雷 鳴，汪華斌，李紀(jì)偉，徐一鳴，丘旭富，鄭必燦

(1.廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620;2.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

加筋土是一種土工復(fù)合體，在土體內(nèi)部埋設(shè)抗拉強(qiáng)度較高的材料，廣泛應(yīng)用在高速公路、擋土墻、水利等工程建設(shè)。國(guó)內(nèi)外對(duì)其工作原理、破壞機(jī)理、穩(wěn)定性分析都做過(guò)深入研究［1，2］，加筋使土體中應(yīng)力擴(kuò)散，變形模量得以增加，土體側(cè)向位移在筋材的作用下受到一定程度的限制［3，4］;由于筋土之間的摩擦作用，增強(qiáng)了兩者的咬合能力，使構(gòu)筑物的穩(wěn)定性相對(duì)提高［5，6］。在高填路堤工程中，填土路基在加筋后其變形特性和整體穩(wěn)定性都受到筋材的影響［7，8］。

一直以來(lái)，筋材能否有效減少土體的沉降長(zhǎng)期都沒(méi)有統(tǒng)一的答案。部分學(xué)者認(rèn)為:筋材鋪設(shè)在土體中被看成是一種膜狀結(jié)構(gòu)物，它既不能抗彎也不能有效地?cái)U(kuò)散豎向應(yīng)力，對(duì)地基中豎向應(yīng)力沒(méi)有任何影響，那么筋材對(duì)地基中的最終沉降也不會(huì)有任何影響。另一種觀點(diǎn)則是:筋材雖然不能抗彎但是筋材對(duì)土體明顯有一個(gè)側(cè)向作用，它約束了土體的側(cè)向發(fā)展，極大地影響著地基表面的側(cè)向位移，從而導(dǎo)致地基中應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)改變，最終減小了地基的沉降。介玉新等則通過(guò)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)研究，將加筋土視為復(fù)合材料建立本構(gòu)關(guān)系，用于加筋土的數(shù)值計(jì)算［9］。周志剛等通過(guò)試驗(yàn)分析了土工格柵與填土相互作用機(jī)理，研究了土工格網(wǎng)加筋柔性橋頭解決橋頭路堤的沉降機(jī)理［10］。朱湘等用有限元方法結(jié)合工程實(shí)際，說(shuō)明了土工格柵改變了地基中的豎向應(yīng)力分布，從而減小了路堤工后的沉降，還研究了筋材降低路堤沉降和變形的機(jī)理［11］。王峰采用有限差分法，對(duì)加筋斜坡高填方路堤進(jìn)行建模和變形特性分析，研究了加筋土的作用機(jī)理和變形［12］。

當(dāng)高填路堤施工完成后，路堤在自重作用和車(chē)輛的反復(fù)荷載作用下，隨著時(shí)間的推移，會(huì)產(chǎn)生自身壓縮變形與地基沉降。如果路堤堤身填筑高度過(guò)大，路堤的整體下沉和局部下沉更易出現(xiàn)。對(duì)于工后沉降是要經(jīng)過(guò)一段很長(zhǎng)的時(shí)間才能完成，有時(shí)甚至是幾十年，所以工后沉降的計(jì)算及預(yù)測(cè)都非常重要。廣東云浮(雙鳳)至羅定(榃濱)高速公路的雙東至榃濱段(K34+000～K66+302.170)最大填土高度57 m，K64+580～ K64+716段超過(guò)30 m的高填方路段達(dá)9段，超過(guò)30 m的挖方高邊坡路段達(dá)20段。因此，如何處理高填路堤成為最主要的任務(wù)。按設(shè)計(jì)要求，高填方路基處理方案為:每填2 m采用高性能壓路機(jī)補(bǔ)壓并通過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算于最不利滑動(dòng)面位置鋪設(shè)GDL100/HDPE土工格柵。采用單向的GDL100/HDPE土工格柵，由于只能進(jìn)行單向拉伸，故抗拉強(qiáng)度較高。土工格柵中的肋條與填土有效地嵌合形成整體，對(duì)土體起到了約束作用，而且限制了土體的移動(dòng)。同時(shí)，可以當(dāng)作承載面，能較好的傳遞荷載。土工格柵中的節(jié)點(diǎn)能將格柵受到的力進(jìn)行傳遞，將其傳給肋條，肋條與節(jié)點(diǎn)形成的整體又能增加平面抗扭模量，有效加固了土體。

為了確保改變施工方案后路基填筑質(zhì)量和高填方路基的穩(wěn)定，有必要開(kāi)展高填路堤沉降分析。本文結(jié)合該工程所監(jiān)測(cè)的大量數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬結(jié)果，考慮分層填筑施工過(guò)程，研究加筋土變形特性。研究結(jié)果不僅能為工程提供寶貴的資料、經(jīng)驗(yàn)和方法，而且還對(duì)工程的設(shè)計(jì)、安全施工和后期運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)的參考。

1 基于分層填筑高填路堤沉降數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬模型

在建模過(guò)程中，由于路堤是三維的實(shí)體，用ANSYS中的空間實(shí)體單元SOLID45模擬路堤中的土體與巖石。其中，SOLID45由八個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，沿x、y、z方向每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)平移的自由度。對(duì)于三維的各向異性材料，用該單元進(jìn)行模擬是比較合適。在建模過(guò)程中，運(yùn)用CAD將其二維圖形導(dǎo)入ANSYS中，在ANSYS中形成三維體，再對(duì)其劃分網(wǎng)格。ANSYS軟件具有強(qiáng)大的建模與劃分網(wǎng)格功能，通過(guò)建立數(shù)值模型，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)FLAC3D模型的自動(dòng)生成。在FLAC3D中，先對(duì)粘性土部分賦值為空模型，將基巖部分賦值為Mohr模型。將Mohr模型的凝聚力和抗拉強(qiáng)度賦值為無(wú)窮大進(jìn)行求解，保證在重力場(chǎng)作用下單元不至于發(fā)生屈服，然后再將Mohr模型參數(shù)賦予真實(shí)值，再進(jìn)行求解。在填筑工程中，依次激活粘性土單元，每次激活2 m高度的單元，相當(dāng)于每次填土高度為2 m，然后再進(jìn)行求解。在FLAC3D中分成三組材料，運(yùn)用到的填土、基巖、加筋土的材料參數(shù)列于表1;土工格柵材料參數(shù)見(jiàn)表2，表1、表2中參數(shù)來(lái)源于廣東云浮(雙鳳)至羅定(榃濱)高速公路工程施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明。在數(shù)值模擬中對(duì)模型要設(shè)置邊界條件與初始條件，在路堤邊坡的左右界面施加水平方向的約束，限制水平位移;在底部界面施加水平和豎向約束，限制路堤底部的水平和豎向位移。

圖1 高填路堤數(shù)值模擬模型

表1 路堤材料參數(shù)

表2 土工格柵材料參數(shù)

1.2 模型數(shù)值分析

1.2.1 高填方施工過(guò)程中的豎向位移分析

在數(shù)值模型中，采用自下而上的分層填土，當(dāng)?shù)谝粚犹钔潦┕ね瓿杉俺两到Y(jié)束后，鋪設(shè)土工格柵，然后再填筑第二層填土。所有路基填土完成后，在路基頂面施加車(chē)輛均布荷載19 kPa。由于采用分層填筑，逐漸向上填筑時(shí)，第i+1層的沉降都是在第i層沉降基礎(chǔ)上累積起來(lái)的。在第一層土工格柵附近的豎向位移是最大的，以后的每次填土，都是其初始豎向位移的累加。數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 填土厚度與豎向位移最大值關(guān)系曲線(xiàn)

圖2表明第一層至第六層填土其豎向位移最大值依次為 0.67 cm、8.17 cm、15.08 cm、20.98 cm、26.77 cm、31.95 cm。

由圖3可知，每次填土后產(chǎn)生的豎向位移差值依次為 7.92 cm、7.50 cm、6.91 cm、5.90 cm、5.79 cm、5.18 cm。隨著路堤填筑高度的增加，其路堤最大豎向位移值逐漸增大。在填筑過(guò)程中，隨著填土厚度的增加，相同的填土厚度所增加的豎向位移值逐漸變小。

圖3 填土厚度與豎向位移差值關(guān)系曲線(xiàn)

此外，圖4說(shuō)明在分層填土過(guò)程中，豎向位移最大值隨著路堤填土高度的增加而增大，路堤在填土4 m之內(nèi)，其加筋前后豎向位移僅相差2.1%，即加筋效果在填土4 m內(nèi)不明顯。在填土達(dá)到12 m時(shí)，加筋土的最大豎向位移為31.95 cm，未加筋土的最大豎向位移為35.60 cm，加筋前后豎向位移最大值相差4.77%。土工格柵隨著填土高度的增加所起的作用愈發(fā)明顯，加筋前后豎向位移最大值的變化也就更加顯著。也就是說(shuō)，土工格柵起到限制路基垂直方向位移的作用，盡管土工格柵對(duì)豎向位移起到作用，但所起作用仍然較小。

圖4 路堤豎向位移最大值與填土高度關(guān)系曲線(xiàn)

由圖5可知，在分層填筑施工工程中，最大豎向位移值出現(xiàn)在填土高度為6 m處。加筋土在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置豎向位移為73.60 mm，未加筋土的豎向位移為76.52 mm，其加筋前后豎向位移相差3.82%。隨著填土高度的增加，加筋效果愈發(fā)不明顯，這說(shuō)明加筋材料降低了沉降的最大值，使土體沉降均勻分布。

圖5 路堤豎向位移與填土高度關(guān)系曲線(xiàn)

1.2.2 高填方施工過(guò)程中的水平方向位移分析

在初始重力場(chǎng)中，實(shí)體模型由于受到自重的作用，土體與巖體發(fā)生形變，產(chǎn)生沉降，通過(guò)FLAC3D有限元差分?jǐn)?shù)值模擬，得出在填土填到第六層后每層土工格柵最左端的水平位移。

由圖5可知，水平位移隨著路堤填土高度的逐漸增加而增大。未加筋的水平位移為7.90 cm，當(dāng)加入土工合成材料后，加筋的水平位移為7.24 cm，其加筋前后水平位移相差8.28%，與沒(méi)有加筋的情況相比，側(cè)向位移變化較大，土工格柵在土體受拉的方向束縛了路堤填土的水平位移。

圖6 坡腳處最左端的水平位移

此外，隨著路堤填土高度的增加，水平位移值逐漸增大，路堤在填土6 m之內(nèi)，加筋效果不明顯。在填土12 m時(shí)，加筋土的水平位移為34 mm，未加筋土的水平位移為38 mm，其加筋前后水平位移相差8.8%(圖7)。這說(shuō)明土工格柵對(duì)路堤水平方向起著限制作用，而且隨著填土厚度的增加，限制作用愈發(fā)明顯。土體具有一定的抗壓和抗剪強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度低，筋材與土體相互作用時(shí)，由于土工格柵的抗拉強(qiáng)度大，筋材在受拉方向會(huì)給土體側(cè)向約束，使土體的側(cè)向位移受到限制，側(cè)向變形受到一定限制導(dǎo)致豎向位移值會(huì)有所降低。故土工格柵對(duì)豎向變形的影響是間接的，對(duì)水平位移的影響才是直接的，因此土工格柵對(duì)水平位移起到的作用較大。

圖7 數(shù)值模擬中不同填土高度固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移

分層填筑過(guò)程中，最大水平位移值在填土高度6 m處，其后每次填筑2 m，其水平位移都會(huì)有所減小，水平位移都是以后每填筑2 m的累加(圖8)。

圖8 路堤最大水平位移與填土高度關(guān)系曲線(xiàn)

1.2.3 高填方施工完成后的路堤外界荷載作用下的位移

路堤在初始重力場(chǎng)作用后，外加19 kPa的行車(chē)均布荷載，土體與巖體發(fā)生形變，產(chǎn)生沉降，經(jīng)過(guò)FLAC3D有限元差分?jǐn)?shù)值模擬，得出有、無(wú)土工格柵作用的路基模型總位移。高填方施工完成后，在外加的行車(chē)均布荷載作用下，無(wú)土工格柵的路堤比有土工格柵的路堤總位移最大值、豎向位移最大值、水平位移最大值分別大5.26 cm、5.59 cm、3.44 cm，其中土工格柵所降低的幅度分別為14.91%、17.32%、15.18%。從仿真模擬圖像看出，在外加荷載作用下，有土工格柵的沉降區(qū)域明顯小于無(wú)土工格柵，這說(shuō)明土工格柵使沉降分布均勻，分散了沉降的最大值。在外加的行車(chē)均布荷載作用下土工格柵對(duì)位移的最大值影響都較大。

2 監(jiān)測(cè)實(shí)施方案與數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測(cè)方案

由于本工程邊坡高度較大，為了監(jiān)測(cè)邊坡的深層滑動(dòng)，在K48+468橫斷面相關(guān)位置布置了兩個(gè)測(cè)斜管。為了監(jiān)測(cè)邊坡在層面上的滑動(dòng)，在橫斷面上鋪設(shè)了幾層柔性位移計(jì)。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在K48+316～K48+540范圍內(nèi)，通過(guò)沉降板監(jiān)測(cè)到K48+460左坡腳的沉降位移，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其填土高度已達(dá)到24.5 m，填土高度與沉降的關(guān)系曲線(xiàn)如圖9和圖10所示。

圖9 坡腳處實(shí)際沉降與填土高度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖10 不同時(shí)期坡腳處沉降監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

由圖9、圖10可以看出:隨著填土高度的增加，坡腳處的位移逐漸增大。隨著填土高度愈來(lái)愈厚，其沉降增大幅度明顯降低。

3 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的加筋高填路堤分層填筑變形特性

由于本工程邊坡高度較大，為了監(jiān)測(cè)邊坡的深層滑動(dòng)，在K48+468橫斷面相關(guān)位置布置了兩個(gè)測(cè)斜管。為了監(jiān)測(cè)邊坡在層面上的滑動(dòng)，在橫斷面上鋪設(shè)了幾層柔性位移計(jì)(圖11)，圖中右上角為測(cè)斜管。

圖11 柔性位移計(jì)和測(cè)斜管布置

3.1 加筋高填路堤分層填筑沉降

為了研究從第一層土工格柵到第七層土工格柵之間的填土厚度變化而引起的沉降變化，利用FLAC軟件模擬了有、無(wú)土工格柵兩種情況，K48+460左坡腳在填土過(guò)程中沉降變化曲線(xiàn)，如下圖12所示。

圖12 坡腳處沉降與填土高度的關(guān)系

從圖12可知，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最大的沉降值為90 mm，模擬監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沉降最大值為80 mm，其相差誤差為11.1%，其誤差偏大，這是因?yàn)樵趯?shí)際施工過(guò)程中，每次填土都會(huì)存在外加荷載的作用，所以實(shí)際監(jiān)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)都會(huì)比模擬的數(shù)據(jù)大。盡管監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存在誤差，但是模擬的曲線(xiàn)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)與規(guī)律一樣，依舊能說(shuō)明模擬曲線(xiàn)的可行性與合理性。

從模擬曲線(xiàn)可知，在填筑過(guò)程中坡腳處有土工格柵的沉降比無(wú)土工格柵的沉降要小，隨著填土高度的增加，兩者之間的差值愈發(fā)明顯，坡腳處加筋后的沉降為80 mm，未加筋的沉降為82 mm，減少了2 mm，加筋使沉降幅度降低了2.5%。從坡腳處有土工格柵模擬的沉降曲線(xiàn)與無(wú)土工格柵模擬的沉降曲線(xiàn)相比，隨著填土的增加，筋材對(duì)坡腳處的沉降影響越來(lái)越大。從模擬的坡腳處沉降曲線(xiàn)與實(shí)際的沉降曲線(xiàn)相比，可以看出，在分層填筑中，土工格柵作用下的加筋部分其沉降變化較緩，這說(shuō)明了土工格柵使路堤中的沉降產(chǎn)生了均勻分布，沉降最大值減小。

3.2 側(cè)向位移分布規(guī)律

測(cè)斜管底埋設(shè)的坐標(biāo)為(1014.3072，494.9475，0)，測(cè)試時(shí)，將測(cè)斜儀探頭放入測(cè)斜管，探頭帶有十字標(biāo)記要面向邊坡方向，用CX-3C型基坑測(cè)斜儀讀取數(shù)據(jù)。在該工程中，到現(xiàn)在為止埋設(shè)了5根管子，總共10 m，每隔0.5 m記錄一次。當(dāng)鋪設(shè)第六層土工格柵，即第五層土填完時(shí)，所監(jiān)測(cè)的測(cè)斜管側(cè)向位移如圖13。

圖13 不同工況下側(cè)向位移與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖13可知，實(shí)際監(jiān)測(cè)最大數(shù)據(jù)為20 mm，模擬監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)為19 mm，盡管監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)不多，但模擬的曲線(xiàn)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)相差不大。側(cè)向位移隨著測(cè)斜管深度的增加而減小，在測(cè)斜管上部，其測(cè)斜位移變化較大。有土工格柵的側(cè)向位移比無(wú)土工格柵的側(cè)向位移小，加筋土在外界作用下由于土工格柵具有較大的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)土與筋材相互作用(摩擦與咬合)時(shí)土工格柵在水平方向給土體一個(gè)約束作用，限制了土體的側(cè)向位移，從而減小了加筋土的側(cè)向位移。

從圖14～圖16可知，在分層填筑過(guò)程中，第一層土工格柵附近的水平位移最大，距測(cè)斜管頂端－10 m是第一層土工格柵鋪設(shè)處，這是因?yàn)樵谔钪械谝粚油凉じ駯诺乃轿灰贫际巧厦嫣钔恋姆e累，其最大的水平位移比未加筋的最大水平位移要小。－10～0 m之間是土工格柵鋪設(shè)處，加筋路堤比未加筋的路堤水平位移小，在加筋部分水平位移減小的程度明顯大于未加筋部分水平位移減小的程度，這說(shuō)明了在筋材的作用下路堤的側(cè)向位移明顯受到限制。對(duì)于－10 m以下的填土，其有土工格柵側(cè)向位移也比無(wú)土工格柵的側(cè)向位移要小，這說(shuō)明了加筋也分擔(dān)了一部分荷載，使其側(cè)向位移也受到影響。

圖14 不同填土層土工格柵布置情況下側(cè)向位移

圖15 不同填土高度處監(jiān)測(cè)到的側(cè)向位移

圖16 有無(wú)土工格柵對(duì)側(cè)向位移的影響

為了監(jiān)測(cè)土工格柵的側(cè)向位移，在土工格柵表面鋪設(shè)了柔性位移計(jì)。當(dāng)填土鋪設(shè)第一層土工格柵時(shí)，埋設(shè)柔性位移計(jì)，每隔10 m鋪設(shè)一個(gè)，從邊坡外依次向里的柔性位移計(jì)編號(hào)為00003，000015和00008，具體結(jié)果如下圖所示。

圖17 距第一層土工格柵厚度與水平位移的關(guān)系

從圖17可知，實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)最大水平位移值為65.9 mm，模擬監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)最大水平值為66.5 mm，其誤差為0.8%，盡管監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)不多，但其數(shù)據(jù)誤差相差不大，模擬的曲線(xiàn)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)相符合，這說(shuō)明了模擬曲線(xiàn)的可行性與合理性。從模擬曲線(xiàn)可知，加筋路堤的水平位移都明顯小于未加筋的水平位移，而且水平位移隨著填土厚度的增加而增加，到達(dá)一定厚度時(shí)，水平位移達(dá)到最大，隨后開(kāi)始有所降低。由于在填土施工過(guò)程中，位移計(jì)可能長(zhǎng)期受到同一側(cè)的壓力作用，可能會(huì)導(dǎo)致位移出現(xiàn)負(fù)值。此外，從FLAC模擬數(shù)據(jù)可知土工格柵對(duì)編號(hào)00003、000015、00008水平位移最大降幅分別為8.62%、8.38%、4.16%，可以看出，土工格柵對(duì)靠近邊坡方向的影響較大。

4 結(jié)論

(1)高填方在填土過(guò)程中，土工格柵使土體中的位移重新分布，水平位移和垂直位移均減小了，這在一定程度上防止了不均勻沉降。

(2)在分層填筑過(guò)程中，土工格柵降低水平位移幅度為8.74%，而降低沉降幅度為3.82%，這說(shuō)明土工格柵對(duì)水平位移影響效果比垂直方向要明顯。

(3)在外加均布荷載作用下，有土工格柵的高填方在豎向與水平方向的位移都比無(wú)土工格柵的高填方的位移小。其中，在外加荷載作用下土工格柵降低幅度值比自重作用下土工格柵降低幅度值大。這說(shuō)明土工格柵在外加荷載下起到的作用明顯大于重力場(chǎng)下所起到的作用。

(4)在分層填筑過(guò)程中，筋材分散了路堤的沉降，使路堤的最大沉降值降低。水平位移受到筋材作用的影響較大，水平位移最大降幅分別為8.62%、8.38%、4.16%，可以看出，土工格柵對(duì)靠近邊坡方向的影響較大。

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