高填方加筋路堤的稳定性数值分析

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(1.浙江交工钱潮建设有限公司，浙江 杭州 310051； 2.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

山区高填方路堤多采用半挖半填结构。由于填挖区岩土体性质差别大，路堤易出现较大的不均匀深降变形，甚至沿填挖交界面发生滑移失稳。目前多采用台阶开挖、加筋、强夯等方法提高填挖区的整体性，减小路堤的不均匀变形。许多学者对高填方加筋路堤的变形控制机理与设计方法进行研究。李磊[1]、耿敏[2]、段晓伟[3]、申俊敏[4]等通过数值分析研究了高填方路堤的加筋机理，认为加筋后可使路堤的潜在滑裂面向内部转移，降低边坡的最大剪应变和位移，从而有效提高边坡的安全系数。杨锡武[5]、范亮[6]等通过模型试验研究了加筋高堤方陡坡路堤的变形特性与合理的布筋方式。胡江碧[7]、梁永辉[8]等开展了高填方路堤的加筋设计方法研究。赵建红[9]、王家全[10]、杨森[11]等结合工程实际开展了高填方路堤加筋的原位测试。杨广庆[12]还将锚固技术与台阶加筋相结合，提出了锚固加筋技术。这些研究为加筋高填方的工程应用提供充分的理论依据和具体的设计施工方法。

本文结合工程实际，采用ANASYS建立高填方路堤模型，基于强度折减法在对比研究加筋与未加筋路堤的变形特性与安全系数的基础，讨论了加筋参数对路堤稳定性的影响。

1 分析方法

1.1 工程背景

山西某高速公路按双向四车道标准设计，设计速度100 km/h，路基宽度22 m，部分路段位于地形变化幅度大的山岭地区，为降低工程投资，只能采用半挖半填的高填方路堤结构，如K22+860 ～+960路段填方高度达24 m(图1)。为了保证路堤的稳定性并控制路堤工后沉降，拟对其进行加筋，加筋采用高密度聚乙烯单向拉伸土工格栅为筋材，其极限抗剪强度不小100 kN/m，路堤与山体边坡采用台阶方式接合，台阶高2 m，宽为2～5 m。

图1 路基横断面图(单位： cm)

1.2 模型建立

路堤的稳定分析采用大型通用有限元程序ANASYS进行。由于道路右侧的路堑边坡为岩质边坡，稳定性较好，为了简化计算，并避免路堑边坡对研究对象(高填方路堤)的影响，建模时不考虑路堑边坡的作用。根据图1建立如图2所示的有限元模型。岩土体用8节点的PLANE82单元模拟，土工格栅采用两个节点的LINK1单元模拟，模型高88 m，宽129 m。模型建立后约束底面X、Y两个方向的位移，左右两个侧约束X方向的位移。计算时岩土体采用莫尔-库仑模型，土工格栅采用线弹性模型。结合工程勘察资料，确定岩土体和土工格栅的力学参数见表1和表2。

图2 有限元模型

表1 填方土和岩土的参数类别弹性模量/(108Pa)泊松比密度/(kg·m-3)内聚力/Pa摩擦角φ/(°)填方土1 00 242000800022岩土2 50 2521006000042

表2 土工格栅的参数弹性模量/(109Pa)泊松比密度/(kg·m-3)摩擦系数横截面积/m280 3312000 60 005

1.3 分析方法

建立模型后，首先进行自重平衡，然后在路面施加10 kN/m的等效车辆荷载，求解后获得路堤的应力应变分布规律，然后采用强度折减法获得路堤的安全系数和潜在滑裂面位置。

强度折减法是岩土工程稳定性求解的常用方法。其基本思想是用折减系数F对岩土体的抗剪强度参数(内聚力C、摩擦角φ)进行折减(式(1)、式(2))，用折减后的参数进行计算，如果计算收敛，则路堤稳定；再继续增大折减系数F，得到新的计算用强度参数并进行计算，若计算结果不收敛，则此时的折减系数就是路堤的稳定性系数或安全系数。

(1)

(2)

式中:C、φ分别为岩土体的内聚力和摩擦角；C′和φ′分别为折减后的内聚力和摩擦角。

2 计算结果与分析

2.1 加筋对路堤稳定性的影响

首先分析不加筋时路堤的稳定性。图3为不加筋时高填方路堤的变形图，路堤的变形主要发生在填方区，且路堤顶部和路堤边坡上部的沉降变形最显著，路堤边坡下部的沉降量较小，最大变形量为515.743 mm；图4为高填方路堤的水平位移云图，同样，路堤上部的水平位移较下部大，最大水平位移发生在路堤边坡角部，其最大水平位移量为34.303 mm。

图3 变形图

图4 水平位移云图

采用强度折减法计算路堤的安全系数。当折减系数为1.124时，路堤达到极限状态。图5为极限状态下高填方路堤的塑性应变云图，路堤边坡内的最大塑性应变发生在路堤填土区的中部，并有向上向下扩散的趋势，容易形成贯穿性的滑裂面。

再分析加筋后路堤的稳定性。根据工程设计，路堤内布设土工格栅12层，间距为2 m。图6是加筋后高填方路堤的变形图，与图3对比可知，加筋后路堤的变形也主要出现在填方区，路堤边坡上部的沉降变形较下部大，但最大变形量有大幅减小，为267.74 mm，仅为加筋前的52%；图7为加筋后路堤的水平位移云图，最大水平位移也发生在路堤边坡坡顶，最大位移为14.108 mm，也较未加筋工况要小。图8为极限状态下加筋路堤的塑性应变云图(折减系数为1.533)，与图5对比可知，加筋对路堤的塑性应变开展区有较明显的影响，一是最大塑性应变区由边坡中上部转移到了下部，二是塑性应变区的位置要较未加筋时更深。

图5 路堤塑性应变云图

图6 加筋后路堤变形图

图7 加筋后的路堤水平位移云图

图8 加筋后的路堤塑性应变云图

由折减系数可知，没有加土工格栅时路堤的安全系数较低，仅为1.124，而塑性应变开展区从中部向上下发展，易形成贯穿式滑裂面使路堤边坡失稳；加筋时路堤安全系数提高到了1.533，满足现行公路路基设计规范要求，而且塑性应变开展区比较小。可见，加筋可以有效提高路堤的稳定。

将各层土工格栅的拉应力输出后，可以找到各层筋材的最大拉应力及其所在位置，如图9所示，数据拟合表明，二者间符合指数函数：y=2.9264e0.133 7x，即可以得出高填方路堤潜在破裂面的具体位置。

图9 筋材最大拉应力所在位置与高度的关系

2.2 加筋参数对路堤稳定性的影响

2.2.1 土工格栅长度的影响

以台阶立面为基准，改变土工格栅的长度，使筋材长度依次为0(不加筋)、6 m、10 m、15 m、满布，分析筋材长度对路堤稳定性的影响。图10为筋材长度与路堤侧向变形量之间的关系曲线。随加筋长度的增加路堤的侧向变形呈非线性减小，当加筋长度为6 m时，筋材大部分位于台阶上，位于填土区的长度较小，对填方路堤的影响较小，因此路堤侧向变形较未加筋时的减少量较小。当筋材长度增加到10 m时，路堤的侧向变形量大幅减小，随着筋材长度进一步增加，路堤的侧向变形进一步减小，但减小速率逐渐减小。图11为采用强度折减法获得的不同加筋长度时路堤的安全系数变化曲线。由图可见，随着加筋长度的增加路堤安全系数非线性增加。图12为不同加筋长度时路堤内的塑性应变分布云图。同样，随加筋长度增加路堤塑性区开展区逐渐减小，路堤稳定性不断提高。

图10 筋材长度对路堤侧向变形的影响

图11 筋材长度对路堤安全系数的影响

a) 筋长10 m

b)筋长15 m

c) 满布

2.2.2 加筋层数的影响

按照等间距布筋原则，调整路堤内的加筋层数依次为0(不加筋)、4、6、8、10、12层，每层筋材均采用满铺方式进行，分析加筋层数对路堤稳定性的影响。图13为加筋层数与路堤侧向变形量之间的关系曲线。随加筋层数增加路堤侧向变形呈非线性减小，总体上可以分为两个阶段：当加筋层数小于等于8时，即加筋间距大于3 m时，路堤的侧向变形急剧减小；当加筋层数大于8(加筋间距小3 m)后，路堤侧向变形的减小速率降低。图14为采用强度折减法获得的不同加筋层数时路堤的安全系数变化曲线。由图可见，随着加筋层数的增加路堤安全系数非线性增加。图15为不同加筋层数时路堤内的塑性应变分布云图。分析可知，随加筋层数增加(即加筋间距减小)，塑性区开展区逐渐

图13 加筋层数对路堤侧向变形的影响

图14 加筋层数对路堤安全系数的影响

a) 加筋4层

b) 加筋6层

c) 加筋12层

减小，路堤稳定性逐渐提高。

3 结论

本文结合工程实例，采用数值分析法对加筋高填方路堤的稳定性进行了分析，主要结论有：

1) 采用数值分析法结合强度折减理论可以直观地获得高填方路堤的应力应变分布规律和潜在滑裂面位置。

2) 加筋后路堤的最大塑性应变区由边坡中上部转移到了下部，塑性应变区的位置要较未加筋时更深，从而有效提高路堤的稳定性、减小路堤侧向变形。

3) 路堤的安全系数随筋材长度和加筋层数的增加而增大，侧向变形随筋材长度和加筋层数的增加而减小。

[1] 李磊.土工格栅处治高填方路堤的细观机理研究[D].柳州：广西科技大学，2013.

[2] 耿敏.土工格栅加筋高填方路堤变形与稳定性研究[D].天津：河北工业大学，2013.

[3] 段晓伟，耿少波.基于FLAC3D的加筋土填方边坡稳定性分析[J].唐山学院学报，2016,29(3)：75-79.

[4] 申俊敏.加筋高填方路堤滑动面特性数值分析[J].路基工程，2013(6)：28-31.

[5] 杨锡武,欧阳仲春.山区高等级公路加筋高路堤陡边坡研究[J].公路交通科技，2001，18(1)：17-20.

[6] 范亮.浸水高填方路堤变形性状模型实验研究[J].重庆交通院学报，2004，23(6)：78-82.

[7] 胡江碧,费雪良,何欢.高填方路堤最佳加筋方案的确定及稳定性分析[J].北京理工大学学报，2007，27(9)：792-796.

[8] 梁永辉.邻近建筑软基高填方支挡结构的优化设计[J].岩土工程学报，2013,35(S2)：697-701.

[9] 赵建红.高填方加筋土边坡受力和变形试验研究[J].公路与汽运，2010(5)：103-106.

[10] 王家全，周健，丛林，等.高填方加筋新旧路堤现场试验与数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S1)：2943-2950.

[11] 杨森，王宁，卢萍，等.斜坡地基上高填方加筋路堤变形应力特征研究[J].施工技术，2014，43(17)：102-106.

[12] 杨广庆，高民欢，陈君朝，等.高速公路改扩建路基加宽锚固加筋技术研究[J].岩土工程学报，2013，35(S2)：10-15.