HDPE和PET土工格栅加筋路堤作用的对比研究

贾敏才 ，强 晓，叶建忠

（1. 同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；2. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；3. 浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006)

1 引 言

土工格栅普遍具有韧性好，耐腐蚀，抗拉强度高等优点[1－2]，有显著提高路堤整体抗滑稳定性和控制水平变形的能力，近年来土工格栅加筋路堤在水利、交通、城建等多个领域已得到广泛利用。

在国内的路堤工程建设中，HDPE格栅的应用较为广泛，针对HDPE格栅材料在路堤中的受力、变形状态的研究正日趋成熟，其中一种既直观又有效的研究手段就是现场试验。杨广庆等[3－4]通过对加筋路堤的现场测试，指出土工格栅拉筋应变随着墙体高度变化较大。王祥等[5]对路堤式加筋填土进行了现场原位测试，发现各层拉筋变形规律相差较大，可能出现单峰值、双峰值或者多峰值现象。贾敏才等[6]结合具体工程对一50 m高土工格栅加筋路堤的格栅应变及土压力特征进行了研究，发现格栅应变呈双峰值分布，且对垂直和水平土压力具有明显调整作用。现场试验虽然能直观表现出HDPE格栅受力变形的大体规律，但因现场试验影响因素复杂，在深入揭示格栅作用机制方面受到一定的局限。

20世纪70年代起数值方法逐渐成为研究土工格栅加筋土复杂力学特性的有效手段。刘华北[7]采用广义塑性模型，利用弹塑性有限元的方法，研究了土工格栅加筋挡土墙在修建过程的力学特性。彭芳乐等[8]采用非相关流动的等向功硬化-软化弹塑性模型，研究了加筋砂土路堤中筋材层数的变化对加筋效果的影响。这些研究多专注于对HDPE格栅在不同土体性状或者不同筋材数量等条件下的作用特性，对其他材料土工格栅作用效果的研究相对较少。

PET和 HDPE格栅材料都具有较好的抗拉强度、电绝缘性和耐腐蚀性，但PET材料相对HDPE具有更大的刚度、较小的延伸率和更小的施工破损率[9]。近年来，随着国外的一些工程成功应用PET格栅进行坝体加固，国内也开始尝试在路堤工程中应用PET格栅并对其进行试验和理论研究[10－11]。

本文采用FLAC3D有限差分程序[12]对PET和HDPE两种格栅的受力变形特性进行模拟，结合十堰至房县公路 GK0+308～GK0+463段路堤工程的现场监测数据，对HDPE和PET两种土工格栅加筋作用进行对比分析。通过数值模拟与现场监测数据的比较，阐述了两种格栅在拉伸应变、控制土体水平位移和土压力等方面的不同，并对二者的强度发挥差异进行了深入探讨。

2 工程概况

十堰－房县公路 GK0+308～GK0+463段位于丹江口市官山镇附近。填土层下部13.5 m采用混凝土重力式路堤，上部10 m采用土工格栅加筋路堤，路堤填料为山皮土，颗粒最大粒径小于15 cm。路堤设计坡率1︰0.25，格栅竖向间距为50 cm，加筋长9 m。加筋土路基坡面采用土工格栅反包回折，反包长1 m，防止施工时土体散落和坡面塌滑。为了对比 PET和 HDPE两种格栅的加筋效果，在GK0+308～GK0+383段采用 HDPE格栅加筋，而在GK0+383～GK0+463段采用PET格栅加筋，两种格栅的材料特性见表1。

表1 PET/HDPE土工格栅技术指标Table 1 Technical indices of PET/HDPE geogrids

3 本构模型

3.1 土体模型

根据现场实际情况，模型高30 m，宽50 m，长100 m，混凝土挡墙和加筋填土的高度与坡度和实际相同。山皮土采用FLAC3D内置的摩尔-库仑本构模型。混凝土挡墙及基岩采用弹性模型。填土、混凝土挡墙以及基岩的材料参数见表 2，模型见图1。

表2 路堤模型参数Table 2 Parameters of contitutive model

图1 FLAC3D模型Fig.1 FLAC3D model

3.2 土工格栅单元模型

3.2.1 土工格栅单元的建立

采用FLAC3D内置的土工格栅结构单元。每个土工格栅结构单元的力学性能可以分成格栅材料的结构响应和格栅构件与网格的交互作用方式。土工格栅构件采用CST壳有限单元，即能抵抗薄膜荷载而不能抵抗弯曲荷载。土工格栅与FLAC3D网格发生直接的剪切摩擦作用，其剪切特性包括粘聚力和摩擦作用。在路堤中高度0.5～10 m的范围内，每隔0.5 m创建一层土工格栅。土工格栅的长9 m，如图2所示。

图2 格栅设置(单位: m)Fig.2 Arrangement of geogrids(unit: m)

3.2.2 土工格栅单元参数确定

由于土工格栅在加筋土路堤中的实际应变一般小于2%，HDPE和PET两种土工格栅的拉伸试验曲线如图 3所示。两种土工格栅的计算参数见表3。

图3 两种格栅拉伸曲线Fig.3 Tensile curves of two different geogrids

表3 FLAC3D中格栅参数Table 3 Parameters of geogrids in FLAC3D

4 计算结果与分析

4.1 土工格栅应变

图4为路堤不同高度处数值模拟所得的格栅应变曲线与现场监测数据对比。从图4（a）和图4（b）可以看出，在加筋土路堤的中下部，上部土体自重较大，土工格栅材料特性对加筋土内部格栅应变分布影响显著。因HDPE格栅刚度相对较小，HDPE格栅应变随距离路堤坡面距离增加变化幅度很大，而 PET格栅的应变值沿长度方向变化幅度却非常小。在路堤前部，HDPE格栅的应变值远大于PET格栅，随着深入路堤内部，HDPE的应变值发生陡降并开始小于后者。数值模拟结果和现场监测数据都清晰地反应出了这样的规律。

图4 不同高度处格栅应变曲线Fig.4 Geogrids strain curves at different heights

从材料强度发挥的角度分析，PET格栅沿长度方向相对均匀的应变值，说明了PET格栅通长都得到了较为均匀的拉伸，其材料强度在整个加筋范围均得到了充分发挥，有利于提高格栅全长的加筋效果。HDPE在靠近坡面的大应变与后端的应变值陡降则不利于后半段格栅材料的加筋效应发挥。结合格栅与土体的相互作用机制可知，PET格栅更好地控制了墙体前后段的变形。

从图4还可以看出，随着离开路堤顶部距离的减小，HDPE和PET格栅的应变值逐渐变小，两种材料应变沿长度方向的差别也逐渐减小。说明在接近路堤上部时，由于填土厚度较小，格栅上填土的垂直土压力较小，两种格栅的应变相对较小，格栅刚度对格栅应变的影响减弱，HDPE和PET格栅的应变曲线逐渐趋于相同。

4.2 水平位移

图5为HDPE和PET格栅加筋路堤不同高度处的水平位移对比曲线。从图中可以看出，在路堤前部，HDPE加筋路堤的水平位移较PET大，且这种差别随上部填土厚度的增加而增大；随着深入路堤内部，二者的水平位移趋于相同。

图5 不同高度处土体水平位移对比Fig.5 Comparison between horizontal displacement in different heights

图6为铺设两种不同格栅的路堤位移云图。从图 5、6可以看出，PET格栅加筋土路堤的水平位移普遍小于HDPE格栅路堤，前者坡面的最大水平位移约是后者的81.4%。

图6 土体水平位移云图(单位: m)Fig.6 Horizontal displacement of retaining wall(unit: m)

根据以上计算结果，联系两种格栅的应变差异，显然HDPE格栅在路堤前部的较大应变并未有效控制路堤的水平变形；对于后段应变较大的PET格栅，其路堤的水平应变却得到了很好的约束。由此可知，在路堤后部，刚度较大的PET格栅能更好地控制加筋路堤的水平位移。

4.3 土压力

从图7中加筋路堤不同高度的垂直土压力曲线可见，随着上部填土厚度的减小，加筋土内土压力的峰值渐渐远离坡面，且沿格栅长度方向逐渐由单峰值向均匀化过渡，这与相应位置处土工格栅的变形规律相吻合。虽然HDPE和PET两种格栅在加筋土路堤内的刚度和强度发挥程度不同，但是它们在调整路堤内部垂直土压力方面没有太大差异，说明变形较小时格栅刚度对加筋土路堤内部垂直土压力分布影响较小。根据图中加筋路堤水平土压力曲线，PET格栅加筋路堤在靠近坡面处的水平土压力略大于HDPE格栅。格栅刚度对路堤中下部的近坡面水平土压力虽略有影响，但影响有限。

图7 不同高度土压力对比Fig.7 Comparison between earth pressure in different heights

5 结 论

（1）格栅材料特性对加筋土路堤变形影响显著。刚度较大的PET格栅控制加筋土路堤水平位移的能力明显强于HDPE格栅，尤其在靠近坡面的区域，前者加筋的路堤发生较大水平应变的面积明显小于后者。

（2）加筋土内格栅沿长度方向的应变不但与其材料刚度密切相关，还取决于其上覆填土自重。在路堤中下部，土压力较大，HDPE格栅的应变沿长度分析波动较大，其最大和最小值相差了近1倍；PET格栅的应变曲线虽也略有起伏，但是其拉伸应变值差异很小。在路堤高处，随着上覆土压力减小，二者的应变曲线开始接近并最终几乎重合。显然土压力较大时，刚度较大的PET格栅在路堤中更加充分地发挥了加筋作用。

（3）加筋土路堤内垂直和水平土压力受格栅材料特性的影响较小。两种不同刚度的格栅对土体竖向应力的控制作用基本相同，但在控制水平应力方面，PET格栅对水平位移的约束导致了路堤中下部靠近坡面处出现略大的水平土压力。

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