高填方加筋新旧路堤现场试验与数值模拟分析.pdf
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1、第 29 卷 增 1 岩石力学与工程学报 Vol.29 Supp.1 2010 年 5 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May,2010 收稿日期:收稿日期:20090303;修回日期:修回日期:20090602 基金项目:基金项目:国家自然科学基金资助项目(50879059)作者简介:作者简介:王家全(1981),男,博士,2003 年毕业于广西大学土木建筑与工程学院土木工程专业,现为讲师,主要从事地基处理、道路与岩土测试、数值分析等方面的研究工作。E-mail: 高填方加筋新旧路堤现场试验与数值模拟分析高填方加筋新旧路
2、堤现场试验与数值模拟分析 王家全1,周 健2,3,丛 林4,邓益兵5(1.广西工学院 土木建筑工程系,广西 柳州 545006;2.同济大学 地下建筑与工程系,上海 200092;3.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092;4.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室,上海 200092;5.上海海事大学 海洋环境与工程学院,上海 200135)摘要:摘要:结合山区高速公路拓宽工程,对土工格室处治高填方新旧路堤进行现场试验,分析加宽高填方路堤侧向位移、沉降及土压力变化规律,研究格室处治效果。在现场试验的基础上,采用三维薄膜单元模拟土工格室的立体加筋性能,建立三维弹塑性模型
3、,分析土工格室受力特点,通过对相关参数的敏感性分析,揭示高填方加宽路堤的变形规律。结果表明,采用三维薄膜单元,能较好地反映土工格室处治现场高填方新旧路堤的规律。与现场试验相比,利用数值试验不仅能得到现场的加筋效果,而且还能通过分析筋材与填料参数的变化和筋材铺设间距来研究格室处治高填方路堤的规律,从而可进一步探讨格室加筋的机制。高填方路堤在加宽路基自重荷载作用下沉降主要集中在加宽路堤的中上部,侧向位移从路基顶面到底部依次逐渐减少。土工格室所在层位起到扩散荷载、减少侧向变形和不均匀沉降的作用。填料与筋材模量愈高,加筋间距愈小,加筋效果愈好,较为合理的铺设间距为 23 m。该研究成果对高填方路堤加筋
4、处理和新旧路基结合部处理均有借鉴意义。关键词:关键词:数值分析;加筋土;高填方;现场试验 中图分类号:中图分类号:O 241 文献标识码:文献标识码:A 文章编号:文章编号:10006915(2010)增 1294308 ANALYSIS BETWEEN NUMERICAL AND FIELD TESTS OF HIGH FILL REINFORCED WIDENING EMBANKMENT WANG Jiaquan1,ZHOU Jian2,3,CONG Lin4,DENG Yibing5(1.Department of Civil Engineering,Guangxi University
5、 of Technology,Liuzhou,Guangxi 545006,China;2.Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;3.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China;4.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering
6、of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China;5.College of Ocean Environment and Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 200135,China)Abstract:Associating with mountain freeway widening project,the field test of high fill old and new embankments of geocell treatment was
7、carried out to analyze the lateral displacement,settlement and soil pressure laws of high fill embankment,and the effect of geocell treatment is also studied.Based on field test,the three-dimensional thin membrane element is used to simulate geocell,and three-dimensional elastoplastic model is propo
8、sed.The geocell reinforced characteristics and the deformation law of high fill widening embankment by the sensitivity analysis of the relevant parameters are analyzed.The results show that the three-dimensional thin membrane element can better reflect treatment effect that geocell reinforces high f
9、ill embankment.Compared with the field test,the field reinforced effect by using numerical experiments is achieved,and the law of geocell 2944 岩石力学与工程学报 2010年 treatment of high fill embankment through the analysis of parameter change of geocell,filling and the spacing of reinforcement materials is a
10、lso achieved,and thus geocell reinforced mechanism is further discussed.Under itself gravity loads of widening embankment,the vertical displacement mainly is concentrated in the upper part of the widening embankment and lateral displacement gradually is reduced from the top surface to the bottom of
11、embankment.Geocell layer plays the role in decentralizing the load transfer,reducing the lateral deformation and differential settlements.The higher moduli of filling and reinforcement material are,and the smaller reinforcement spacing is,and the reinforcement effect is better.The reasonable distanc
12、e for the geocell spacing is 23 m.These conclusions may be useful to the design and analysis of reinforced-embankment on high fill and the interface between new and old embankments in widened embankment.Key words:numerical analysis;reinforced soil;high fill;field test 1 引引 言言 高填方拓宽路堤工程,涉及到路堤本身的变形与稳定
13、问题,尤其对于新旧路基搭接段的处治,有助于减少路堤不均匀变形,而土工合成材料由于其在路堤工程中的优良表现,越来越受到工程界的重视。晏长根等1通过试验研究了土工格室有助于提高地基承载力;王炳龙等2进行了不同高度土工格室处治基床病害的现场试验研究;R.H.Chen 和 Y.M.Chiu3通过土工格室加筋挡墙模型试验研究了土工格室加固破坏机制;而L.C.Kevin 和F.Jonathan4基于极限平衡分析地基极限承载力,研究比较了 2种土工格栅加固路基的设计方法;张 胜和赵华宏5对土工格室在软土地基处理进行了研究。土工合成材料的试验研究较多,现有研究成果主要集中在筋材规格与填料力学性能及加筋体的刚度
14、、厚度、埋深等因素对其加固效果影响的研究6,7。已有的试验研究及工程实践8表明,土工格室用于路堤与地基,能均化地基土中的应力分布,减少路堤不均匀沉降。而有限元法可以考虑各种复杂的工况与边界条件,便于分析土工合成材料加筋效果911,钱劲松等12利用有限元的薄膜单元研究了土工格栅加筋路堤的机制。P.K.Basudhar 等13使用有限元法中的接触条件模拟土工材料加筋砂层在条形荷载作用下的特性。纵观各国相关文献报道,现有数值分析只局限于定性分析,主要是通过建立二维数值模型,考虑个别影响因素(如路堤高度、加筋体刚度等),且大多数加筋路堤研究是针对软土路堤的软弱特性,对于山区高填方新旧路堤进行土工格室加
15、筋处治的研究还相对较少。本文结合山区高速公路拓宽工程,进行现场试验,分析高填方路堤侧向位移与沉降规律,研究格室处治效果。在现场试验的基础上,采用三维薄膜单元模拟土工格室,建立三维弹塑性模型,对土工格室处治新旧高填方路堤进行数值模拟,分析新旧路堤搭接段格室受力特点,比较不同填料模量、格室模量以及不同铺设间距对加筋效果的影响,揭示高填方加宽路堤的变形规律,可为相关工程设计提供参考。2 工程概况工程概况 该山区高填方路段为高速公路旧路加宽路堤,属于新旧路基搭接路段,共分为 3 级平台放坡,路堤总高度约为 28 m。该路段全线设计时速 80 km/h,原路基顶宽 12 m,加宽后路基宽度为 24.5
16、m。根据沿线的地质勘察和现场调研,该高填方路段大部分是土石混填路基,且地处贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带,属构造侵蚀剥蚀山间沟谷地貌。其中场区内地层主要由人工填土、第四系残坡积层亚黏土,下伏基岩为石炭系下统旧司组黑色炭质页岩,该地段无断层通过,地层单一,场地较稳定。表 1为老路堤底部土性参数。表 1 场地土质物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of site soils 土类容重/(kNm3)相对密度孔隙比 内摩擦角/()黏聚力/kPa 压缩模量/MPa 填筑土17.8 2.720.93 11.98 27.687.2 亚黏土16.7 2.
17、710.85 10.79 12.006.1 为保证该高填方加宽路堤稳定,在路堤底部每间隔 1 m 进行了 1 层格室处治,连续进行 3 层格室处治,增强地基的承载力与侧向约束能力。在加宽路堤其余部位间隔 3 m 设置一层土工格室,并与老路堤搭接 2 m 以上,对于新老路堤结合部,加筋处治后还进行了重点碾压。第 29 卷 增 1 王家全,等.高填方加筋新旧路堤现场试验与数值模拟分析 2945 3 现场试验现场试验 3.1 现场路堤剖面试验概况现场路堤剖面试验概况 图 1 为现场试验高填方路堤断面,在第一及第二级平台分别埋设了一根测斜管,观测填土过程中以及工后的路堤边坡深层侧向位移;同时在每级平台
18、处埋设沉降桩,观测填土过程中以及工后路堤填土的竖向沉降;土压力分 2 层埋设,一层设在填方边坡原地表标高处,另一层设在路堤边坡中间位置,均位于土工材料处治层下。另外,在没有加筋处理段相同标高部位埋设一样的土压力盒,以便对比分析格室处治效果。图 1 现场试验高填方路堤断面 Fig.1 Field test of high fill embankment sections 3.2 深层侧向位移分析深层侧向位移分析 图 2 为第一、二级平台处深层侧向位移变化曲线,从图中可以看出:随着填方路堤填筑高度的增加,开始阶段侧向位移均发展较快,施工期结束后,(a)第一级平台位置 (b)第二级平台位置 图 2
19、平台处深层侧向位移变化曲线 Fig.2 Field test of high fill embankment sections 侧向位移趋于收敛阶段;第一级平台处累计最大位移为 76 mm,而第二平台处测斜管最大位移为 58 mm,2 处的侧向位移速率均远小于 1.0 mm/d,满足深层位移控制要求,路堤稳定。3.3 沉降分析沉降分析 图 3 为各级平台处沉降和填筑高度变化曲线,从图中可以看出,在填筑开始阶段,各级平台沉降发展较快,主要原因是路堤自身重力随着填筑高度的增加而增加,从而使得路堤自身土层产生较为明显的压缩变形。从各级平台沉降图可以看到,路堤填筑结束后,路堤的沉降变形趋于缓和,特别是
20、从2008 年 12 月以后的观测结果表明,沉降变形趋于缓和,已进入收敛阶段。(a)第三级平台 806040200204060200805292008061320080628200807132008072820080812200808272008091120080926200810112008102620081110200811252008121020081225沉降/mm 填筑高度/m 日期/年月日 0 4 8 1216202410 20 50 80 位移/mm深度/m 20080725 20080805 20080925 20080930 20081025 20081126 2008121
21、0 20081220 20090108 024681012141618102050 80 位移/mm 深度/m 20080520 20080601 20080629 20080731 20080830 20080930 20081029 20081130 20090108 2946 岩石力学与工程学报 2010年 (b)第二级平台 (c)第一级平台 图 3 沉降和填筑高度变化曲线 Fig.3 Settlement variation curves of settlements and filling heights 从图 3 中还可以看出,第一、二和三级平台总沉降量分别为 122,162 和
22、85 mm,第一、二级的沉降量远大于第三级的沉降量,说明路堤自身的压缩变形相当明显,路堤上部沉降大于下部沉降。3.4 土压力分析土压力分析 为了分析和比较,在对应的同一张图上,绘制了按土的重度为 18.2 kN/m3计算的理论竖向土压力和填土高度关系图。在格室断面与未加筋断面的相同标高位置,选取对应的土压盒进行比较分析。从图 4 中可以看出,土压力数值随填土高度增大而增大,在开始阶段,土压力增长随填土高度线性变化,随着加宽路堤的收坡填筑,土压力数值也由线性变化过渡为缓慢增加的曲线形式。从图 4 可以发现,格室对路堤土压力的扩散效果。在填筑达到一定高度后,格室层位下测得的土压力值均小于相同位置无
23、加筋层位下的压力值,表明格室层应力扩散效果明显。主要原因是格室属于立体加筋材料,具有较强的侧向约束能力,从而使得格室层的整体刚性大幅度提高,起到较强的扩散荷载作用。(a)路堤底部 (b)路堤中部 图 4 土压力与填土高度变化曲线 Fig.4 Soil pressures with different heights of filling 4 三维数值模型三维数值模型 对于加筋路堤结构层的计算,有多种模拟方法,较为普遍的方法是将土工合成材料视为拉力膜,首先建立描述土工合成材料与土体相互作用模型,采用连续介质力学的有限元方法进行分析。最后通过现场试验对数值分析所得结果进行可靠性评价。4.1 格室薄
24、膜单元格室薄膜单元 土工格室是立体加筋结构,只能受拉,不能受压,是一种类似薄膜的材料。本文利用 ANSYS 程序提供的 SHELL 单元来模拟土工格室的结构性状。如图 5 所示,SHELL 是一个三维构件,平面内具有膜强度但平面外没有弯曲强度,设定几何尺寸后,由多个 SHELL 单元空间组合即可得到需要的格室形状,该图中的三角形代表该 SHELL 单元支持简化为三角形形式,以满足不同网格划分需要(图中:xIJ为没有定义单元坐标时的 x 轴,x 为定义了单元坐标时的 x 轴)。构件在每个节点有 3 个自由度:沿节点 x,y,z 轴向的移动。构件定义为 4 个节点,4个厚度,材料方向角和正交各向异
25、性材料性质,正交各项异性材料方向对应单元坐标系。在本文中,格室单元 4 个厚度均一致,默认为均质材料。大量 图 5 薄膜单元结构图 Fig.5 Schemes of membrane cell structure 180 150 120 9060300 30 60 20080628200807132008072820080812200808272008091120080926200810112008102620081110200811252008121020081225沉降/mm 填筑高度/m 日期/年月日 050100150200024 6 8 10填筑高度/m 土压力/kPa 理论值格室无
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