基于數值分析的土工格柵橫向加筋對浸水路堤的沉降變形影響研究

李宏杰，郭康，周鈺杰

（云南建設投資控股集團有限公司國際工程部，云南昆明650000）

1 工程背景

萬萬高速公路是老撾磨丁口岸至萬象高速公路中的萬榮至萬象段，該高速公路起于萬象市，終于萬榮市，向北經瑯勃拉邦對接中國磨憨口岸，順接G8511昆明至磨憨高速公路；向南連接老撾—泰國邊境的老泰友誼大橋，連接泰國廊開區境內的高速公路，是亞洲昆曼國際大通道的重要構成部分，此高速公路的設計全長達460余公里，其中第一段萬象至萬榮高速公路的全長為109.1km。

由于萬萬高速地處熱帶雨林地區，該高速公路穿行地段高溫多雨，年平均氣溫處于25℃~28℃之間，全年雨季長，年降水量大，可達2000mm以上。萬萬高速公路南段地處萬象平原地帶，地勢平緩，河道稀疏，排水條件差；此外，萬萬高速公路與中老鐵路并肩而行，當雨季來臨的時候，鐵路與公路之間會產生大量雍水，盡管公路和鐵路均設有排水涵洞，但涵洞間距較遠，且兩側地勢平緩，排水效果較差。在典型的熱帶雨林區，高溫多雨是其明顯的氣候特征，導致其高速公路在建設期和運營期存在大量的雨水。水會對土質路基的強度和變形產生重要的影響，是導致路基病害的關鍵因素，長期浸水的高速公路路基很容易受到水的侵蝕和軟化，水的綜合影響將危機高速公路路基的安全，常常引發公路路基土體的軟化、顆粒流失，并進一步導致路基的翻漿冒泥、整體失穩、邊坡垮塌等一系列的病害，對行車安全產生重大危害，甚至會阻斷道路交通，造成巨大的經濟與安全損失。

采用土工格柵橫向加筋是地基加固的常用方法，本文擬采用數值分析方法研究土工格柵橫向加筋對浸水路堤沉降變形的影響，研究土工格柵布設參數對路基沉降變形產生的不同影響，以期為浸水路堤的加固處理提供技術方案的選項。

2 土工格柵橫向加筋浸水路堤數值模型構建

為了研究萬萬高速公路土工格柵橫向加筋對浸水路堤穩定性的影響，本研究擬采用有限元分析方法進行數值分析，對土工格柵的不同加筋參數對路基沉降變形影響規律進行研究。

2.1 模型構建

建模的路基橫斷面頂寬46m，路基橫坡坡度設定為0°，縱坡坡度取0°，邊坡坡率取68.2°，土體的本構模型采用摩爾—庫侖模型進行模擬，在分析時由于填方路基可以歸納為軸對稱平面應變問題，依照對稱性原則完成對模型的假設：①土的滲流速率恒定可以忽略時間的影響；②土為彈塑體；③土體中水的流動遵從達西定律；④土是連續且土體均勻；⑤車輛荷載取20kPa。采用FLAC3D有限元軟件建立公路模型，并完成對模型的網格劃分，由于地基在變形中位移量較小，因此劃分較為稀疏；路基在變形中的位移量相對來說較大，因此在劃分網格的時候較為密集，在不影響計算精度的同時，加快計算進程。在對邊界施加約束時，考慮實際情況，對路基底部采用完全約束；對地基橫向施加約束，豎向不施加約束。見圖1。

圖1 網格劃分示意圖

2.2 模型參數選取

數值模型中土工格柵、地基土體、墊層、路堤材料釆用Mohr-Coulomb本構模型，參數不僅易確定而且其反映實際受力和變形能力較好。樁體按照線彈性模型確定相關參數，物理力學參數包括彈性模量E和泊松比。模型中主要材料的物理力學參數如表1所示。

表1 材料參數和單元形式

土工格柵主要選取型號為TGSG50的雙向土工格柵，其技術指標參見表2。

表2 土工格柵技術指標

3 數值分析結果

3.1 有、無格柵沉降模擬

選擇邊坡坡率為1∶0.75的路基進行數值計算，對鋪設（土工格柵的敷設厚度去0.9m）和未鋪設土工格柵兩種工況的路基沉降情況進行分析，計算得到如圖2所示的沉降量結果，a沉降曲線為設置了土工格柵的路基沉降量，b為未設置土工格柵的路基沉降量，對比分析可知，對比未鋪設土工格柵的情況，鋪設格柵路堤的路基沉降量下降了8%~12%，而未鋪設土工格柵時的最大沉降量達到了500mm。

從圖2還可以看出，路基沉降量最大位置處于路堤中心點，距離路堤中心點位置越遠則沉降量隨之減小。

圖2 路堤沉降量

3.2 格柵間距改變沉降模擬分析

為了進一步分析土工格柵鋪設參數變化對土質路基工后沉降產生的影響，主要考慮了土工格柵鋪設間距差異的影響，分別考慮了不鋪設土工格柵以及鋪設間距分別為600mm、900mm、1200mm、1500mm等四種情況，數值分析的結果如圖3所示。如圖可知，隨著土工格柵的鋪設間距加密，土工格柵的加筋作用越來越明顯，路堤的沉降量持續減小，其中鋪設間距為0.6m時，土工格柵加筋對路堤沉降量的降低作用最為明顯。

圖3 不同格柵間距的路堤沉降量

3.3 變化路堤坡度時沉降分析

路基坡率是影響路基邊坡穩定的重要因素，同時也會對路基的沉降產生直接影響，為研究不同坡率對路基沉降量所產生的影響，本文針對加筋間距0.9m的路堤，分別選擇了1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5等五種常見坡率進行了數值分析，研究坡率對路基沉降量的影響規律，數值分析結果如圖4所示。

圖4 不同坡度有格柵時路堤表面的沉降

由圖4可知，隨著坡率不斷變換，路堤沉降量也不斷降低，對比坡率1∶1.5和坡率1∶0.5的路堤沉降量，總的路堤沉降增大了8cm左右。路堤邊坡坡率越緩，沉降量就越大，由此可見，路堤坡度變陡會導致路堤沉降量變小。由此可見，加筋路堤對沉降的影響存在著顯著的尺寸效應。究其原因，很可能是因為隨著路堤坡率變大，路堤底部寬度不斷加大，路堤的荷載產生了顯著的擴散效應，此時在路堤中鋪設土工格柵所產生的荷載擴散效果受到削弱，土工格柵所產生的緩解路堤沉降的加筋效果就被顯著削弱。

4 結語

本文基于室內試驗得到的物理力學參數構建了有限元數值分析模型，對路堤中鋪設土工格柵影響路堤沉降特性的效果進行數值計算，研究表明土工格柵鋪設參數會影響路堤的沉降變形規律，研究得出的主要結論如下：

（1）在路堤中鋪設土工格柵能夠產生顯著的擴散效應，當土工格柵的豎向鋪設間距為0.9m時，能夠產生總沉降量降低8%以上的效果，本文的分析結果與相關文獻的試驗結果較為吻合。

（2）路堤的最大沉降量發生在路堤中心位置，隨著土工格柵的鋪設間距加密，土工格柵的加筋作用越來越明顯，路堤的沉降量持續減小，其中土工格柵鋪設的豎向間距為0.6m時，土工格柵加筋對路堤沉降量的降低作用最為明顯。

（3）加筋路堤對沉降的影響存在著顯著的尺寸效應，路堤邊坡坡率越緩，沉降量就越大，土工格柵的加筋效應越弱，路堤坡度變陡會導致土工格柵的加筋效應變得更加顯著。