第７期（总第１２６期） 楚适村 试验研究■ 土工格室对路堤沉降影响的有限元分析 屈成忠’，蔺慧南’，赵（１．东北电力大学建筑工程学院，吉林摘耕 １３００２２） 吉林１３２０１２；２吉林省电力有限公司超高压公司，吉林长春要通过研究土工格室如何对软土路堤进行加筋，并且应用ＡＮＳＹＳ有限元软件来数值模拟土工格室增 强土体的强度。通过添加土工格室前后情况对比，改变土工格室的添加层数进行分析，研究了铺设土工格室对软 土路堤的沉降影响以及最优的铺设层数。结果表明，添加土工格室能路堤的沉降，使土体稳定性整体提高。 关键词土工格室；软土路堤；ＡＮＳＹＳ；有限元分析 Ｅｆｆｅｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｗｉｔｈ ｇｅｏｃｅｌｌ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｏｗ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ．Ａｎｄ ｕｓｅ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｇｅｏｃｅｌｌ ｈｏｗ ｔｏ ｉｎｈｅｎｃｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｕｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄ ｏｎｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｅｏｃｅｌｌ ｌａｙｅｒｓ．Ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｅｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄ ｗｉｔｈ ｇｅｏｔｃｅｌｌｓ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｌａｙｅｒｓ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｅｏｃｅｌｌｓ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａ— ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ； Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅｏｃｅＵ；ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ；ＡＮＳＹＳ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ０引言 路堤作为交通，储存水源，保持水土的设施，是非常重要 的建筑结构。天然的软土由于抗剪强度低，变形大，容易发生 土工格室加筋的主要目的是为了提高土体的强度．增强土体 自身的稳定性，其基本原理在于格室与土体之间的相互摩 擦，咬合作用。 １．１土工格室的抗剪性能 沉降，导致整体结构的破坏。目前，应用土工格室对软土路基 加筋已经被广泛应用，取得了预期效果和良好的经济效益。 土工格室本身有非常多的优点，可用于边坡防护、挡土墙，还 可用于河道治理、城市排水道支撑工程。土工格室作为一种 新型的加筋材料．目前被广泛应用于各种道路设施中，并且 取得了良好的效果和经济效益。２Ｏ世纪初欧洲和美洲将土工 格室应用与路基的加筋，大大地减少了路堤的物理沉降。目 前我国也大量地将土工格室应用于道路基础设施建设中，并 且取得了意想不到的效果。１９８２年Ｋ．Ｚ．Ａｎｄｒａｗｅｓ等对土工合 成材料模拟时将Ｄｕｎｃａｎ—Ｃｈａｎｇ的双曲线非线性弹性模型应 在许多研究中，土工格室被认为是基础的一部分，并且 其强度大于被包裹的填土材料，但是内摩擦力与内部土体相 同。随着内部土体变化粘聚力Ｃ ，由于土工格室对填土的加筋 作用而增大．可有以下公式来得出： Ａｉｒ，ｃ，＝１ａ Ｋ／Ｋｐ式中，Ｋ。为被动压力系数，△（ｒ３为土工格室的内壁额外 产生的压力。 用于土体的模拟。经过长时间的发展证明有限元方法对土工 格室和土体的模拟已经成熟．它能够考虑复杂的边界条件、 荷载条件和应力与应变关系，使分析结果更为准确和可靠， 并且将极大地节省试验时间、人力和资金、扩大研究参数的 △ ＝ （警１．２土工格室的刚度 ） 式中，￡ 为轴向破坏压力，Ｄ。为土工格室最初的直径，Ｍ 为土工格室在轴向压力￡ 下的轴向力。粘聚力ｅ 从上式中可 得出，内摩擦角假设与未铺设土工格室之前的土体相同。 范围和精细程度。同时应用有限元方法能够考虑复杂的边界 条件、荷载条件和应力应变的非线性关系，使分析更为准确。 基于轴向压力测试土工格室对土体的加固作用．Ｍａｄｈａｖｉ Ｌａｔｈａ提出了以下的方程来表示利用杨氏模型来模拟土工格 １土工格室的力学性能 土体的抗压和抗剪强度都很高，但是它们的抗拉强度却 很低。通过研究表明在土体内铺设适当的加筋材料．可以不 室对土体的加筋作用的一些规范，以及土工格室材料的抗剪 性和杨氏模型对为加筋的土体的影响因素： ＝同程度地提高土体的强度和稳定性并且改善形变所带来的 影响。土工格室对土体的加筋以其施工简单、快速及经济有 效的特点在岩土工程中得到日益广泛的应用。通过将土工格 室埋人土体中，依靠土工格室与土体的相互摩擦作用以及土 工格室所具有的特殊的咬合作用，其上下土体的侧向变 ４（ ）（ ＋２００Ｍ） 式中，Ｋ 是为加筋土体模型的无量纲因素，Ｍ为土工格 室材料的切割系数，单位ｋＮ／ｍ，叮３为内部压力，单位ｋＰａ。上 式当中的模型系数相当于邓肯一张准则当中双曲线模型的系 数。并且Ｍ必须与土工格室在２．５％的平均压力下产生影响 时一致 形，提高土体的整体稳定性，以弥补土体抗拉强度低的缺陷。 ■试验研究 楚足斟 ２（）】１年 ２有限元模型的建立 ２．１土体和土工格室的本构关系 土体具有非均质性和各相异性，属于粘弹塑性变形的混 合体，其应力应变关系是非线性的。常用模型有：线性弹性模 型、弹性非线性模型、弹塑性模型等等。考虑到岩石、土体属 于颗粒状材料，本身的受压屈服强度要远远大于其受拉屈服 强度，试验数据表明静水压力可以引起土的塑性体积变化． 同时偏应力也能引起塑性体积变化（剪胀），故采用能准确描 述这材料的Ｄ—Ｐ模型。粘结力、摩擦角、膨胀角（本文膨胀角 为Ｏ）为Ｄ—Ｐ模型中主要的参数。 土工格室的的受力特点是既能受拉，又能受压，并且土 工格室的抗拉强度和弹性模量比较大，拉伸曲线在应变较小 的情况下呈直线状态．考虑到土工格室与其他土工织物不同 的三维网状结构，所以其本构关系不是完全弹性而是近似地 看作线弹性 ２．２有限元模型的建立 研究对象为一个铺设土工格室的路基断面。取１／２模型， 土丁格室的规格为１５０ｍｍｘ４００ｍｍ，填料选取效果最好的粗 砂。路堤尺寸为顶面长和宽为６ ｎｌ，路堤高度４ｍ，下为 １０ｍ，宽６ｍ；地基长为３０ｍ，宽为６ｍ，高为１２ｍ；路基断面及 有限元模型如图１、图２所示，土体及土工格室的主要材料参 数见表１ 表１路堤的各项材料参数 ３结果分析 ３．１沉降及应力变化 铺设一层土工格室后。路堤的沉降和横向位移都有所改 变，应力也发生变化，具体结果如表２。 表２铺设土工格室后的路堤各项参数变化 由图３和图４可知铺设一层土工格室后路堤中点沉降 减少了３８．２８％，路堤最大侧向位移减少２２．５５％。 由图５和图６所知．路堤的竖向应力和横向应力最大变 化在路堤的中点，分别为３３．８８％和１０．７８％。 ３．２铺设不同层数土工格室对路堤沉降的影响 铺设的土工格室层数越多。所需要的工程造价就越高。 所以合理的铺设层数既能达到预期的加筋效果又能较好地 控制工程造价，避免原材料的浪费。设计思路第ｌ层土工格 室铺设在路堤底部，共铺设４层，格室 （下转第２９页） ・２・ 厂］ ３０ 图１路堤断面示意图 ＾ Ｉ， 圈２路堤模型示意图 Ｏ ２ ４ ８ ｅ １０ 计算点与路堤中点的距离／ｍ 图３铺设土工格室前后路堤沉降 ＋末铺设土工格童 —●一铺设一层± 格壹 ８ Ｊｒ．， ．． ， ； ６． 夕 ． ｝ ． ｒ ２‘ ＾ 。 ； ’ ； 。 ’ 。 １ ’ 图４铺设土工格室前后路堤侧向位移 第７期（总第１２６期） 更建村 综合论述■ 应速度快．水泥与减水剂适应性差。 ７结论 采取以下方法可提高水泥与外加剂的相容性，提供与预 拌混凝土工艺相匹配和适应的水泥。 （１）合理选择熟料矿物组成，提高烧成温度和速度，熟料 采取急冷： （上接第２页） Ｚ Ｒ 毯 翟 Ｊ幽 ０ ２ ４ ６ ８ １０ 计算点与路堤中点的距离／ｍ 图５铺设土工格室前后路堤图竖向应力 ｌ—－一末铺设土工格室 ０００一 Ｉ—・一铺设一层士工格宣 Ｄ００． ＿ ０’００ ０００・ ＿ 加ｌ０・ ● 啪０－ － ，Ｄ００－ ０－００・ ● ０００・ ０ ２ ４ ６ ８ １０ 计算点与路堤中点距离／ｍ 图６铺设土工格室前后路堤水平应力 的规格为１５０ｍｍ￣４００ｍｍ。计算得到最大侧向位移和堤底竖 向位移见表３。 表３不同层数土工格室对路堤的影响 从表３中可以看出，多层铺设土工格室对地基沉降和横 向位移都有一定降低，与未铺设情况相比，沉降分别减少 ３７．３８％、３７．７５％、３７．８１％、３８．１３％：最大横向位移分别减少了 （２）选择品质较好的水泥混合材和石膏，掺量要科学、合 理： （３）满足水泥早期强度情况下，降低水泥比表面积，选择 合理的颗粒分布： （４）降低水泥中的碱含量和重视水泥粉磨温度和出厂时 水泥温度。 ２４．７０％、３４．７８％、３１．４０％、３０．００％。可见铺设１层土工格室时， 加筋效果最为明显。所以多层铺设，对总的加筋效果影响不大。 ４结论 （１）将土工格室内部填土充分夯实后，当路堤产生形变 时，土工格室通过内壁对填土的约束作用使其与路堤土产生 摩擦和咬合抑制沉降和横向位移的发生．来提高路堤的稳定性。 （２）通过以上的模拟可以看出土工格室能有效地抑制路 堤的横向位移和沉降，并且能显著地提高地基承载力，根据 所得结果可以看出１５０ｍｍｘ４００ｍｍ的土格室与填料为粗砂的 组合对路堤的加筋效果较好。 （３）对于铺设层数而言，一层效果较好，继续铺设会造成 材料的浪费，并达不到预期的加筋效果。 参考文献 ［１】胡发亭，信春玲，郭奕崇．塑料土工格栅的特性及其在土 木工程中的应用ＵＪ．工程塑料应用，２００２，３０（１）：３３—３５． 【２１李荚萍．土工格栅在软土地基处理中的应用Ｕ１．山西建筑， ２００５，３１（１４）：６９—７０． 【３】史彦照．土工格栅在高速公路软基处理中的应用Ｕ１．河北 煤炭，２００６，０１（０ｚ）：４９—５０． ［４】王立新．土工布及土工格栅在道路工程中的应用［１１．公路． ２００２，３（３）：８９－９１． ［５】Ｄ．Ｖ．Ｇｒｉｉｆｔｈｓ，Ｐ．Ａ．Ｌａｎｅ，Ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅ— ｍｅｎｔｓ，Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９９９，４９（３）：３８７—４０３． ［６］Ｐｉｌｃｈａｒｄ Ｊ．Ｂａｔｈｕｒｓｔ，Ｍａｒｋ Ａ．Ｋｎｉｇｈｔ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＧｅｏｃｅＨ Ｒｅ－ ｉｎｆｏｒｃｅｄ—ｓｏｉｌ Ｃｏｖｅ￣Ｏｖｅｒ Ｌａｒｇｅ Ｓｐａｎ Ｃｏｎｄｕｉｔｓ卟Ｃｏｍ— ｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｇｅｏｔｈｅｃｈｎｉｃｓ，１９９８：２０５—２１９． 【７】Ｗａｎｇｙｉｍｉｎ，Ｃｈｅｎｙｅｋａｉ，Ｌｉｕｗｅｉ．Ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｄｉｒｅｃｔ ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆｇｅｏｃｅ￣ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｏｉｌ，２００８，１５（３）：８９５—９００． ［８】Ｃｈｅｎｃｈａｎｇｆｕ，Ｙａｎｇｙｕ，Ｘｉａｏｓｈｕｊｕｎ，Ｚｈｏｕｚｈｉｊｕｎ．Ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｃｅＵ ｃｕｓｈｉｏｎ ｏｖｅｒ ｇｒａｖｅｌ ｐｉｌｅｓ， ２００８，１５（ｓ２）：２１—２７． １９ Ｍ．９】Ｒ．Ｍａｄｈａｖ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ Ｒｅｃｌａｍａｉｔｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｉｔｓ Ｒｅ— ｓｐｏｎｓｅ ｔｏ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｌｏａｄｓ卟ＩＡＣＭＡＧ，２００８（６）：４３９２— ４３９８． 【１０】张道宽．土工织物加强软土路基的研究ｌＤ］．北京：铁道部 科学研究院．１９８７． 作者简介：屈成忠，１９６７年１１月出生，工学博士，副教授 ・２９・
