郭銘倍, 宋玲, 劉杰, 麻佳, 徐巖, 段彥福

(1石河子大學 水利建筑工程學院, 新疆 石河子 832003;2新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院)

1 前言

土工格柵加筋陡坡路堤可以使路堤邊坡放陡，替代擋墻，從而節(jié)省占地、減少工程量，是一種非常有前途的路基結(jié)構(gòu)形式。目前，工程設計中土工格柵加筋陡坡路堤常用的穩(wěn)定性分析方法主要為極限平衡法，這種方法主要是在素土邊坡路堤假定滑裂面的基礎上，考慮土工格柵拉力對路堤的加固效果。工程實測資料表明極限平衡法計算結(jié)果比較保守，一定程度上影響了加筋陡坡路堤經(jīng)濟優(yōu)勢的發(fā)揮。包承綱在對國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范加筋土結(jié)構(gòu)設計方法分析的基礎上，指出極限平衡法與有限元分析法共同使用時所得結(jié)果最為理想；楊廣慶通過對極限平衡法、極限狀態(tài)法以及數(shù)值模擬法3種加筋擋土墻設計方法的優(yōu)缺點分析，指出極限平衡法目前最為常用但偏于保守，建議工程設計中應該考慮不同影響因素的分項材料系數(shù)、分項荷載系數(shù)和分項破壞形式系數(shù)，通過分項系數(shù)來代替單一的總體安全系數(shù)法；李志勇通過數(shù)值計算與現(xiàn)場實測資料，探討了筋材布設間距與加筋路堤變形的關系，得出土工格柵彈性模量越大加筋作用越明顯，筋材布設間距為60 cm較為合理；宋雅坤以灰關聯(lián)分析法為手段，通過有限元強度折減法計算加筋土擋墻的穩(wěn)定安全系數(shù)，對穩(wěn)定影響因素的敏感性進行了分析，得出黏聚力和內(nèi)摩擦角較大的填料可以增加加筋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；米慧杰通過FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，研究了加筋路堤安全系數(shù)與路堤潛在滑裂面的關系，得出加筋可以提高路堤的穩(wěn)定性，促使路堤邊坡滑裂面向路堤深層移動；崔春義通過ADINA有限元軟件研究了填料性質(zhì)、筋材彈性模量、筋材布設間距對加筋路堤的影響；EI-Nagger 和Kennedy研究了水平和垂直荷載作用下加筋路堤的工作性狀，探討了路堤結(jié)構(gòu)形式、筋材布設間距和筋材長度對路堤位移、筋材拉力以及土體內(nèi)應力的影響規(guī)律。以上研究表明目前以安全系數(shù)控制結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性較為常用且成熟，在工程實踐中，路基變形是工程設計中重要的考慮因素，加筋陡坡路堤產(chǎn)生的水平位移導致加筋結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生的失穩(wěn)現(xiàn)象時有發(fā)生，對加筋陡坡路堤進行設計時，不僅要考慮其安全系數(shù)，還要將水平位移考慮在內(nèi)，這樣可以減少路堤失穩(wěn)的概率，因此，有必要以加筋土陡坡路堤變形對穩(wěn)定性進行控制進行研究。

該文以G216線民豐至黑石北湖公路建設項目K213+080～K213+180段的土工格柵加筋陡坡路堤為例，通過Midas GTS NX建模探討路堤水平位移對加筋路堤整體穩(wěn)定性的影響規(guī)律。從增強路堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和減小路堤水平位移的角度出發(fā)，對土工格柵加筋陡坡路堤進行優(yōu)化設計。

2 工程概況

G216線民豐至黑石北湖公路建設項目起點位于民豐縣內(nèi)，穿越昆侖山脈，止于黑石北湖K284+432處，全長約285 km，山區(qū)段按三級公路標準建設，路面結(jié)構(gòu)采用瀝青混凝土路面。該項目大部分段落工程地質(zhì)分區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中高山區(qū)的構(gòu)造、剝蝕殘丘區(qū)，地形起伏較大，深切現(xiàn)象明顯，丘陵地貌，海拔一般4 940～5 040 m，工程施工難度極大?？紤]到混凝土圬工工程可施工時間段，K213+080～K213+180段原地面橫坡較陡，采用土工格柵加筋陡坡路堤替代混凝土擋墻收縮坡腳，選取K213+160斷面作為設計優(yōu)化斷面，其高度為17.90 m，路堤寬度為9.54 m，加筋材料為耐低溫性能好的高密度聚乙烯單向土工格柵，設計極限抗拉強度為80 kN/m，綜合折減系數(shù)為5，設計容許抗拉強度為16 kN/m，格柵布設方式見表1。

表1 土工格柵層位設計(上疏下密)

3 數(shù)值建模

3.1 模型建立

對K213+160斷面進行數(shù)值建模(圖1)，模型高度為17.90 m，路堤寬度為9.54 m，路堤左邊的邊坡坡率為1∶1，路堤右邊的邊坡坡率為1∶1.5，數(shù)值模型的材料參數(shù)見表2。

表2 材料計算參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

3.2 材料本構(gòu)關系與參數(shù)設置

對加筋路堤進行模擬時，本構(gòu)模型和計算參數(shù)的選取對模擬結(jié)果具有決定性的影響。該文模型的模擬對象分為填土、土工格柵和地基土，其中填土和地基土為粗粒土，根據(jù)類似土樣與土工格柵復合體的大型三軸試驗結(jié)果，土的本構(gòu)關系設置為摩爾-庫侖模型。土工格柵在工作狀態(tài)下應力應變關系位于彈性范圍內(nèi)，根據(jù)土工格柵的拉伸試驗結(jié)果，土工格柵的本構(gòu)關系為彈性模型。

3.3 接觸面建立

采用Midas GTX NX軟件內(nèi)置的goodman單元作為筋土接觸單元，其界面接觸參數(shù)主要有黏聚力、內(nèi)摩擦角、法向剛度和切向剛度4個參數(shù)。土工格柵截面和接觸特性參數(shù)如表3所示。

表3 界面接觸參數(shù)

4 參數(shù)敏感性分析

在加筋陡坡路堤數(shù)值模型基礎上，通過在數(shù)值計算中改變邊坡坡率、填土內(nèi)摩擦角、填土黏聚力、土工格柵間距、土工格柵彈性模量以及邊坡分級方式，分析各參數(shù)變化對加筋路堤穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

4.1 路堤邊坡坡率對穩(wěn)定性的影響

4.1.1 坡率1∶1

對所選取的路堤斷面進行筋材的重布設，記路堤土工格柵原布設方式為“上疏下密”型，另外增加“均布”型(間距60 cm)和“中間密”型土工格柵布設方式(表4)。

表4 土工格柵層位設計(中間密)

3種筋材布設方式中，“上疏下密”型加筋體的最大水平位移為6.38 cm，“均布”型為12.71 cm，而“中間密”型為10.37 cm，可以看出：當采用“上疏下密”筋材布設方式時，路堤的最大水平位移最小，說明此時路堤變形比其他工況小。

分析3種筋材布設方式所對應的路堤潛在滑裂面分布(圖2)，可以看出：“上疏下密”型布筋方式下的路堤安全系數(shù)最大，說明此時路堤結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。安全系數(shù)偏大的路堤潛在滑裂面更靠近路堤內(nèi)部，結(jié)合布筋方式對加筋路堤最大水平位移的影響規(guī)律，得出“上疏下密”型筋材布設方式可以有效減小路堤結(jié)構(gòu)的整體變形，增大路堤結(jié)構(gòu)的安全性能。

圖2 布筋方式與路堤滑裂面的關系(坡率1∶1)

4.1.2 坡率1∶0.75

在以上數(shù)值分析的基礎上，將坡率1∶1設置為1∶0.75，其他條件保持不變，加筋路堤最大水平位移見表5，路堤位移分布規(guī)律與坡率1∶1的路堤基本相同。圖3與圖2的滑裂面分布規(guī)律大體相同，但加筋路堤安全系數(shù)較1∶1坡率明顯減小，說明路堤邊坡較陡時，加筋路堤的穩(wěn)定性有所減弱，路堤的變形也有所增大。進一步驗證“上疏下密”布筋方式的加筋效果更加明顯，路堤下部筋材對路堤穩(wěn)定性的貢獻大于上部和中部區(qū)域，建議通過減小筋材布設層間距來增強高陡坡路堤的穩(wěn)定性。

表5 路堤最大水平位移

圖3 布筋方式與路堤滑裂面的關系(坡率1∶0.75)

圖2、3說明，加筋前路堤潛在滑裂面靠近邊坡坡面，加筋后潛在滑裂面向路堤內(nèi)部移動較為明顯?，F(xiàn)行規(guī)范通常以不加筋路堤的滑動面作為加筋體的滑動面，而實際上加筋以后，加筋邊坡的潛在滑動面的位置發(fā)生了變化。因此，建議在土工格柵加筋陡坡設計時，應將加筋后邊坡的滑動面作為設計時的潛在滑動面，再確定筋材布設長度。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，土工格柵加筋陡坡路堤的坡率越陡，路堤的最大水平位移越大，安全穩(wěn)定性越差。反之，坡率越緩，路堤的安全穩(wěn)定性越好，路堤整體變形越小。

4.2 填料參數(shù)對穩(wěn)定性的影響

4.2.1 黏聚力c

為了探究黏聚力c與路堤穩(wěn)定性的關系，對坡率1∶0.75的不分級邊坡進行數(shù)值分析，得到填料參數(shù)的改變對加筋路堤最大位移的影響規(guī)律。加筋路堤填料的黏聚力c值分別取3.3、7、10、14、18 kPa。

通過改變數(shù)值模型中填土的黏聚力，得到填土黏聚力變化對路堤滑動面位置的影響不大，填土黏聚力越大，路堤滑裂面越靠近路堤內(nèi)部(圖4)，反之，則靠近邊坡坡面。

圖4 填土黏聚力c與路堤滑裂面的關系

由圖4可知：黏聚力c為3.3～14 kPa時，加筋路堤最大水平位移受到較大的影響，填土黏聚力逐漸增大時，路堤安全系數(shù)逐漸增大，路堤最大水平位移減少趨勢較為明顯，當黏聚力超過14 kPa時，加筋路堤最大水平位移和安全系數(shù)幾乎沒有變化(圖5)。

圖5 填土黏聚力c與路堤位移關系曲線

從圖5可以看出：增大填土的黏聚力可以提高路堤的穩(wěn)定性，當黏聚力增加到14 kPa時，填土黏聚力繼續(xù)增大對路堤安全穩(wěn)定性的貢獻逐漸減小。另外，根據(jù)準黏聚力理論，填土中加入土工格柵后，由于筋材與土體之間的嵌阻咬合作用，加筋土的內(nèi)摩擦角φ沒變，但黏聚力增加Δc，土體的強度得到了明顯提高。

4.2.2 內(nèi)摩擦角φ

加筋路堤填土內(nèi)摩擦角φ值依次取33°、35°、38°、40°、43°。填土內(nèi)摩擦角對路堤滑裂面的影響規(guī)律(圖6)與填土黏聚力反映的規(guī)律差別較大。內(nèi)摩擦角數(shù)值越大，加筋路堤滑裂面距離邊坡坡面位置越近。

圖6 填土內(nèi)摩擦角φ與路堤滑裂面的關系

圖7為內(nèi)摩擦角與路堤最大水平位移的關系。由圖7可知，內(nèi)摩擦角逐漸增大時，路堤最大水平位移逐漸減小，加筋路堤安全穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大。選用內(nèi)摩擦角較大的填土可以有效限制路堤的水平位移，提高路堤的穩(wěn)定性。

圖7 填土內(nèi)摩擦角φ與路堤位移關系曲線

結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果，當填土其他參數(shù)相同時，選用黏聚力較大的填土可以增大路堤的安全穩(wěn)定性。通常細粒土的黏聚力大于粗粒土，但細粒土受含水量的影響較大，隨著含水量的增加，路堤填土的黏聚力和抗剪強度均呈現(xiàn)較大程度的下降，明顯降低路堤的安全穩(wěn)定性。因此，加筋路堤填料通常選用粗粒土，粗粒土的黏聚力小于細粒土，但摩擦角大于細粒土。路堤填料必須選用細粒土時，可以通過添加摻合料增大路堤填土的內(nèi)摩擦角。

4.3 筋材強度分布對穩(wěn)定性的影響

采用極限平衡法進行加筋陡坡設計時，通常是通過筋材整體強度來提供邊坡的抗滑力，無法考慮每層筋材對邊坡穩(wěn)定的貢獻，例如，選擇強度較高的筋材則筋材層間距較大，反之，選擇強度較低的筋材則筋材層間距較小。實際上，土工格柵布筋方式不僅對工程造價產(chǎn)生重要的影響，更將直接影響路堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。此外，根據(jù)影響帶理論，通過在土體中布設筋材，可以對筋材上下一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生一定的加固效應，筋材布設間距超過一定距離，加筋效果不明顯。筋材布設間距過小，筋材對土的加固范圍存在一定程度的重疊，增加施工工作量，影響加筋陡坡路堤的經(jīng)濟優(yōu)勢。

圖2、3都說明采用“上疏下密”的布筋方式，路堤整體穩(wěn)定性更好，路堤不易發(fā)生變形。將“上疏下密”與“均布”布筋方式進行對比，發(fā)現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)筋材布設間距對路堤的安全穩(wěn)定性影響較大。基于此，控制上級路堤筋材布設間距為60 cm，對下級路堤筋材布設間距進行調(diào)整，對加筋路堤進行數(shù)值分析，探討總抗拉強度不變的情況下筋材強度分布對路堤穩(wěn)定的影響規(guī)律。

4.3.1 加筋間距

對1∶1與1∶0.75兩種坡率的加筋路堤分別進行不同筋材布設間距的數(shù)值模擬，控制下級路堤鋪設筋材總抗拉強度保持不變，下級路堤筋材布設間距分別取0.4、0.5、0.6、0.7、0.9、1.2 m。分析路堤筋材布設間距的變化對路堤最大水平位移以及加筋體整體穩(wěn)定性的影響(圖8、9)。當路堤分級且坡率為1∶1時，不同筋材布設間距下的路堤穩(wěn)定性強于其他工況，路堤最大水平位移明顯小于其他工況。

圖8 筋材布設間距與安全系數(shù)關系曲線

圖10為6種筋材布設間距下所對應的加筋路堤滑裂面位置，由圖10可以得到：路堤分級后的滑裂面位置向內(nèi)部移動較為明顯，坡率1∶1的路堤滑裂面比坡率1∶0.75的滑裂面平緩。下級路堤筋材布設間距越大，路堤的滑裂面位置越靠近邊坡坡面，反之，滑裂面越靠近路堤內(nèi)部。

圖9 筋材布設間距與路堤最大水平位移關系曲線

圖10 筋材強度分布與路堤滑裂面關系

4.3.2 土工格柵彈性模量

通過改變原工況數(shù)值計算中的彈性模量數(shù)值，得到筋材彈性模量與路堤最大水平位移的關系(圖11)。

由圖11可知：土工格柵彈性模量為9.5 MPa時的路堤最大水平位移為8.5 cm，筋材彈性模量小于9.5 MPa時，路堤最大水平位移明顯增大，大于9.5 MPa時，路堤最大水平位移逐漸減小。當土工格柵彈性模量較小時，筋材自身強度較小，鋪在土體中不能對路堤起到明顯的加固作用。土工格柵彈性模量數(shù)值大于20 MPa時，路堤最大水平位移基本不再變化，說明筋材強度過剩。

圖11 筋材彈性模量與與路堤位移關系曲線

在土工格柵加筋陡坡路堤設計時，應該兼顧土工格柵強度與筋材布設層距離，土工格柵的強度不宜低于7 MPa，筋材的布設層距離不宜取值過大，不宜大于60 cm。對于高陡坡路堤，宜選用高強度的土工格柵提高路堤的穩(wěn)定性。

4.4 邊坡形式對穩(wěn)定性的影響

當陡坡路堤高度較大時，通常采用分級的形式對路堤進行分級修筑，對路堤斷面進行分級，下級加筋路堤的高度為10 m，上級高度取7.9 m，分級平臺寬度為3 m，筋材布設方式仍為上述3種(圖12)。土工格柵加筋陡坡路堤分級后的最大水平位移分布規(guī)律與不分級路堤整體相同(表6)，且分級路堤的最大水平位移整體偏小，其中路堤分級后最大水平位移相比不分級路堤最多減少29.9%。相同高度、相同的布筋方案，分級陡坡路堤相比不分級路堤路基穩(wěn)定性更高，邊坡的水平位移更小。路堤邊坡較陡且高度較大時，填土的黏聚力作用會有所減弱，對路堤邊坡進行分級，可以較大程度發(fā)揮填土黏聚力對路堤穩(wěn)定性的影響，這與介玉新通過離心模型試驗和有限元數(shù)值分析所得的結(jié)論一致。

圖12 布筋方式與分級路堤滑裂面的關系

表6 分級路堤最大水平位移

建議對安全性要求高，高度較高，設計條件復雜的陡坡路堤設計時進行分級，對于為節(jié)省占地，無法進行邊坡分級設計的情況，可優(yōu)先采用“上疏下密”型的布筋方式，也可以達到路堤結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的相關要求。

5 結(jié)論

(1)土工格柵加筋會改變路堤潛在滑動面的位置，加筋后潛在滑裂面會向路堤內(nèi)部移動，在土工格柵加筋陡坡路堤設計時，應將加筋后邊坡的滑動面作為設計時的潛在滑動面，再確定筋材布設長度。

(2)土工格柵加筋陡坡中路堤下部筋材對路堤的穩(wěn)定性貢獻大于邊坡中部和上部筋材，對于高度較高的土工格柵加筋陡坡路堤設計時，可優(yōu)先采用“上疏下密”型的布筋方式，采用“均布”布筋方案時，可適當提高邊坡下部土工格柵設計強度。

(3)填土內(nèi)摩擦角、黏聚力以及土工格柵彈性模量越大，加筋效果越明顯。在土工格柵加筋陡坡路堤設計時，應該兼顧土工格柵強度與筋材鋪設層間距，建議土工格柵的彈性模量不宜低于7 MPa，從“準黏聚力理論”和“筋材影響帶理論”角度出發(fā)，筋材的布設層間距不宜大于60 cm。

(4)土工格柵加筋陡坡路堤可以提高路堤的穩(wěn)定性，對安全性要求高、高度較高、設計條件復雜的陡坡路堤設計時進行分級，對于為節(jié)省占地，無法進行邊坡分級設計的情況，可優(yōu)先采用“上疏下密”型的布筋方式，這樣也可以達到路堤結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的要求。