加筋路堤边坡的变形特征数值模拟研究.pdf

总654期2023年第24期（8月 下）0 引言山区公路修建过程中，路基边坡稳定性是影响公路工程正常施工和运营的重要工程问题之一。既有研究表明，影响路堤边坡稳定性的主要因素包括降雨、填筑土层的物理力学性质及环境改变等因素。目前相关研究主要集中于路堤边坡的稳定性计算和路堤边坡的防护措施研究等方面。袁仕贵和唐小军1基于流固耦合理论系统地研究了降雨条件下土体的饱和度、孔隙水压力及有效应力对路堤边坡的稳定性影响。结果表明，边坡土体饱和度随相遇时间的增加呈现出先快速上升后趋于稳定的特点。钟昌茂等2基于瑞典条分法和简化毕肖普法，提出基于桩体强度的路堤边坡稳定性分析桩-土分算法。结果表明，文中提出的计算理论对于路堤边坡稳定性计算具有很好的适用性。李丽华等3基于振动台模型试验，开展了复合加筋路堤边坡的离心机试验。研究表明，加筋方式对加筋抗震效果比未加筋的边坡效果更好。杨庆等4基于室内小型模型试验研究了不同坡比、不同土工格栅和加筋层数对边坡稳定性影响。结果表明，路堤边坡加筋能大幅提高边坡的稳定性和承载能力。冯晓静等5开展了现场原位的土工格栅加筋路堤测试分析，系统地分析格栅类型和加筋间距对路堤结构性能的影响。结果表明，双向格栅在降低土压力方面比单向格栅的作用更显著。王志斌等6基于室内模型试验研究了土工格栅加固的填方路堤性能试验。结果表明，土工材料可以明显改善填方路堤边坡的稳定性及承载力，能够大幅减小路堤的水平位移和竖向沉降变形。本文依托某公路路堤边坡实际工程。开展数值模拟计算，系统地研究了采用土工格栅进行路堤边坡加固的有效性，讨论了格栅间距在不同情况下对边坡变形特征的影响，本文的研究可为相关工程设计及施工提供参考。1 基本原理在进行有限元数值模拟中，合理的材料本构模型及参数选取是正确计算的关键。对于本文而言，涉及的材料参数主要有土体和土工加筋材料参数。其中，对于岩土体材料而言，土体是一种各向异性的非均质材料，这导致材料在外力作用下具有非常复杂的应力应变关系。目前关于土体材料的本构模型有多种，常用的有摩尔-库伦本构模型和DP本构模型等。其中摩尔-库伦本构模型是目前最为普遍采用的模型，具有参数较少且方便易取值的优点。其中摩尔-库伦本构模型的屈服面函数为式（1）：F=Rmcq-ptan-c（1）式（1）中，为土体的内摩擦角；c为土体的内聚力；Rmc为 控 制 屈 服 面 在 平 面 的 形 状，其 计 算 公 式为式（2）：Rmc=13 cossin()+3+13cos()+3tan（2）式（2）中，为极偏角，cos=r3q3；r为第三偏应力不变量。由于摩尔-库伦本构模型在屈服面上存在尖角不收敛的问题。为了解决不收敛的问题，ABAQUS采用修正的塑性势面如式（3）：G=()c|0tan2+()Rmcq2-ptan（3）式（3）中，为土体的剪胀角；c为内聚力；为偏心系数。Rmc的计算方法为：收稿日期：2023-01-18作者简介：朱琳（1990），女，山东济南人，讲师，研究方向为路桥工程。加筋路堤边坡的变形特征数值模拟研究朱琳1，朱世林2（1.山东工程职业技术大学，山东 济南 250000；2.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250000）摘要：为研究土工格栅加筋对路堤边坡变形影响特性，本文采用强度折减法开展了土工格栅加筋路堤边坡稳定性研究。结果表明：土工格栅可以改善边坡内部的应力状态，从而有效减小路堤边坡的沉降，起到稳定边坡的作用；减小土工格栅布置间距可以大幅提高边坡的有效刚度，加筋间距越小，对路堤边坡的增强效果越显著，对本文所依托工程而言，0.8m为最优间距；采用强度折减理论可以有效模拟路堤边坡在不同状态时的稳定状态，对于分析路基工作状态是科学有效的。关键词：路堤边坡；变形特征；土工格栅；数值模拟；稳定性中图分类号：U416.1文献标识码：B108交通世界TRANSPOWORLDRmw=4()1-e2cos+()2e-12()1-e2cos+()2e-14()1-e2cos2+5e2-4e（4）强度折减法是目前边坡稳定性计算的重要方法之一。基本原理是通过折减系数Fs对土体的内摩擦角和内聚力进行折减，然后采用有限元进行应力应变的计算。当计算达到不收敛时，作为边坡失效的判据。此时极限状态对应的折减系数为边坡的稳定性系数。强度折减 法 中 内 摩 擦 角 和 内 聚 力 的 折 减 方 法 为 式（5）（6）：cr=c/Fs（5）=arctan(tan)/Fs)（6）式（5）和（6）中，cr为折减后土的内聚力；为折减后土的内摩擦角。2 工程概况及数值模型2.1 工程概况及模型研究区位于某公路沿线路堤边坡，边坡采用两级对称形式，中间设有2.5 m马道平台，坡比为11。为保证模型的准确性，模型高度为21 m，坡顶高度14 m。由于边坡的对称性，建立二维平面模型，模型的边界条件为：左右两侧约束水平位移，底部为固定约束，顶面为自由面。建立的数值模型如图1所示。土体采用摩尔-库伦本构模型进行计算。根据室内土工试验，计算所采用的物理力学参数见表1。土工加筋材料参数如表 2 所示。土工格栅采用 Truss 单元模拟，只能受拉，不能受压。土工加筋材料和土体的接触采用嵌入式接触模拟。图1 数值模型图表1 岩土体物理力学参数岩土类型路堤土地基重度/（kN/m3）2221弹性模量/MPa5886泊松比0.310.29内聚力/kPa914内摩擦角/3440表2 土工格栅物理力学参数岩土类型路堤土厚度/m0.05弹性模量/GPa40切向刚度/（MPa/m）2 300泊松比0.31内聚力/kPa0摩擦角/302.2 计算假定与计算工况由于摩尔库伦模型为理想的弹塑性本构模型，为了提高计算效率，做了以下两点假设：1）土体为均匀的各项同性材料，且忽略温度的影响。2）根据强度折减理论，当模型达到不收敛的时候，认为该路堤边坡发生了破坏。数值模拟中计算工况，主要考虑了有加筋和无加筋两种方式，加筋间距主要考虑0.4、0.5、0.8、1.0 m；加筋长度统一设置为14 m。3 计算结果与分析3.1 相同折减系数下加筋间距对路堤变形分析图2和图3给出了路堤边坡在相同的强度折减系数下，路堤边坡的竖向位移和侧向变形随距路堤中心点距离及边坡高度的变化规律。图2表明，随着加筋间距的不断减小，路堤的竖向沉降逐渐减小，当加筋间距相同时，竖向变形随距路堤中心点的距离增大而增大。在加筋间距为0.4 m时，竖向位移最大值出现在距路堤中心0 m处，最大值为11.6 mm；竖向位移最小值出现在距离路堤中心14 m处，最小值为9.5 mm。当加筋间距增大为1.0 m时，侧向位移最大值出现在距路堤中心0 m处，最大值为11.8 mm，侧向位移最小值出现在距路堤中心14 m处，最大值为11.2 mm。由此可见，减小加筋间距对于控制竖向变形有显著的作用。其中，最大沉降幅度可减小7.9%。图3表明，相同折减系数下，路堤侧向位移变化规律与图2基本一致。减小加筋间距可以降低路堤的侧向位移，但加筋间距对侧向位移的影响表现为边坡高度越大，影响越大。在相同的加筋间距时，边坡的侧向位移随路堤高度的增大而减小。在加筋间距分别为0.4、0.5、0.8和1.0 m时，侧向位移分别为5、5.5、6.5和 7 mm。此外，当加筋间距由 1.0 m 减小至 0.4 m 时，侧向位移减小最大幅度为28%。3.2 极限状态下加筋间距对路堤变形分析图4和图5给出了路堤边坡在极限状态下，路堤竖向位移和侧向变形随距路堤中心点距离及边坡高度的变化规律。图4表明，随着加筋间距的不断减小，路堤的竖向沉降变化不显著。此外，加筋间距为 0.4 m 和0.5 m及0.8 m和1.0 m的沉降曲线基本相同。总体来看，在极限状态下，土工加筋材料间距越小，其承担的最大变形越大。图 5 表明，极限状态下，0.4 m 和 0.5 m 加筋材料下，侧向位移变化规律及极限值的变化趋势基本相同；0.48 m和1.0 m加筋材料下，侧向位移变化规律及极限值变化趋势基本相同。极限状态下，相同的加筋间距109总654期2023年第24期（8月 下）时，边坡的侧向位移随路堤高度的增大而减小。表明加筋间距越小，使用的土工材料越多，边坡的有效刚度越大，对应的控制变形的能力越强，且变形能扩散范围越大，边坡越安全。图4 极限状态时路堤竖向位移图5 极限状态时路堤侧向位移4 结论本文依托某路堤边坡项目，基于数值模拟，研究了土工加筋材料间距改变对边坡变形的影响，结论如下：1）采用土工材料的路堤边坡可以显著减小路堤边坡的沉降。其中边坡初始变形发生在坡脚位置处，并沿着一定角度向上扩展，土工材料可以改善边坡内部的应力状态，从而起到稳定边坡的作用。2）减小土工格栅布置间距可以大幅提高边坡的有效刚度，从而有效控制边坡的变形，加筋间距越小，对路堤边坡的增强效果越显著。但如果间距过小，会大幅增加工程造价，对本文而言，土工格栅0.8m间距为最优间距。3）采用强度折减理论可以有效地模拟路堤边坡在不同状态时的稳定状态，对于合理分析路基工作状态是科学有效的。参考文献：1 袁仕贵，唐小军.基于流固耦合分析降雨条件下路堤边坡稳定性J.中国水运，2022（8）：149-151.2 钟昌茂，邱恩喜，魏永幸，等.基于桩体抗剪强度的复合地基路堤稳定性分析方法J.水文地质工程地质，2020，47（5）：100-107.3 李丽华，任增乐，李广信，等.复合加筋路堤边坡振动台模型试验J.西南交通大学学报，2017，52（3）：496-504.4 杨有海，夏琼，苏在朝.双灰桩加固黄土路堤边坡稳定性分析及应用J.路基工程，2006（4）：41-43.4 杨庆，季大雪，栾茂田，等.土工格栅加筋路堤边坡结构性能模型试验研究J.岩土力学，2005（8）：1243-1246，1252.5 冯晓静，杨庆，栾茂田，等.土工格栅加筋路堤现场试验研究J.大连理工大学学报，2009，49（4）：564-570.6 王志斌，李亮，邹金锋，等.斜坡地基上加筋路堤工作性状及稳定性研究J.岩土力学，2008（8）：2189-2192.图2 相同折减系数时路堤竖向位移变化规律图3 相同折减系数时路堤侧向位移变化规律110