黄土加筋路堤的数值模拟及性能分析.pdf

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1、第23卷 第12期2006年12月 公 路 交 通 科 技Journal of Highway and Transportation Research and DevelopmentVol123No112Dec12006文章编号:10020268(2006)12003205收稿日期:20051021基金项目:北京自然科学基金资助项目(8022005);北京工业大学研究生科技基金资助项目(YK J200440)作者简介:陶连金(1964-),男,黑龙江鸡西人,教授,博士生导师,从事土工合成材料、隧道和岩土工程方面的研究 1(ljtao bjut1edu1cn)黄土加筋路堤的数值模拟及性能分析陶连

2、金,张印涛,邹祖银,王 法(北京工业大学,北京 100022)摘要:采用FLAC数值方法对黄土加筋路堤施工全程进行模拟,基于室内压缩试验和FISH动态模量输入的方法来描述土体的压实,利用土体在不同围压下的压缩模量来计算其变形模量,并用该法对宁夏黄土地区高速公路某路堤加筋试验工程进行了模拟,模拟结果和实测值较为接近。结果显示:随着路堤施工的推进,长短筋材发挥的作用不断变化,在路堤填土高度不高时,长短筋材受力区别不明显,填土高度增大时,短筋受力逐渐减少,长筋受力不断增大;并且,据长筋的受力特点可以分为3个区域:边缘区、受力区,内部区。对黄土路堤加筋效果的评价不仅应包括对筋材和路堤稳定性的提高,而且

3、还应包括筋材对路堤不均匀沉降和基底土压力的调整作用。研究结果为土工合成材料在黄土中的推广应用提供了有益的探索。关键词:黄土;加筋路堤;路基稳定性中图分类号:U416112 文献标识码:APerformance Analysis of a Reinforcing Loess Embankment Using Numerical MethodTAO Lianjin,ZHANG Yintao,ZOU Zuyin,WANG Fa(Beijing University of Technology,Beijing100022,China)Abstract:The construction process

4、of loess reinforcement embankment is modeled using FLAC1Based on uniaxial compression test anddynamic modulus input technique with programmable FISH,the compact quality of loess can well be depicted1The method used tocalculate loess deformation modulus under different pressures is proposed,and the c

5、ompaction performance can be well modeled1Areinforcing expressway embankment in Ningxia is modeled using this method,and the results are close to the field data1As theembankment constructed,the mechanical performances of long geogrid and short geogrid are different1When the embankment becomeshigher,

6、the tension force of short geogrid weakens;while the tension force of long geogrid increases quickly1The comment on the effectof reinforcement should not only include embankment stability improvement,but also should include the effect of adjusting unevensettlement and base stress of embankment1These

7、 results may help promote the application of geosynthetics in loess embankment1Key words:loess;reinforcing embankment;stability0 引言随着西部大开发的实施,给西部交通建设带来了重大机遇,同时也遇到了许多岩土问题的挑战,其中黄土地区的筑路技术是面临的难题之一。在西北地区广泛分布的黄土颗粒级配均匀、多孔隙、天然含水量小、含有大量碳酸盐,具有渗透性、湿陷性、易崩解等特性。作为带状工程的公路就不可避免地穿越沟壑纵横的黄土冲沟及河谷区,进行大量开挖或填筑,形成黄土高路堤、深路堑

8、,由于黄土性质特殊,容易产生沉陷变形、坍塌与边坡滑动、土桥病害等一系列路堤病害。加筋土技术是岩土工程领域的一场革命,它的出现为上述问题的解决提供了一种途径,加筋土不但发 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/挥了筋材的抗拉能力、增加了土的抗剪能力,而且提高了加筋土结构对变形的适应能力,然而由于黄土的特殊性,黄土路堤的加筋机理、加筋效果、有效加筋方式等问题亟待解决。文献1用三轴试验方法研究了加筋黄土的应力 应变及强度特性,用复合材料观点及应力圆法解释了加筋土强度

9、提高的原因,文献2探讨了在各种不同加筋方式和围压下加筋机理。然而,由于试验手段的限制和黄土性质的多变化,加筋土的三轴试验结果如何与现场应用相联系,应当进一步研究。由于土体具有弹塑性性质,土体的应力历史对其力学性能有重要影响,在路堤建造过程中黄土会被压实,土体性质会发生明显变化,如何考虑这种变化对计算分析路堤的受力、变形和稳定具有重要意义。本文采用FLAC数值方法对黄土加筋路堤施工全程进行模拟,采用基于室内压缩试验和FISH动态模量输入的方法来描述土体的压实,并用该法对宁夏黄土地区高速公路某路堤加筋试验段进行了模拟,模拟结果和实测值较为接近。在此基础上分析了格栅内力变化规律并评价了该试验路段的加

10、筋效果。1 分析模型采用FLAC数值方法对路堤的施工全程进行了模拟,土工格栅采用锚索(cable)结构单元,单元本身只抗拉不抗压,忽略其自身的重量,锚索单元的端点直接与土体相连。格栅本构关系拟采用理想弹塑性模型。路堤的建造是一个土体压实的过程,在此过程中土体的模量和密度也随之增大,如何考虑这种变化对于计算土体应力应变和格栅受力具有较大的影响,一般路堤土采用DuncanChang模型,但该模型不反映土体压实,比较适用于路堤建好后在其上加载的情况。因此,对于路堤土采用基于MohrCoulomb破坏准则的弹塑性模型,土体模量会根据监测的应力水平而变化,对这种变化的描述则借助于单向压缩试验、土体压缩模

11、量修正模型和FLAC内置FISH语言实现,具体的动态模量输入流程如图1所示。根据土压缩模量修正模型3,修正公式为E0=ES,(1)式中,E0为土的变形模量;ES为土的室内单向压缩模量;为修正系数。路堤的基底土是原状土而非重塑土,适合用DuncanChang模型,但这种模型复杂,参数较多,本文仍采用MohrCoulomb模型来描述,在路堤建造过程中不再改变其性质。图1 动态模量输入流程图Fig11Input scheme of dynamic modulus2 黄土加筋路堤试验211 试验段工程概况试验选择宁夏某高速公路辅道K13+150K13+210段,该段与公路主路基本平行,沿途被I级非自重

12、湿陷性黄土覆盖。根据设计方案,路堤高度813m,在其中铺设4层格栅,并在路基中埋设5个沉降板和测量竖向、水平应力的16个土压力盒,以对施工过程和加筋效果进行监测。格栅铺设、压力盒、沉降板位置以及土工格栅力学性能参数如图2和表1所示。表1 土工格栅主要参数指标Tab11Main parameters of geogrid指标单位面积质量(gm-2)屈服抗拉强度(kNm-1)屈服延伸率%2%伸长率的拉伸力(kNm-1)5%伸长率的拉伸力(kNm-1)双向格栅30015 112511675 11251133311415无筋11455 1125-11277-整体稳定有筋11482 1125-11294

13、 111-无筋11421 1125-11244 111-可以看到,整体稳定要比堤身稳定的安全系数大,这与基底上部相对于堤身和基底下卧层土软弱有关,有筋比无筋的安全系数只是稍大,无论采用Bishop法还是双楔体法,所得的稳定系数接近,并且远大于规范的要求。综上分析,在此试验段的工程地质条件、施工工况和荷载条件下,加筋效果不明显。3 结论与展望本文采用FLAC数值方法对黄土加筋路堤的施工过程进行了模拟,通过计算值与实测值的对比,得出以下主要结论:(1)采用基于室内压缩试验和FLAC动态模量输入相结合的方法,提出对不同压力下黄土变形模量的计算模式,实测和模拟结果吻合较好,可以对黄土路堤在施工过程中的

14、压实性能进行模拟。53第12期 陶连金,等:黄土加筋路堤的数值模拟及性能分析 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(2)随着路堤施工的推进,长短筋材发挥的作用不断变化,在路堤填土高度不高时,长短筋材受力区别不明显;填土高度增大时,短筋受力逐渐减少,长筋受力不断增大。并且,据长筋的受力特点可以分为3个区域:边缘区、受力区、内部区。(3)对黄土路堤加筋效果的评价不仅应包括对筋材对路堤稳定性的提高,而且还应包括筋材对路堤不均匀沉降和基底土压力的调整作用。对于高、陡

15、黄土路堤的加筋效果、有效加筋方式等问题还需不断的进行研究与探索。另外,如果土体模型选用体积模量和剪切模量随工况不断变化的非线性KG模型,并通过合适的试验获取这些参数,则能更好地反映土体的压实性能。参考文献:1 雷胜友 1 加筋黄土的三轴试验研究J 1 西安公路交通大学学报,2000,20(2):1-512 谢婉丽,等 1 加筋黄土变形和强度特性的三轴试验研究J 1地球科技进展,2004,19(增刊):334-34013 林宗元 1 岩土工程勘察设计手册M1 沈阳:辽宁科学技术出版社,199614BATHURST R J1Lessons learned fromfull scale model

16、test of reinforcedwalls and slopes keynote paper CProceedings of the 2ndAsianGeosythetics Conference1Kuala Lumpur,Malaysia1200015 何欢 1 土工合成材料在高填方路堤中的应用研究D1 北京:北京工业大学,200516BATHURST,JARRETT,ASSOCIATES,Inc1Technical notes ofcomputer programs:GEOSLOPE(Ver112)CP1199417JT JT 01998,公路土工合成材料应用技术规范S18JT J 0

17、0489,公路工程抗震设计规范S19 陶连金 1 高路堤土工格栅加筋效果的数值分析J 1 公路交通科技,2004,21(4):60-63110ITASCA Consulting Group,Inc1FLAC UsersManual CP120011(上接第20页)一定的强度和车辙抵抗能力。3 应力吸收夹层沥青混合料施工根据目标配合比设计的结果,按规范规定的方法进行生产配合比设计,最终确定应力吸收夹层沥青混合料最佳油石比为910%。应力吸收夹层沥青混合料的拌和参照改性沥青混凝土的程序和要求进行,保证拌和均匀即可。在铺筑应力吸收夹层沥青混合料之前,用硬扫帚在原路面进行清扫,确保路面的清洁。由于应力

18、吸收夹层的厚度只有210 cm,散热快,摊铺后的混合料温度快速下降。为了确保应力吸收夹层能在高温下碾压成型,混合料出厂温度宜控制在185190,运输过程中严加覆盖保温,摊铺温度不低于175,初压温度控制在160 左右。摊铺和碾压参照普通改性沥青混合料的程序和要求进行。由于应力吸收夹层沥青混合料颗粒较细,沥青含量高,易于压实,因此在保证压实度的前提下可适当减少压实遍数。钻芯取样和透水试验的结果表明,应力吸收夹层沥青混合料与旧路粘结良好,并且能够嵌入到旧水泥混凝土路面的刻槽之中,起到很好的竖向和横向防水作用,能有效地防止路面水渗入基层。4 结论从的配合比设计、试验结果分析以及实际工程情况看来,选用

19、高粘弹性的SBS改性沥青,按照最大密度曲线设计矿料级配,并根据马歇尔试验、车辙试验和弯曲试验等指标综合确定最佳油石比的设计应力吸收夹层沥青混合料的方法是可行的。所设计的应力吸收夹层沥青混合料沥青含量高,模量较小,变形能力强,抵抗疲劳开裂的能力强,并具有一定的车辙抵抗能力,可有效地削弱接缝区沥青层内的应力集中现象,并起到良好的防水和粘接作用,从而有效地减少和延缓反射裂缝的开展。参考文献:1胡长顺,曹东伟 1 有防裂夹层结构的旧水泥混凝土路面沥青加铺层力学分析J 1 中国公路学报,1999,12(3):1-812JTG F402004,公路沥青路面施工技术规范S13AASHTO MP 1 a0 1

20、,Standard Specification for Performance GradedAsphalt Binder S14PRITHVI S K ANDHAL,KEE Y FOO,RAJIB B MALLICK1A CriticalReviewof VMA Requirements In Superpave R1National Center forAsphalt Technology,NCAT Report No198-1,199815GILBERT Y BALADI1Engineering Properties of Polymer ModifiedAsphalt Mixtures

21、J 1Transportation Research Board,1998,(1):11-1516 叶国铮 1 柔性路面疲劳与优化设计M1 北京:人民交通出版社,198917 符冠华,陆庆,杨军,等 1 夹层防治反射裂缝效果的应力分析J 1 东南大学学报,1999,29(S1):106-11318 曹东伟,胡长顺 1 旧水泥混凝土路面沥青加铺层力学分析J 1 西安公路交通大学学报,2001,21(1):1-5163 公 路 交 通 科 技 第23卷 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/