李鳳嶺

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐步完善，高等級(jí)公路項(xiàng)目得到了大力發(fā)展。在山區(qū)高速公路的建設(shè)中，為滿(mǎn)足公路線(xiàn)型的要求，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些陡坡路段的高填方路基。確保高陡路基的穩(wěn)定與安全，是高速公路項(xiàng)目建設(shè)中不容忽視的關(guān)鍵內(nèi)容。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究應(yīng)用，土工合成材料因其具有高強(qiáng)、耐磨、適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛用于公路、鐵路、港口等各類(lèi)土建工程中。通過(guò)對(duì)某高速公路中加鋪土工格柵的高陡路基進(jìn)行計(jì)算分析，得到了一些結(jié)論，結(jié)果表明土工格柵對(duì)減小路堤沉降變形提高坡體整體穩(wěn)定起到了積極作用，但過(guò)密地加鋪土工格柵對(duì)增強(qiáng)加固效果作用不明顯，盲目增加鋪設(shè)層數(shù)會(huì)造成不必要的工程浪費(fèi)。

1 土工格柵特性

土木工程中所使用的格柵一般是指用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經(jīng)熱塑或模壓而成的二維網(wǎng)格狀或具有一定高度的三維立體網(wǎng)格。由其自身的材料及結(jié)構(gòu)特性，決定了土工格柵具有高強(qiáng)度、低延伸率、與土咬合力強(qiáng)、耐久性好、不易蠕變等優(yōu)點(diǎn)。

在高陡路基中加鋪格柵材料，利用土與格柵之間的摩擦作用，使加筋土路堤成為穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，能有效防止路堤滑移、變形過(guò)大、不均勻沉降等不良現(xiàn)象的發(fā)生。土工合成材料的剛度遠(yuǎn)大于路基填筑土，具有均布力特性，能降低路堤的不均勻沉降差異，減小變形量，增加土體強(qiáng)度，提高安全系數(shù)，確保高陡路基的整體穩(wěn)定[1]。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

2.1.1 路堤斷面型式

該路堤左側(cè)依靠于陡峭的黃土坡體，右側(cè)進(jìn)行路基填筑，最大坡高37.4 m。路基頂面寬度26 m，邊坡采用折線(xiàn)式，1～8 m邊坡坡率采用1∶1.5，8～20 m邊坡坡率為1∶1.75，20～37.4 m邊坡按坡率1∶2進(jìn)行路基填筑。在填土20 m及30 m處設(shè)置2 m寬平臺(tái)，由坡腳排水溝、平臺(tái)排水溝、陡坡急流槽、攔水帶等排水設(shè)施組成坡體排水系統(tǒng)，坡面采用拱形骨架護(hù)坡防護(hù)，詳見(jiàn)圖1。

圖1 高陡路基典型斷面圖（單位：cm）

2.1.2 地形地貌

高陡路堤段落位于黃土殘?jiān)c沖溝組合區(qū)，地面標(biāo)高420.0～487.2 m，自然坡度為15°～340°，路堤區(qū)交通條件較差，植被較少。

2.1.3 地層巖性

與工程有關(guān)的地層主要有新生界第四系中更新統(tǒng)（Q2al）粉土、粉質(zhì)黏土。

a）Q2al粉土 褐紅色，稍濕、稍密，由絹云母和黏土礦物組成，含有鐵質(zhì)，含1 mm的蟲(chóng)孔。

b）Q2al粉土 褐紅色，稍濕、稍密-中密，由絹云母和黏土礦物組成，含有鐵質(zhì)，含1 mm的蟲(chóng)孔。

c）Q2al粉質(zhì)黏土 褐紅色，可塑-硬塑，由絹云母和黏土礦物組成，含鐵質(zhì)成分，含有1 cm鈣質(zhì)結(jié)核，見(jiàn)有白色菌斑。

根據(jù)上述條件建立二維模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型示意圖

2.2 模型建立及參數(shù)選取

傳統(tǒng)的極限平衡理論，無(wú)法考慮土體應(yīng)力應(yīng)變的非線(xiàn)性關(guān)系，難以反映土體與土工格柵之間的相互作用。運(yùn)用有限元分析方法可以很好地克服以上不足，更加準(zhǔn)確地反映加筋土路堤的應(yīng)力應(yīng)變狀況[2]。有限元分析軟件Midas GTS NS根據(jù)土工格柵只受拉、不受壓、且抗彎剛度小的特點(diǎn)，設(shè)置了“土工格柵”屬性單元，進(jìn)行單元屬性選擇時(shí)比較方便，文中通過(guò)該軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

首先建立土體的平面應(yīng)變二維模型，為保證網(wǎng)格之間的有效連接，通過(guò)“析取”的方式在土體網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，建立“土工格柵”單元。由于土工格柵的抗拉強(qiáng)度和模量較大，拉伸曲線(xiàn)在應(yīng)變較小的情況下（一般小于5%）呈直線(xiàn)，考慮到土工格柵在填土中所受的拉力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度，則可以將格柵單元的本構(gòu)關(guān)系近似地看作線(xiàn)彈性，土體單元采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系。為了能更好地反映出加筋材料與土體之間的相互作用關(guān)系，本次分析中將土體單元與土工格柵單元按各自特性分開(kāi)考慮，然后在二者之間建立“接觸單元”。通過(guò)對(duì)接觸單元的屬性設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)土體與格柵的接觸界面在法線(xiàn)方向上近似剛性連接，而在切線(xiàn)方向上進(jìn)行黏結(jié)、滑移等情況的模擬，從而通過(guò)接觸單元來(lái)反映土體與土工合成材料間的界面特性[3]。主要計(jì)算參數(shù)如表1、表2所示。

表1 土體及土工格柵主要參數(shù)

表2 界面單元主要參數(shù) kN/m2

2.3 分析總結(jié)

根據(jù)上述土體力學(xué)參數(shù)，首先對(duì)未加筋狀態(tài)下的高陡路基進(jìn)行計(jì)算，得出邊坡安全性系數(shù)為1.56，坡體變形量最大值為37.41 cm。對(duì)加入土工格柵的路堤模型計(jì)算時(shí)按路堤基底固定鋪設(shè)一層土工格柵，然后通過(guò)調(diào)整格柵間距的方式改變土體內(nèi)加筋材料的鋪設(shè)層數(shù)。格柵間距最小值設(shè)定為1 m，此時(shí)鋪設(shè)層數(shù)達(dá)最大值46層，格柵間距遞增梯度按1 m計(jì)算，鋪設(shè)間距增加為2 m時(shí)，土體內(nèi)格柵層數(shù)為24層，依此類(lèi)推，直至間距為24 m，坡體內(nèi)僅設(shè)置一層土工格柵時(shí)為止，該情況下坡體內(nèi)格柵布置情況為基底鋪設(shè)一層，坡體內(nèi)鋪設(shè)一層，共兩層土工格柵。

2.3.1 土工格柵對(duì)路堤安全系數(shù)的影響

對(duì)路堤內(nèi)按不同間距布設(shè)土工格柵的相應(yīng)情況分別建立模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到的坡體安全系數(shù)如圖3所示。

圖3 安全系數(shù)比較圖

由圖3可知加入土工格柵后路堤的安全系數(shù)明顯提高，當(dāng)鋪設(shè)間距為24 m，僅在基底及坡體內(nèi)各鋪設(shè)一層土工格柵時(shí)，安全系數(shù)提高為1.68，較原始安全系數(shù)1.56提高幅度為7.69%。隨著土工格柵間距變小，鋪設(shè)層數(shù)增加，安全系數(shù)繼續(xù)加大，土工格柵間距為6 m，鋪設(shè)層數(shù)為8層時(shí)，路堤安全系數(shù)為1.98，提高幅度為26.92%。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小間距，土體中土工格柵的鋪設(shè)層數(shù)增加速度較快，安全系數(shù)的提高趨勢(shì)并不明顯，當(dāng)鋪設(shè)間距為1 m時(shí)，格柵層數(shù)達(dá)46層，安全系數(shù)為2.06，此時(shí)與間距6 m時(shí)相比，坡體的安全系數(shù)僅提高了4.04%，但鋪設(shè)層數(shù)增長(zhǎng)超過(guò)了5倍，在滿(mǎn)足實(shí)際要求的情況下，初步確定6 m為該項(xiàng)工程中格柵鋪設(shè)的合理間距。

2.3.2 土工格柵對(duì)變形量最大值的影響

對(duì)路堤內(nèi)按不同間距布設(shè)土工格柵的相應(yīng)情況分別建立模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到的坡體變形量數(shù)值如圖4所示。

圖4 變形量最大值比較圖

通過(guò)圖4得知，路堤按不同加筋間距處理后，坡體最大變形量較原始狀態(tài)下37.41 cm均有所減小。當(dāng)鋪設(shè)間距為24 m，僅在基底及坡體內(nèi)各鋪設(shè)一層土工格柵時(shí)，最大變形量為36.12 cm，隨著鋪設(shè)間距減小，鋪設(shè)層數(shù)增加，最大變形量減小幅度逐步增大，當(dāng)鋪設(shè)間距為4～7 m范圍時(shí)，變形量最大值縮減幅度最大，減小為28.52 cm左右。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小間距，增加鋪設(shè)層數(shù)時(shí)，坡體內(nèi)局部范圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，變形量最大值反而有所增加。結(jié)合安全系數(shù)計(jì)算時(shí)得出的合理鋪設(shè)間距，確定該段陡坡路堤土工格柵鋪設(shè)間距為6 m，鋪筑8層，此時(shí)坡體變形量最大值為28.52 cm，縮減幅度為23.76%。

2.3.3 土工格柵對(duì)路堤不均勻變形的影響

按間距6 m鋪設(shè)8層土工格柵方案建立模型，在路堤變形量較大位置填土高度30 m處截取橫向剖面，以填筑土與自然陡坡交匯處為“0”點(diǎn)，向路基外側(cè)邊坡方向每隔5 m提取一處變形量數(shù)值，詳見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 橫向剖面示意圖

圖6 填土30 m處不均勻變形比較圖

由圖6可知未加筋時(shí)邊坡外側(cè)的11號(hào)點(diǎn)變形量為9.25 cm，坡體內(nèi)側(cè)1號(hào)點(diǎn)變形量為37.33 cm，坡體變形由外向內(nèi)呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，趨勢(shì)線(xiàn)傾角約為28.25°，斜率K=0.54，路堤不均勻變形明顯。陡坡路堤進(jìn)行加筋處理后，剖面上4～11號(hào)點(diǎn)處路基變形仍然呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，趨勢(shì)線(xiàn)傾斜角度約為24.52°，斜率K=0.46，較原增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯變緩，而位于坡體內(nèi)部的0～4號(hào)點(diǎn)變形趨勢(shì)近乎直線(xiàn)狀態(tài)，變形協(xié)調(diào)穩(wěn)定。路基內(nèi)設(shè)置土工格柵后變形稍小的11號(hào)點(diǎn)，變形量由原來(lái)的9.25 cm縮小為9.12 cm，變形最大處的1號(hào)點(diǎn)，變形量由37.33 cm減小為26.21 cm，縮減幅度達(dá)29.79%，從以上數(shù)據(jù)不難看出經(jīng)過(guò)加筋處理后坡體變形越大的位置，變形量縮減幅度也相應(yīng)越大，加入土工格柵可以有效控制路堤不均勻變形。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述工程案例的計(jì)算分析，證明了土工格柵可以減小高陡路堤變形，有效控制不均勻沉降，提高坡體的安全系數(shù)，對(duì)保障高陡路堤工程的整體安全穩(wěn)定起到了積極作用。但在實(shí)際施工應(yīng)用中為避免不必要的工程浪費(fèi)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定最佳的鋪設(shè)方案，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效的加固效果。