陳興專,洪寶寧,劉 鑫

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098;3.河海大學(xué)隧道與城市軌道工程研究所,江蘇 南京 210098)

廣東省西南山區(qū)分布著大量的高液限土,高液限土具有弱膨脹性、裂隙性和崩解性等特殊的工程性質(zhì),一經(jīng)擾動(dòng)很容易破壞其原狀結(jié)構(gòu)而造成地基強(qiáng)度急劇下降,對線路建設(shè)危害較大,故對高液限土路堤需進(jìn)行加固處理。

考慮到當(dāng)?shù)貜?fù)雜的地質(zhì)與氣候條件,一般的加固方法不僅建設(shè)費(fèi)用高,而且施工效率低,工期長。用土工格柵加筋墊層來加固山區(qū)高液限土地基,是一種合理、科學(xué)而且經(jīng)濟(jì)的工程措施。前人對土工格柵加筋在工程中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究,王虎妹等研究了土工格柵加筋粉煤灰路堤,提出了合理的加筋方案[1];張志清對高填方黃土路堤的加筋設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了擴(kuò)展研究,認(rèn)為對黃土路堤加筋,能有效提高其整體穩(wěn)定性,減少或避免濕陷性沉降[2];王仕傳等從地基中動(dòng)偏應(yīng)力分布的角度,揭示了土工格柵加筋對于減小交通荷載引起的軟土地基累積塑性變形的意義和機(jī)理[3];楊林華通過具體的模型試驗(yàn)對土工格柵加筋路堤邊坡的變形進(jìn)行了研究,認(rèn)為加筋能提高土體整體性,使應(yīng)力應(yīng)變在邊坡土體內(nèi)分布更均勻[4];顧長存等采用通用非線性有限元ABAQUS程序分析了加筋前后路堤的豎向位移和側(cè)向位移,認(rèn)為土工格柵加筋能有效地降低軟土路堤的豎向位移和水平位移[5]。目前,土工格柵加筋高液限土路堤的研究較少,本文在已有成果的基礎(chǔ)上,針對高液限土特殊的工程性質(zhì),運(yùn)用Plaxis軟件就格柵加筋高液限土的效果進(jìn)行了數(shù)值分析,同時(shí),重點(diǎn)探討了加筋位置、加筋間距、筋材剛度等對加筋高液限土路堤穩(wěn)定性的影響,并依據(jù)探討的結(jié)果采用優(yōu)化的加筋設(shè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),論證其可行性。

1 工程概況

廣東某高速公路全長132.5 km,最大填土高度24 m,地形地貌主要為低緩丘陵區(qū)夾山間洼地,山間洼地為第四系松散沉積層,一般分布有帶狀、點(diǎn)狀的軟弱地基土。低緩丘陵覆蓋層主要為坡殘積粉質(zhì)粘土,巖基為紅色、紫紅色的砂礫巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖,工程性質(zhì)一般。軟土層厚度多在10 m左右,主要是粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化的礫巖和泥質(zhì)粉砂巖。此外還分布著大量的高液限土,高液限土具有弱膨脹性、裂隙性和崩解性等特殊的工程性質(zhì),不能用來直接填筑,需采用加筋或摻砂改良的施工工藝。該工程段土層力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2 Plaxis數(shù)值模擬

Plaxis程序是荷蘭開發(fā)的巖土工程有限元軟件,能夠模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件,尤其適合于變形和穩(wěn)定分析[6-9]。Plaxis程序能夠計(jì)算2類工程問題,即平面應(yīng)變問題和軸對稱問題。

2.1 模型建立

計(jì)算模型基底寬度取42 m,地基深度取值3 m,填土高度取值12 m,路基邊坡坡比值1∶1.5,路基頂寬取(半幅)12 m。考慮便于施工的因素,土工格柵沿橫向通長布設(shè),豎向間距2 m,6 m～8 m高的路堤可布置1道土工格柵,8 m以上,按間距2.0 m控制布設(shè)土工格柵。僅考慮土體自身重量影響。土體間上、下臥層及褥墊層剛度小,在受荷過程中,會(huì)發(fā)生塑性變形,因此采用摩爾-庫侖彈塑性模型。模型如圖1。

圖1 基于Plaxis的加筋路堤模型

計(jì)算采用的路堤土與地基土參數(shù)如表2所示,土工格柵參數(shù)如表3所示。

表2 路堤土與地基土參數(shù)

表3 土工格柵參數(shù)

2.2 結(jié)果及分析

通過改變高液限土路堤的填筑高度:8 m,10 m,12 m,14 m,得到不同高度下路基表面中心點(diǎn)的豎向位移(如圖2),不同高度下路基表面邊坡點(diǎn)的側(cè)向水平位移(如圖3),不同高度下安全系數(shù)FS如圖4。

圖2 加筋對豎向位移的影響

圖3 加筋對側(cè)向位移的影響

由圖2可知,路堤加筋以后,路堤中心點(diǎn)的豎向位移較未加筋時(shí)有明顯降低,降低了大約11%～13%,說明加筋墊層能明顯的降低路基的沉降,均化路堤荷載對地基的作用,減少地基層附加應(yīng)力的分布,改善路堤下土層變形和受力情況。

由圖3可知,路堤加筋以后,路堤表面邊坡點(diǎn)的側(cè)向位移較未加筋時(shí)明顯降低,降低了大約46%～51%,說明加筋墊層能有效促進(jìn)土體的應(yīng)力重新分布,加強(qiáng)筋土兩者的共同作用,提高路堤的穩(wěn)定性。

圖4 加筋對安全系數(shù)的影響

由圖4可知,路堤加筋后,不同填筑高度下的安全系數(shù)大約提高了31%～43%,說明格柵加筋能有效提高路堤的安全系數(shù),提高整體穩(wěn)定性。

總之,加筋墊層的加入,改善了路堤土層的變形和受力性狀,無論對于豎向位移還是側(cè)向位移都有十分顯著的抑制作用,提高路堤的安全系數(shù),大大增強(qiáng)了路堤的穩(wěn)定性。但是相對豎向位移而言,加筋對側(cè)向位移的抑制作用更為明顯,這和土工格柵具有很強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度而抗彎剛度較弱有關(guān)。

3 加筋高液限路堤安全系數(shù)的影響因素

判斷路堤是否穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)就是其安全系數(shù)是否能滿足規(guī)范要求,因此我們以上述計(jì)算模型為基準(zhǔn),分別變換不同的影響因素(筋土界面作用、加筋位置、加筋間距、筋材剛度等),建立不同的有限元模型,再進(jìn)行計(jì)算分析,找出不同因素對安全系數(shù)的影響規(guī)律,從而得出各個(gè)因素對路堤穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

3.1 筋土界面作用對安全系數(shù)的影響

取4種不同的高液限土,土體1:c=20 kPa,φ=12°;土體 2:c=25 kPa,φ=16°;土體 3:c=30 kPa,φ=20°;土體 4:c=35 kPa,φ=24°,按間距2.0 m 控制布設(shè)土工格柵,計(jì)算它們在不同填筑高度下的安全系數(shù),如圖5。

由圖5可知,土質(zhì)越好的土體,其加筋安全系數(shù)也越高,說明在不同的填料性質(zhì)下,土工格柵和土之間的相互作用不同,在Plaxis軟件中,采用界面單元模擬兩者之間的作用,并用折減系數(shù)Rinter反映兩者作用的程度,Rinter越大,相互作用越大,土體越好,故土體1到土體4的 Rinter分別取值為0.2、0.4 、0.6 、0.8 。

圖5 不同土體加筋安全系數(shù)

3.2 加筋間距對安全系數(shù)的影響

以土體1為例,分別按2 m、1 m、0.5 m間距布設(shè)土工格柵,計(jì)算它們在不同填筑高度下的安全系數(shù),如圖6。

圖6 不同加筋間距安全系數(shù)

由圖6可見,這三條折線隨土工格柵間距的加密稍有提高,說明圖示加筋間距范圍內(nèi),安全系數(shù)變化不大,過小的加筋間距對有效提高路堤穩(wěn)定性作用有限,所以在工程中要控制合理的加筋間距,避免不必要的浪費(fèi)。

3.3 加筋位置對安全系數(shù)的影響

以土體1為例,分別在路堤底部、上部和中部從下往上按間距2.0 m控制布設(shè)土工格柵,布設(shè)三層,計(jì)算它們在不同填筑高度下的安全系數(shù),如圖7。

圖7 不同部位加筋安全系數(shù)

由圖7可見,加筋位置的不同將影響加筋的效果,相對于未加筋的情況,土工格柵鋪設(shè)于路堤底部、中部、上部時(shí),路堤的穩(wěn)定性分別提高了39.13%、18.11%、9.16%。說明鋪設(shè)土工格柵時(shí),應(yīng)鋪設(shè)于底部,具體高度根據(jù)路堤的填筑高度而定。

3.4 筋材剛度對安全系數(shù)的影響

以土體1為例,按間距2.0 m控制布設(shè)土工格柵,加筋剛度分別為106kN/m、105kN/m、104kN/m、103kN/m,計(jì)算在不同高度下安全系數(shù),如圖8。

圖8 不同剛度筋材對安全系數(shù)的影響

由圖8可見,筋材剛度的不同將影響加筋的效果,相對未加筋的情況,加筋剛度分別為106kN/m、105kN/m、104kN/m、103kN/m時(shí)路堤的穩(wěn)定性分別提高了68.21%、56.32%、39.46%、23.16%。說明鋪設(shè)土工格柵時(shí),應(yīng)盡可能選擇剛度較好的筋材。

3.5 包邊(蓋)的處理對安全系數(shù)的影響

高液限土路基的穩(wěn)定性分析,安全系數(shù)的取值可參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[10](JTGD30-2004)軟土地基的處治設(shè)計(jì)內(nèi)容,當(dāng)計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范中表7.6.4-1規(guī)定時(shí),如表4所示,應(yīng)針對穩(wěn)定性進(jìn)行處理。按照此規(guī)范,高液限土體1即使采用土工格柵加筋也不能完全滿足規(guī)范的安全系數(shù)要求,所以對高液限土而言,為了提高其水穩(wěn)定性,填筑時(shí)應(yīng)進(jìn)行包邊(蓋)處理。

表4 穩(wěn)定安全系數(shù)

高液限土的包邊(蓋)處理是指用低液限的符合填筑要求的土對高液限土進(jìn)行包圍填筑,以解決高液限土干縮濕脹的工程性質(zhì)。

高液限土的包邊(蓋)處理要滿足兩個(gè)條件,一方面是路面不均勻沉降的要求;二是防止雨水滲透和水分蒸發(fā)、以及干濕循環(huán)的影響深度要求的包邊(蓋)厚度。包邊(蓋)處理應(yīng)選用土質(zhì)較好的粘性土,具體要求如下:①包邊的水平寬度要符合沉降和防水分滲透和蒸發(fā)的要求,一般要2.5 m～3 m;②封層土厚度的控制主要表現(xiàn)為上部封頂土的厚度和墊層封底土的厚度。墊層封底土的厚度應(yīng)根據(jù)底基層的承載要求和毛細(xì)水上升高度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定,一般取0.5 m。上層封頂土的厚度應(yīng)依據(jù)上路床的承載和彎沉要求確定,一般取1.5 m～3.0 m。

以土體1為例,按間距2.0 m控制布設(shè)土工格柵,進(jìn)行包邊(蓋)處理,封頂土厚2 m,墊層土厚0.5 m,包邊土水平寬度2.5 m,計(jì)算不同填筑高度下的安全系數(shù),如圖9。

圖9 不同處理措施對安全系數(shù)的影響

由圖9可知,經(jīng)過包蓋邊處理后的路堤安全系數(shù)較之前加筋處理提高了21%左右,說明包蓋邊處理能明顯提高路堤的穩(wěn)定性,在工程施工中,遇到土質(zhì)不好的土?xí)r,例如高液限土,要按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行路堤的包邊(蓋)處理,提高路堤的水穩(wěn)定性,增強(qiáng)路堤的整體穩(wěn)定性。

4 優(yōu)化加筋高液限土路堤在云羅高速公路中的試驗(yàn)驗(yàn)證

廣東某高速公路沿線分布著大量高液限土,取某路段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),該路段最大填筑高度16 m,分別在該路段取相近的不同試驗(yàn)段:段1、段2和段3,段1未作任何加筋處理,布設(shè)觀測點(diǎn)a1和a2;段2半邊布設(shè)土工格柵,b1觀測點(diǎn)不布土工格柵,b2觀測點(diǎn)布土工格柵;段3布設(shè)土工格柵,取觀測點(diǎn)c1和c2。根據(jù)第3節(jié)論述,土工格柵加筋采用優(yōu)化設(shè)計(jì):高密度聚乙烯單向土工格柵(HDPE),型號(hào)為GE170R,軸向EA=105kN/m,底部三層布設(shè),間距為2 m,寬度24 m,鋪設(shè)不允許有褶皺,應(yīng)用人工拉緊,必要時(shí)可采用插釘?shù)却胧┕潭ㄓ谔钔翆颖砻?。監(jiān)測期間觀測頻率如表5。

整理觀測數(shù)據(jù),得到土工格柵對高液限土路堤累計(jì)沉降的影響,見表6。土工格柵對高液限土路堤累積深層水平位移的影響,見圖10。

表5 觀測頻率

表6 土工格柵對高液限土路堤累計(jì)沉降的影響

圖10 土工格柵對路堤累計(jì)深層水平位移的影響

通過表6可知,土工格柵處理后的路堤累計(jì)平均沉降為23.5mm,未加筋處理的路堤累計(jì)平均沉降量為68.6mm,說明高液限土路堤經(jīng)過加筋處理后,路堤沉降明顯降低。由圖10可知,土工格柵處理后的路堤最大水平位移為7.1mm,未加筋處理路堤的最大水平位移為37.5mm,說明高液限土加筋處理后水平位移明顯降低,且水平位移降低比沉降降低的效果更明顯,原因是土工格柵具有較強(qiáng)的抗拉剛度而抗彎剛度較弱?？傊?采用優(yōu)化的加筋處理能顯著降低路堤的表面沉降和深層水平位移,提高路基的穩(wěn)定性,現(xiàn)場觀測也論證了這一點(diǎn):未加筋測點(diǎn)附近,尤其是測點(diǎn)a2附近,路堤出現(xiàn)了明顯的沉降和裂縫,而加筋處理處的測點(diǎn)這樣的現(xiàn)象均不明顯,只是測點(diǎn)b2處表面出現(xiàn)了斷斷續(xù)續(xù)的縫隙,并且沒有發(fā)展為連貫的裂縫,也沒有相關(guān)的跡象。

5 結(jié) 論

(1)筋土界面相互作用對路堤穩(wěn)定性影響明顯,因此在工程應(yīng)用中建議選取能和土工格柵緊密結(jié)合的填料并提高其壓實(shí)度。

(2)2 m、1 m、0.5 m加筋間距不能明顯提高高液限土路堤的穩(wěn)定性,說明單純提高加筋間距在工程應(yīng)用中效果不明顯。

(3)加筋的位置對路堤穩(wěn)定性有很大的影響,加在路堤中部和上部的格柵,對路堤的穩(wěn)定性并沒有很明顯的改善作用。因此,建議將加筋位置選擇在盡量靠近堤底的位置,以更好地發(fā)揮加筋作用。

(4)筋材剛度越大,加筋穩(wěn)定性效果就越明顯,建議工程中盡量選用抗拉強(qiáng)度高、延伸率低的格柵材料。

(5)工程應(yīng)用中選用高液限土填筑時(shí),不僅要進(jìn)行加筋處理,還需按照相關(guān)要求進(jìn)行包蓋邊處理,以達(dá)到規(guī)范的穩(wěn)定性要求。

(6)現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證:采用優(yōu)化的加筋處理能顯著降低路堤的表面沉降和深層水平位移,且水平位移比表面沉降降低的效果更明顯。

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