竹筋格柵加筋山區挖填路基數值模擬分析初探

(1.中國水利水電第八工程局有限公司 湖南 長沙 410001；2.湘潭大學土木工程與力學學院 湖南 湘潭 411105)

前言

竹材因具有分布廣、生長速度快、可再生以及強度高等優點在土木工程領域得到廣泛應用，竹筋格柵因優良的力學特征及生態環保優點，在一些路基工程[1]、基坑擋墻[2]、文物保護工程[3]中得以應用。但是目前針對竹筋在山區挖填這種特殊路基結構中的應用還鮮見報道，本文擬基于Flac3D有限差分軟件，建立竹筋格柵加筋挖填路基三維模型，探討竹筋格柵在挖填路基中的適應性。

一、竹筋格柵加筋挖填路基數值分析

(一)數值模型構建

本次數值模擬試驗模型以湖南省湘西地區龍永高速公路連線挖填路基K62+345～350路段為原型，路基尺寸為15m×4.3m×10m(長×寬×高)，坡比1：0.466，地基尺寸為20m×4.3m×10m(長×寬×高)，挖填交界臺階高2m，寬1.5m，一共5個臺階；采用Flac3D進行數值分析，試驗分為3種工況，工況1為挖填交界臺階處不加筋、工況2為加土工格柵、工況3為加竹筋格柵，路基模型網格劃分如圖1所示；巖土體屈服準則采用摩爾-庫倫模型，相應的力學參數見表1，土工格柵采用Flac3D自帶的Geogrid單元模擬，力學參數見表2，竹筋格柵采用實體單元進行模擬，本構模型采用各向同性彈性模型，竹筋格柵與填方區土體相互作用以及挖填交界面均使用interface單元模擬，參數見表3；竹筋格柵與土工格柵均從每一層臺階內側延伸至邊坡滿布，分別鋪設5層；

表1 巖土體及竹筋的力學參數

表2 土工格柵的物理力學參數

表3 接觸面單元參數

圖1 路基模型網格劃分

(二)不同工況下差異沉降分析

圖2為不同工況模型計算下路基頂面各點的沉降值，可見，當未對挖填交接面進行加筋處理時，路基頂面最大沉降值達54.11mm，最大沉降與最小沉降值相差30.33mm，路基頂面沉降曲線在挖填交界面處有突變。當在挖填交接面處鋪設土工格柵或者竹筋格柵后，路基頂面最大沉降分別為51.67、48.11mm，最大沉降與最小沉降分別相差28.05mm、24.61mm，最大沉降相比于不加筋分別減少了

4.5%、11.09%，差異沉降相比于未加筋分別減少了7.52%、18.86%，路基頂面沉降曲線相比于未加筋時明顯平滑，有效的協調了挖填交界兩側的變形，且竹筋格柵的加筋效果要優于土工格柵。這是由于土工格柵屬于網膜結構，其抗彎能力相比竹筋格柵較小，在填方區，由于竹筋的抗彎特性，竹筋格柵將分擔大部分豎向壓力，從而土體所受到的豎向壓力減少，減少了沉降量。

圖2 不同工況路基頂面沉降圖

(三)竹筋格柵的鋪設位置對挖填路基頂面差異沉降的影響分析

為了研究挖填交界面臺階處竹筋格柵鋪設層數對挖填路基的影響，本次數值模擬試驗還還設置了4種不同工況，它們分別是，工況a：頂層鋪設竹筋格柵；工況b：中間層鋪設竹筋格柵；工況c：底層鋪設竹筋格柵；工況d：底層、第二層及中間層鋪設竹筋格柵；層數命名如圖3所示

圖3 層數命名

圖4為不同工況下路基頂面沉降值，可見：工況c相比于工況a及工況b，其路基頂面沉降值更低，這表明，若僅在填方區鋪設一層竹筋格柵，則在底層鋪設竹筋格柵的效果最佳；當只在頂層鋪設竹筋格柵時，其路基頂面最大差異沉降值相比于未鋪設竹筋格柵減少了8.4%，當在頂層、中間層以及底層均鋪設竹筋格柵時，其路基頂面差異沉降值相比于未鋪設竹筋格柵減少了16.3%，當在每一層均鋪設竹筋格柵時，其路基頂面最大差異沉降值相比于未鋪設竹筋格柵減少了20%。

圖4 不同工況路基頂面沉降

由前述分析可知，路基頂面差異沉降值并非隨著竹筋格柵加筋層數的增加而線性減少，路基頂面差異沉降值的減小幅度隨著加筋層數的增加而降低，同時，鋪設三層竹筋格柵，其加筋效果與每一層鋪設竹筋格柵非常接近，因此，在工程中，為既保證加筋效果，又能節約人力及物力，建議采取在頂層、中間層及底層鋪設竹筋格柵。

二、結論

(1)挖填交界面鋪設筋材能有效控制路面變形，減少路基頂面差異沉降，且竹筋格柵的加筋效果優于土工格柵。

(2)同時在挖填路基底層、中間層以及頂層鋪設竹筋格柵所產生的加固效果與在每一層均鋪設竹筋格柵的加固效果接近，為在保證加筋效果的同時，提高路基建設的經濟性，建議在填方區底層、中間層及頂層滿布竹筋格柵。