土工格栅加筋高填方路基应力变形模拟分析.pdf

文章编号:():./.土工格栅加筋高填方路基应力变形模拟分析吴永妍(山西交通控股集团有限公司运城南高速公路分公司 运城市)摘 要:为合理确定高填方路基土工格栅加筋层数通过建立计算模型进行数值模拟分析并通过现场监测进行验证 数值模拟分析结果表明采用五层土工格栅加筋效果最佳可明显降低高填方路基土压力及沉降 分析现场监测结果得出土工格栅加筋后的路基土压力和沉降下降明显加筋效果明显 关键词:土工格栅加筋高填方路基土压力路基沉降数值模拟中图分类号:.文献标识码:引言在山区高速公路设计与施工中高填方路基是一种常见的路基形式 由于其填方高度大路基自重大对地基的压力较大路基压缩沉降和地基沉降量也较大 高填方路基占地面积大填方工程量大施工时间长 对压实质量要求高施工不当很容易产生不均匀沉降破坏道路结构 因此高填方路基工后沉降是施工质量控制的重点施工中应从填层厚度、碾压施工和压实质量检测等方面进行控制并采取措施降低高填方路基的应力应变提高路基稳定性 土工格栅强度高、耐腐蚀、柔韧性好在竖向荷载作用下与路基填料相互作用可提高土工格栅水平拉力控制路堤不均匀沉降 土工格栅的埋置层数对控制高填方路基沉降的影响较大文章重点对土工格栅加筋设置层数进行研究依托高速公路高填方路基施工案例采用有限元软件建立计算模型对无格栅和不同层数的土工格栅加筋路基的土压力和沉降进行数值模拟计算分析确定土工格栅设置层数并结合工程现场监测结果对比确定高填方路基应力应变的变化规律确定土工格栅的加筋效果 工程概况某高速公路路基设计宽度为 采用双向四车道设计行车车速为 /局部路段车速为/高速公路位于山岭重丘区地形起伏较大最大高差约 沿线分布有多处高填方路堤和深挖路堑 公路沿线地质状况良好个别路段穿越采空区应做好勘察设计 该施工区域地表水主要为大气降水地下水位较低雨季地下水位有所上升且地下水无腐蚀性 施工区域四季分明夏季多雨湿润春秋季节干旱少雨冬季干燥少雪降雨时间主要集中在 月和 月其他月份降雨量少 年平均降雨量为.年平均气温为.段为填方路基路基最大填方高度为.最小填方高度为.其中 段填方高度为 路基设计宽度 为高填方路基 为提高高填方路基的稳定性在路堤填筑过程中设置双向塑料土工格栅自路堤顶部每隔 设置一层共设置 层土工格栅 路堤边坡分两级一级边坡坡度为 二级边坡坡度为 .为合理确定土工格栅的设置层数采用有限元软件建立计算模型进行数值模拟分析并通过施工实践验证 高填方路堤变形有限元模拟分析.模型建立以 段高填方路堤为研究对象根据设计资料建立有限元计算模型 高填方路堤高度为 下部地基计算深度为 采用有限元软件建立计算模型时将路堤填料和土工格栅看作一个整体自由划分为若干单元格 利用弹簧单元模拟路基土与土工格栅之间的界面特性根据土工格栅的受力特性设置土工格栅属性使其只北方交通 年 第 期承受拉应力 土工格栅与路基填土之间的接触采用约束命令设置用嵌入关系模拟二者之间的相互作用将土工格栅嵌入到路堤相应位置 由于路堤具有对称性选取一半路堤作为研究对象确定计算范围网格划分如图 所示图 高填方加筋路基有限元分析网格划分图约束条件:高填方路堤计算模型中地基土水平和竖直两个方向均约束路堤填土竖直方向也为约束 路堤纵向前后两个方向设定为水平约束路堤横断面方向左右两个面也设定为水平约束 采用弹簧单元代替土工格栅分为无格栅、层格栅共 种情况进行数值模拟分析路堤填料与地基土计算参数如表 所示土工格栅计算参数如表 所示表 路基填料与地基土主要计算参数项目容重/(/)泊松比粘聚力/内摩擦角/()空隙比弹性模量/填料.地基土.表 土工格栅计算参数项目单位面积质量/(/)泊松比格栅厚度/粘聚力/摩擦角/()双向格栅.数值模拟计算结果分析.土压力分析为合理确定高填方路基土工格栅加筋设置层数分别对无格栅、层格栅 种情况进行数值模拟分析 土工格栅选用 双向塑料土工格栅上部压力荷载为 对上述 种情况路基土压力进行计算 利用计算模型模拟不同格栅层数下同一标高层的土压力计算距离路基中心线不同位置的竖向土压力整理计算结果绘制不同加筋方式路基土压力变化曲线如图 所示图 不同加筋方式路基土压力变化曲线分析曲线变化趋势可知随土工格栅加筋层数的增加路基土压力随之下降其中无土工格栅加筋的路基土压力最大 层土工格栅加筋路基土压力最小说明土工格栅层数越多土压力越小 通过对比分析 层土工格栅加筋路基土压力降幅较小 层土工格栅加筋路基土压力下降幅度最大因此路基土压力随土工格栅的设置层数增加而减小但格栅层数的增加也会增加施工成本增大施工难度因此选取 层土工格栅作为最优设置层数.沉降分析通过软件模拟高填方路基的施工工序按照填土 加筋 填土的施工顺序进行逐级加载分层计算路基沉降对不同加筋方式的路基沉降进行数值模拟计算整理距路基中线不同位置的路基沉降计算结果绘制不同加筋方式路堤沉降变化曲线如图 所示图 不同加筋方式路堤沉降变化曲线分析图 曲线变化趋势可知随土工格栅加筋层数的增加路基各部位沉降变形不断下降无土工格栅加筋路基沉降量最大加筋 层、层路基沉降量下降幅度较大且加筋 层沉降量最小 路基中部沉降较大边缘沉降较小这是由于路基中部应力较大与上述土压力计算结果相同 通过对比分析土工格栅加筋层数为 层、层时路基沉降下降幅 年 第 期 吴永妍:土工格栅加筋高填方路基应力变形模拟分析度均较大因此在优先考虑经济性的情况下最优设置层数为 层而在优先考虑降低路基沉降的情况下最优设置层数为 层 高填方路基现场监测结果分析.路基内部土压力监测结果分析以 段高填方路堤为研究对象在路基填筑施工过程中对路基竖向土压力进行监测 为分析路堤填筑过程中不同深度土压力的变化情况按无格栅和有格栅两种情况在路堤内部分三层埋设土压力盒埋设布置如图 所示 有格栅断面布置 层土工格栅施工工序与无格栅断面相同 土压盒选择 微型土压力盒经标定合格后按要求埋设在监测断面 每层埋设 个压力盒分别位于路基中心线和距左、右两侧边缘 位置最下层压力盒布置在地基顶面以上 上下两层高度差为 在路堤填筑施工中做好土压力盒的保护如路堤内有渗水情况应做好防水图 土压力盒布置示意图在路堤填筑施工过程中读取土压力盒监测数据对比分析无格栅和有格栅上、中、下三层竖向土压力的变化情况 收集整理路基各层竖向土压力监测结果绘制无格栅和有格栅路基土压力变化曲线如图 和图 所示图 无格栅路基各层土压力变化曲线分析图 和图 所示曲线变化趋势随着填筑高度的增加路基自重不断增加各层路基土压力也随之增大且总体呈现施工前期增速较快后期增速图 格栅加筋路基各层土压力变化曲线逐步减缓的趋势 对比分析无格栅和有格栅加筋路基断面土压力变化趋势可知加筋后路基各层土压力明显下降无格栅路基上、中、下三层土压力最大值分别为.、.和.采用土工格栅加筋路基上、中、下三层土压力最大值分别为.、.和.加筋后各层土压力均有一定程度的下降下降幅度分别为.、.和.在土工格栅加筋作用下路基填料压实过程中产生了一定的摩阻力约束路基的侧向变形施工过程中降低土压力在路基中的扩散.路基沉降监测结果分析同样以 段高填方路堤为研究对象在路基填筑施工过程中对路基沉降进行监测 为分析路堤填筑过程中的沉降情况在施工过程中埋设沉降板采用水准仪对路堤沉降变形情况进行监测 沉降板尺寸为 上部测杆直径为 在路基填筑过程中分节加长 沉降监测采用 型水准仪按照二等水准测量方法进行监测测量精度为 路基沉降板布置见图 整理监测数据绘制无格栅和有格栅路基沉降变化曲线如图、图 所示图 无格栅路段路堤底层沉降变化曲线分析图 和图 曲线变化趋势路基沉降随路基填筑高度的增加而增加在观测初期路基沉降增速较快而后增速逐步趋缓这是由于施工前期填料北方交通 年 第 期图 土工格栅加筋路段路基底层沉降变化曲线密实度低逐步压实稳定后沉降速率下降 路基中央沉降量最大两侧较小这是由于路基中部应力较大 通过对比分析可知采用土工格栅加筋后路基沉降量明显下降无格栅加筋监测断面 个测点最终沉降量分别为 、和 加筋后各测点最终沉降量分别为、和下降幅度分别为.、.、.土工格栅加筋后产生拉伸变形限制了路基土的竖向位移降低了路基的最终沉降量 结论结合高速公路高填方路基施工实践分别采用建立计算模型和现场监测两种方法对有无土工格栅加筋的路基土压力和沉降进行分析得出以下结论:()根据计算模型数值模拟分析结果采用 层土工格栅加筋路基土压力下降幅度最大土工格栅加筋层数为 层、层路基沉降下降幅度均较大综合分析确定土工格栅层数为 层()现场监测结果表明采用 层土工格栅加筋后路基各层土压力下降幅度分别为.、和.这是由于加筋后土工格栅限制了土压力的扩散作用加筋后路基各测点最终沉降量分别下降.、.和.这是由于土工格栅的拉伸变形限制了路基土的竖向位移()路基土压力和沉降现场监测结果略高于数值模拟计算结果这是由于计算过程中未考虑气候和部分现场荷载的影响计算结果准确综上采用 层土工格栅加筋较为合理加筋后路基土压力和沉降明显下降加筋效果明显参考文献 肖克楠.公路路基加宽土工格栅加筋施工技术研究.交通世界():.赵瑜.上覆荷载对高填方路基土工格栅加筋效果影响.山东交通科技():.吴超魏巍.公路路基加宽土工格栅加筋技术研究.运输经理世界():.张民.高填方土工格栅加筋路堤稳定性分析.天津建设科技():.蔺凤宇.路堤加筋土拉拔稳定性试验研究.黑龙江交通科技():.(.).年 第 期 吴永妍:土工格栅加筋高填方路基应力变形模拟分析