加筋材料對公路路堤變形穩定影響

0 引言

路堤是用于道路或其他基礎設施工程中的一種結構物，它通過在地面上構建一系列相互連接的土體來支撐和保護其下的路基[1-2]。為了確保路堤的穩定性和耐久性，工程師們經常使用土工格柵來加固路堤表面，以提高其整體性能。然而在實際應用中，加筋路堤可能會因為多種因素而出現變形問題，這些因素包括但不限于材料性質、施工質量、外部荷載作用以及環境條件等。因此針對土工格柵加筋路堤變形的研究顯得尤為重要。

大量學者對土工格柵加筋路堤進行研究。范鵬慧[3]研究了不同土工格柵加筋方案對路堤變形的影響，通過數值模型進行分析，對不同加筋方案在控制路堤內部的豎向位移以及坡面水平位移方面的性能進行了綜合評估。朱琳[4]等分析土工格柵加筋路堤邊坡變形的影響，研究結果表明，土工格柵的加入有效的改善了邊坡的應力狀態，減小了路堤邊坡沉降，土工格柵的加筋間距越小對路堤邊坡的增強效果越好。陳軍等[5]通過有限元軟件模擬不同工況下土工格柵對拓展路堤的影響，研究結果表明，合理的加筋間距顯著提高了拓展路堤的穩定性。胡衛國[等通過室內試驗與數值模型，對土工格柵在填方路堤中的鋪設與方案優化進行研究，結果發現土工格柵的加入有效提高穩定了土體。

本文以某公路作為研究對象，對土工格柵加筋路堤的變形情況進行深入研究，分析不同工況（加筋間距、加筋長度、坡比）下加筋路堤的變形特征，試驗結果為類似工程實踐提供理論指導和技術支持。

1工程概況

本文以某地公路項目為研究對象，采用雙向四車道，設計最高時速為 100km/h ，路面寬度為 40m 。路基設計充分考慮地質條件和地基承載能力，適當采用土工格柵進行加筋，以確保路基穩定。路面結構采用瀝青混凝土材料，保證路面平整度和耐久性。

2數值模型構建

根據加筋路堤的變形情況以及實際工程情況，建立有限元模型。進行建模與分析時，鑒于路堤工程典型的對稱結構特性，為了提高計算效率并減少分析復雜度，對其合理的簡化處理，僅選取模型的一半作為研究對象進行深入分析。路堤上部結構的一半為 20m ，高度為14m 。

采用摩爾-庫倫模型。模型的邊界條件設置如下：模型左右兩邊對X軸方向的位移進行約束，模型底部對X、Y軸兩個方向的位移進行約束，模型上表面為自由。模型中土層計算參數和土工格柵計算參數分別見表1和表2。

本文主要通過土工格柵加筋路堤，進行數值模擬，研究不同加筋間距（ （0.25m. 、0.5m、0.75m、1m）、加筋長度（0.2H、0.4H、0.6H、 0.8H ，其中 H 為邊坡高度）、坡比（1：0.5、1：0.75、1：1）對路堤變形的影響。

3路堤變形分析

3.1不同加筋間距對路堤變形的影響

在路堤工程中，加筋間距逐漸縮小，會造成所需鋪設土工格柵的數量也相應增加，導致額外的費用支出。此外，加筋間距與路堤穩定性之間的具體聯系，是一個需要深入探討的問題。它涉及到如何平衡成本與性能，以及如何根據不同土質、氣候條件和路堤結構要求，來精確計算最合適的加筋間距。本小節主要研究不同加筋間距對土工格柵加筋路堤的影響，將邊坡比設計為1：0.5。

3.1.1 路堤豎向位移

不同加筋間距下土工格柵加筋路堤豎向位移如圖1所示。從圖1中可以看到：當距離路堤中心處距離一定時，加筋路堤的豎向位移隨著加筋間距的增加而增加；當加筋間距一定時，加筋路堤的豎向位移隨著離中心處的距離增加呈現先增加后減小的趨勢。當加筋間距為0.25m時路堤的豎向位移最??；當加筋間距為1m時路堤的豎向位移最大。

分析認為，當土工格柵之間的間隔較小時，它們可以更緊密地相互連接，因此在受到壓力或外部力量影響時，這些土工格柵能夠更加有效地保持和固定材料的變形，從而承擔更大的負荷。這樣緊湊的布局不僅增強了結構的穩定性，而且還提高了工程的耐久性和可靠性。

3.1.2路堤側向位移

不同加筋間距下土工格柵加筋路堤側向位移如圖2所示。從圖2中可以看到：土工格柵加筋間距的增加，路堤邊坡側向位移越小。當加筋間距為 0.25m 時，路堤邊坡側向位移最大;當加筋間距為1m時，路堤邊坡側向位移最小。

分析認為，當加筋更緊密時，加筋路堤的整體剛度得到增強，這意味著材料之間的相互作用更為強烈，從而導致位移向更廣范圍擴散。這種位移的向外擴散，體現了加筋結構在面對外部力量時的適應性和穩定性。所以控制格柵之間的距離，可以優化加筋路堤的性能，確保基礎設施能夠承受長期的負荷而不會出現過度的側向變形。

3.2不同加筋長度對路堤變形的影響

土工格柵加筋長度過短可能導致材料的實際應用效果受到顯著影響。當加筋格柵長度不足時，其提供的增強效果將受到影響。較短的加筋材料能夠起到的加固作用相對有限，邊坡的穩定性和整體性能會受到負面影響，可能會導致基礎不穩、路面開裂等一系列工程問題。因此在施工過程中應嚴格控制加筋格柵的長度，確保達到預期的加固效果。本小節主要研究不同加筋長度對土工格柵加筋路堤的影響，將邊坡比設計為1：0.5。

3.2.1路堤豎向位移

不同加筋長度下土工格柵加筋路堤的豎向位移如圖3所示。從圖3中可以看到：當距離路堤中心處距離一定時，加筋路堤的豎向位移隨著加筋長度的增加而減小。路堤在土工格柵加筋長度為 0.8H 時，豎向位移最小，為 2.99cm 。

這種現象的原因主要與加筋材料的力學性能以及它們如何相互作用于土體中的應力分布有關。隨著加筋長度的增加，對路堤中產生的約束力增強，從而使得路基結構對外部壓力和不均勻沉降的敏感度降低。綜合來看，加筋長度的增大有助于提高路堤穩定性，它增加了土體的整體強度和剛度，有效抑制了路堤的豎向變形。

3.2.2路堤側向位移

不同加筋長度下土工格柵加筋路堤的側向位移如圖4所示。從圖4中可以看到：土工格柵加筋長度的增加，路堤邊坡側向位移越小。當土工格柵的加筋長度為0.8H時，路堤邊坡側向位移最小。

分析認為，增加土工格柵的加筋長度，更多的橫向約束力被引入到邊坡中。這種額外的約束力有助于抑制側向位移的產生，從而提高了邊坡的穩定性和安全性。土工格柵覆蓋的區域越廣，其對邊坡表面變形的限制作用就越強。因此增加土工格柵的長度可以減小由于降雨、地震或其他外力作用導致的潛在破壞風險，確保公路或鐵路工程長期穩定運行。

3.3不同坡比對路堤變形的影響

在進行加筋路堤的設計與施工時，需要考慮斜坡與路基之間的坡比對路堤穩定的顯著影響。坡比會直接關系到加筋材料的受力情況以及路堤的穩定性，進而影響整體工程的安全性能。因此，深入分析和研究不同坡比下加筋路堤的穩定性特征顯得尤為重要。

不同坡比下土工格柵加筋路堤的豎向位移如圖5所示。從圖5中可以看到：隨著路堤坡比的增大，土工格柵加筋路堤的豎向位移越大。在坡比為1：0.5時，土工格柵加筋路堤的豎向位移最大。

分析認為，路堤邊坡比增大意味著路堤高度隨之增加，由此導致土工格柵加筋路堤在承受重力時產生更大的豎向位移。這種位移的增加是由于加筋層與土體之間相互作用的結果，尤其是在荷載作用下，土工格柵的拉伸和壓縮會對路基穩定性產生顯著影響。

隨著邊坡比的增大，加筋層需要更強的支撐，以保持結構的穩定，因此它對土體的摩擦力也會增強，從而加劇了豎向位移的現象。加筋層的存在還會改變土體內應力分布，進一步加大路堤的豎向位移。

4結論

本文以某公路路堤作為研究對象，采用有限元軟件建立數值模型，分析不同加筋間距、加筋長度、坡比下土工格柵加筋路堤的變形特性。得到如下結論：

1）當距離路堤中心處距離一定時，加筋路堤的豎向位移隨著加筋間距的增加而增加。當加筋間距一定時，加筋路堤的豎向位移隨著離中心處的距離增加呈現先增加后減小的趨勢。當加筋間距為 0.25m 時路堤的豎向位移最小。

2）隨著土工格柵加筋間距越大，路堤邊坡側向位移逐漸減小。這是由于材料之間的相互作用更為強烈，從而導致位移向更廣范圍擴散。

3）當距離路堤中心處距離一定時，加筋路堤的豎向位移隨著加筋長度的增加而減小。當加筋間距一定時，加筋路堤的豎向位移隨著離中心處的距離增加呈現先增加后減小的趨勢。隨著土工格柵加筋長度增加，路堤邊坡側向位移逐漸變小。最佳的加筋長度為 0.8H 。

4）隨著路堤坡比的增大，土工格柵加筋路堤的豎向位移越大。在坡比為1：0.5時，土工格柵加筋路堤的豎向位移最大。

參考文獻

[1]劉再寶，陳永亮，王坤明.軟弱地基上某高陡路堤處治方案研究[J].運輸經理世界，2024（20）：132-134.

[2]張超，王昕，蒲昌瑜，等.高速公路樁承式加筋路堤沉降規律數值分析[J].價值工程，2022，41（8）：162-164.

[3]范鵬慧.土工格柵加筋路堤變形模擬分析[J].北方交通，2024（1）：40-43.

[4]朱琳，朱世林.加筋路堤邊坡的變形特征數值模擬研究[J].交通世界，2023（24）：108-110.

[5]陳軍，湯東.土工格柵加筋拓寬路堤有限元分析[J].城市道橋與防洪，2019（1）：144-149+19.

[6]胡衛國，何橋敏.土工格柵在填方路堤中的加筋作用試驗研究[J].中外公路，2018，38（1）：38-42.