土工格栅加筋软基路堤的有限元分析

　　摘要：利用有限元软件Plaxis对某试验段高速公路路堤进行数值模拟分析，通过土工格栅加筋与未加筋两种情况下的对比，来分析加筋对软基路堤最大沉降量、路面不均匀沉降以及地基土侧向位移的影响。
　　关键词：土工格栅；软基路堤；沉降；侧向位移
　　1引言
　　随着我国经济的高速发展，基础建设的迅猛发展，在软土地区兴建高速公路、机场跑道等高等级道路是不可避免的。软土地区的地基具有含水量大、压缩性高、抗剪强度低、透水性差、受荷后变形大的特点，而且软土的抗剪强度较低，压缩性较大。因此，如果不进行加固处理，在此种地基上填筑路堤会产生过大的沉降和不均匀沉降，给道路带来极大的病害，严重影响路面的行车安全。为了保证路堤的稳定和道路的正常使用，需对软土地基进行加固处理。利用土工格栅加筋处理软基路堤就是一种行之有效的方法。
　　土工格栅是一种理想的加筋材料，具有加筋、反滤、排水和隔离等多种功能，在岩土工程中被广泛采用。本文结合Plaxis程序，用有限元法对土工格栅加筋处理软基路堤的效果和机理进行了数值模拟分析。通过对土工格栅加筋和不加筋这两种情况下路堤最大沉降量、路面不均匀沉降以及地基土侧向位移的比较，了解土工格栅加筋对软基路堤变形的影响，得出的结论是：土工格栅加筋能减小路堤最大沉降量、改善路面不均匀沉降以及有效地限制和减少地基土侧向位移。
　　2Plaxis程序简介及本构模型
　　2.1Plaxis程序简介
　　本文运用了荷兰研发的岩土工程通用有限元软件Plaxis程序，采用二维有限元数值模拟分析手段，对软土地基上的加筋路堤进行模拟，适合于变形分析。
　　2.2本构模型
　　土体的本构关系采用了Mohr——Cuolomb模型，它属于弹性——理想塑性模型，这一模型采用Mohr——Cuolomb屈服破坏准则和不相关联的流动法则。
　　土工格栅单元的本构关系简化为线弹性，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维单元。
　　在Plaxis程序中，为了模拟土工格栅与土的相互作用，引入了界面单元的概念。本文采用的接触面单元是无厚度的Goodman单元，它概念清晰，应用简单，能较好地模拟接触面之间的变形。加筋与土之间的应力传递取决于加筋——土的界面强度。而界面单元的强度等于周围土体的强度乘以土与界面单元的摩擦系数Rinter，因此参数Rinter反映了两者相互作用的程度。当土与土工格栅变形一致，两者之间没有相对滑动时，Rinter=1，而当两者有相对滑动时，界面单元的强度低于周围土体的强度，Rinter<1。一般地，对于真正的土与结构相互作用的问题，界面单元比周围土体更为软弱，Rinter<1。Mohr——Cuolomb准则可以用来区别界面单元的弹性力学性能和塑性力学性能，当界面处于弹性状态时，它的位移很小，而当界面单元进入塑性状态时，会出现永久的滑动面。
　　3土工格栅加筋对位移的影响
　　3.1数值模拟模型的建立
　　本模型取自某试验段高速公路路堤，路面宽24m，路堤高6m，坡率为1:1.5。由于是平面对称模型，取中轴平面对称右半面部分进行分析，模型总长50m，高16m。根据资料，地基土土层分为两层，每层5米，上部为粘土，下部为软弱土层；路堤部分底层有一50cm厚的砂垫层，上部为压实后的土石混合填料，分为三层施工，从下到上依次为2m、2m、1.5m。Plaxis程序中的土工格栅是柔软的线弹性单元，它不能承受压力，只能承受拉力。土工格栅铺设于路堤底部砂垫层上，它的强度参数用轴向刚度EA表示，一般约为105kN/m。有关反映土与土工格栅相互作用的接触面强度参数Rinter一般选取路堤土Rinter=0.67，砂垫层Rinter=0.58。土体模型采用Mohr——Cuolomb模型，路堤土均为排水模型，地基土均为不排水模型，其物理力学性质指标如表1所示，几何模型图如图1所示。
　　表1土的物理力学性质指标
　　土层 天然
　　容重 饱和
　　容重 杨氏模量 泊松比 粘聚力 内摩擦角 水平渗透系数 垂直渗透系数 接触面摩擦系数
　　 
　　   
　　-  
　　-
　　路堤土 土石混合料 17.5 20 20000 0.3 20 34 1.0 1.0 0.67
　　 砂垫层 16 20 30000 0.3 1 30 1.0 1.0 0.58
　　地基土 粘土层 15 18 1000 0.33 2 24 
　　-
　　 软弱土层 17 17 2000 0.35 10 15 
　　-
　　图1几何模型图
　　3.2数值模拟结果与分析
　　通过数值模拟结果可得，未使用土工格栅加筋的路堤最大沉降量为770.65×10-3m，而加筋处理后的路堤最大沉降量为549.33×10-3m。可见，路堤最大沉降量显著减小，它对于减小路堤最大沉降量起到了非常大的作用。
　　为了研究在加筋与不加筋两种情况下路面不均匀沉降量的差异，从路面中点起往路边依次选取五个不同的点：A(0，16)，B(3，16)，C(6，16)，D(9，16)，E(12，16)，其中A点为路面中心点。加筋对路面不均匀沉降的影响如图2所示。从图中可看出，加筋很好地改善了路面不均匀沉降。
　　为了研究在加筋与不加筋两种情况下坡脚侧向位移的差异，从坡脚往下沿地基垂线每隔1米选取10个不同的点，其中最上面的为坡脚点。图3表示加筋对坡脚垂线下地基土侧向位移的影响。从图中可以看出，坡脚垂线下4m内，加筋软基路堤有效地限制和减少了地基土侧向位移，而4m外效果不太明显。同时还可以看出加筋软土地基的最大侧向位移在地表下大约2m处的位置。
　　加筋和土之间的应力传递取决于加筋——土的界面强度，即土工格栅与土界面的摩擦系数Rinter。为了比较不同接触面摩擦系数对路堤最大沉降量、路面不均匀沉降以及地基土侧向位移的影响，改变接触面与周围土体的摩擦系数Rinter，将其从0.58改变为0.65，0.5，0.4，0.3，0.2进行数值分析，分别分析不同的Rinter对应的位移值。通过分析，接触面摩擦系数Rinter与路堤最大沉降量也是成相反的关系。摩擦系数Rinter越小，路堤最大沉降量越大，当摩擦系数Rinter小到一定程度时(Rinter<0.2)，路堤最大沉降量会很大，对路堤也就起不到加固的作用；反之，摩擦系数Rinter越大，路堤最大沉降量反而越小，但是当摩擦系数Rinter大到一定程度时(Rinter>0.6)，路堤最大沉降量增量趋于0，影响效果越来越不明显，再要增大摩擦系数Rinter也就没有意义。摩擦系数Rinter越大，对改善路面不均匀沉降作用也越大，可以大大改善道路病害给行车带来的危害，还可以更为有效地限制和减少地基软土的侧向位移。
　　4结论
　　由上述分析，可初步得出以下结论：
　　1) 土工格栅作为筋材加筋软基路堤减小了路堤最大沉降量，改善了路面不均匀沉降，有效地限制和减小了地基土侧向位移，减少道路病害，在实际工程中有明显的作用。
　　2) 在坡脚垂线下4m内，加筋软基路堤有效地限制和减少了地基土侧向位移，而4m外效果不太明显。同时还可以看出加筋软土地基的最大侧向位移在地表下大约2m处的位置。
　　3) 在路堤土中用土工格栅加筋，土工格栅作为抗拉材料，与土产生相互摩擦作用，增大土工格栅与土体的摩阻力，使土工格栅上下面的土粒受到约束，有利于减小路堤最大沉降、改善路面不均匀沉降以及有效地限制和减小地基土的侧向位移，增加路堤本身的变形刚度和整体性，从而提高土体的抗剪强度，减少道路病害的发生，有利于路面行车安全。
　　参考文献
　　[1]黄晓明,朱湘.公路土工合成材料应用原理.北京:人民交通出版社,2001.9
　　[2]《土工合成材料工程应用手册》编写委员会编.土工合成材料工程应用手册.北京:中国建筑工业出版社,1994

《土工格栅加筋软基路堤的有限元分析》

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