响图9给出了软弱区宽度d对局部软弱地基上加筋路堤的作用机理和变形特性的影响。通过数值计算和归一化处理，d／H越大，路堤最大差异沉降、拉膜效应分荷比皆越大。当d／H>0．8时，路堤最大．2差异沉降增幅加大，原因是d／H越大，路堤填土形成完整土拱所需临界填筑高度越大，即土拱效应减弱，路堤差异沉降增大，作用在加筋体上的竖向荷载增加，筋材拉膜效应更加明显；这也说明土拱效应减弱，作用在加筋体的竖向荷载增大，筋材拉膜效应更＼矗_二明显。翘}一。3．5软弱区深度的影响02图10给出了软弱区深度h对局部软弱地基上L，．1—加筋路堤的作用机理和变形特性的影响。理论分析d，H表明，在相同外荷载作用下，n保持不变，／H越(b)土拱效应和拉膜效应分荷比大，路堤最大差异沉降越大，这与得到的计算结果相符合，同时筋材拉膜效应更明显；d保持不变，路堤图9软弱区宽度的影响填土差异沉降足够大时，填土内形成完整的土拱，土Fig．9Influenceofthewidthoflocallyweakzone拱效应基本保持稳定。 80有色金属(矿山部分)第68卷因素对路堤水平位移、破坏模式、承载力等的影响，丑柱这些问题仍有待进一步研究和探讨。㈣吕三50胃I卜十一导一加无筋一加一路筋堤路顶堤部底部MPa-，=6m．拈，5一一／一一／：’参考文献逝[1]常士骠，苏民．工程地质手册[M]．北京：中国建筑工业出版蛙社，2007．蟠[2]IEHB，VILLARDP．Embankmentsreinforcedbypilesand。辛：==琦一．geosynthetics-Numericalandexperimentalstudiesdealingwiththetransferofloadonthesoilembankment[J]．()8o．91】．1l2EngineeringGeology，2009，106(1)：78—91．[3]BENMEBAREKS，BERRABAHF，BBENMEBAREKN．Effectofgeosyntheticreinforcedembankmentonlocallyweak(a)路堤最大差异沉降ZOFxesbynumericalapproach[J]．ComputersandGeotechnics，2Ol5，65：】15—125．▲～一⋯⋯一^⋯[4]ZHANGC，JIANGG，LIUX，eta1．Archingingeogrid—reinforcedpile—supportedembankmentsoversiltyclayofA=I二拱效应mediumcompressibility：Fielddataandanalyticalsolution[J]．EA=6000kN／m，a=2．0口拉膜效应ComputersandGeotechnics。2016，77：1l一25．MPa-l,H=6m，扛5m——土拱效应变化规律[5]BLANCM。RAULTG，TH0REIL。eta1．Centrifuge__-拉膜效应变化规律investigationofloadtransfermechanismsinagranular一一一一I一一一一一mattressabovearigidinclusionsnetwork[J]．Geotextilesand一一Geomembranes，2013，36：92—105．(1[6]YUY，BATHURSTRJ，DAMIANSIP．Modifieduniteell0．50．8(】．9l1．11．2approachformodellinggeosynthetic_reinf0rcedcolumn—supportedHembankments[J]．GeotextilesandGeomembranes，2016，44(b)】=拱效应和拉膜效应分荷比(3)：332—343．[7]LUW。MIAoL．Asimplified2-Devaluationmethodofthearchingeffectforgeosynthetic—‘reinforcedandpile—supported图l0软弱区深度的影响embankments[J]．ComputersandGeotechnics，2015，65：97Fig．10Influenceofthedepthoflocallyweakzone一】03．r8]ZHUANGY，wANGKY，IIUHI．Asimplifiedmodeltoanalyzethereinforcedpiledembankments[J]．Geotextilesand4结论Geomembranes，20l4．42(2)：l54—165．[9]费康，陈毅，王军军．加筋形式对桩承式路堤工作性状影响的1)局部软弱地基上加筋路堤通过土拱效应和拉试验研究口]．岩土工程学报，2012，34(12)：2312—2317．膜效应的耦合作用分担了部分荷载，从而有效减小[1o]郑俊杰，张军，马强，等．路桥过渡段桩承式加筋路堤现场试验研究[J]．岩土工程学报，2012，34(2)：355—362．了作用在软弱地基上的荷载。[11]费康，刘汉龙，高玉峰．路堤下现浇薄壁管桩复合地基工作2)路堤填筑初期，拉膜效应便可发挥，在低填方特性分析[J]．岩土力学，2004，25(9)：1390—1396．[123藤前良，胡澜忠．土拱效应及土工格栅拉膜效应数值分析路堤中，拉膜效应较土拱效应显著，随着路堤填筑高[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2013，32(3)：424度的增加，土拱效应增强，大于临界高度后，路堤中—428．13fHUCKERTA，BRIANC()NI，VILLARDP，eta1．Load心荷载传递以土拱效应为主，拉膜效应为辅。transfermechanismsingeotextile—reinforcedembankments3)土拱效应受填土高度和软弱区宽度影响较overlyingvoids：Experimentalandanalyticalappr。aches[J]．G-eotextilesandGeomembranes．2015．大，软土压缩系数、加筋体抗拉刚度、软弱区深度对1l41V1LIARDP，HUCKERTA，BRIAN~ONI．Loadtransfer土拱效应影响甚微。随着路堤填土高度增加，土拱mechanismsingeotextile—reinforcedembankmentsoverlyingvoids：Numericalapproachanddesign[J]．Geotextilesand效应增强，大于临界高度后，土拱效应趋于稳定。软Geomemhranes，2016，44(3)：38l一395．弱区宽度越大，土拱效应越弱。15】TAHMASEBIPOORA，N()()RZADR．SHO00SHPASHAE，eta1．Aparametricstudyofstabilityofgeotextile—4)局部软弱土与加筋体存在“互补作用”，但现reinforcedsoilaboveanundergroundcavity[J]．Arabian有的设计方法常忽略此点，偏于保守。局部软弱土JournalofGeosciences，2012，5(3)：449—456．[16]陈福全，吕艳平，侯永峰．桩承加筋式路堤的承载机理研究和加筋均可以减少路堤差异沉降，路堤发生一定差[J]．铁道学报，2007，29(4)：74—79．异沉降后，筋材发挥拉膜效应，将限制路堤变形，路I171VERMEERPA．Plaxis：finiteelementcodeforsoilandrockanalyses[J1．RBJBrinkgreve．Delft，Netherlands，2002．堤底部差异沉降越大，拉膜效应越明显。[18]TERZAGHK．Theoreticalsoilmechanics[M]．NewYork．5)局部软弱地基上加筋路堤的作用机理和变形JohnWileyandSonsInc，1943．[19]包承纲．土工合成材料界面特性的研究和试验验证[J]．岩石特性的影响因素分析中，还应考虑软土蠕变、加筋体力学与工程学报，2006，25(9)：l735—1744．徐变、排水固结等影响。本文未能分析局部软弱地[20]费康，陈毅，王军军．桩承式路堤土拱效应发挥过程研究[J]．岩土力学，2Ol3，34(5)：1367—1374．基上加筋路堤的作用机理和变形特性，也未研究各