基于FLAC3D的加筋路基处不均匀沉降分析.doc

1、题 目: 基于FLAC3D的加筋路基处不均匀沉降分析摘要：本文采用有限元方法模拟公路过渡段材料参数不同的土体上的土工格栅加筋路基，研究土工格栅加筋结构能否有效控制公路过渡段的不均匀沉降。基于有限插分软件FLAC3D的数值模拟了加筋前后的数据并且与参考文献进行对比，发现土工格栅加筋路基可明显调节过渡段的不均匀沉降，并且随着土工格栅厚度的增加，可以调节路基整体的沉降和路基横向的位移，为实际工程中软土地基上路基的设计施工提供一定参考。关键字：土工格栅；加筋路基；不均匀沉降Study of Reinforced Subgrade Uneven Settlement Based on FLAC3D Ab

2、stract：Finite element measures is designed to simulate the geogrid-reinforced subgrade of different material parameters on the soiladopted by highway construction to mitigate the differential settlements of differently treated foundations. Studying whether geogrid-reinforced structures can effective

3、ly control the differential settlement of transition section of highway. based on the software FLAC3D simulating the datas reinforced front and rear and compared with the Reference The results is proved that the geogrid sreinforcement decreases the differential settlement of subgrade effectively.And

4、 with the increase in the thickness of geogrid, the roadbed of the overall settlement and embankment horizontal displacement can be adjusted. For the actual construction on the land base of roadbed design and construction provide a reference.Key Words：Geogrid; Reinforced Subgrade; Differential Settl

5、ement1前言工程的高速公路一般为长线形构造物，它因地质条件和地形的差异，其沿线的地基需采用不同的地基处理方式。在不同地基处理路段的结合处和桥头路段，地基刚度差异较大，经常产生差异沉降。地基的这种差异沉降将加剧路面结构的破坏，表现为路面产生裂缝、跳车现象。采取合适的加固处理措施能满足实际工程的需要。 土工合成材料作为一种经济、有效和环保的路基加固材料， 在道路工程中已经得到了广泛应用。 经现场试验以及室内试验表明：采用土工合成材料加固处理可增强地基的承载能力；控制路基工后沉降变形, 提高道路的服务年限； 在路基工后沉降控制要求一定的情况下，铺设土工合成材料能够减小填料层的厚度， 从而节省工程

6、投资费用。采用土工格栅加筋路基处理桥头过渡段，减缓或消除不均匀沉降已经得到了公路与铁路部的普遍认可，工程应用日益增多，但加筋结构的设计往往都是经验性的，相应的研究远滞后于工程应用。朱湘1，钱劲松2通过计算，提出土工格栅加筋可以减少路堤的均匀和不均匀沉降，并能增加路堤的稳定性，以及减少加筋效果的主要影响因素。蔡春，张孟喜3在立体加筋体系研究基础上，提出了带加强肋土工格栅，推导了带加强肋土工格栅加筋土的拉拔阻力模型，宋广4基于双参数地基模型和土与加筋体之间的库仑摩擦假设, 提出了相应的简化分析模型, 考察了公路加筋路基的受力变形特性和相关参数对加筋路基施工效果的影响。本文利用有限元软件模拟研究土工

7、格栅加筋路基控制不均匀沉降的效果，为实际工程处理路基沉降问题提供可靠依据。2模拟实验2.1试验针对图 1 给出的土工加筋路基结构, 采用FLAC三维平面模型进行分析，荷载均是自重荷载。图1 土工加筋路基工程结构上述结构可简化为图2立体模型图2 模型试验示意图.图2中1为软粘土层，2为硬粘土层。路堤铺设实际工程中采用的 TGDG50 型单向塑料土工格栅。2.2土工格栅格栅是用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格屏栅,当作为土木工程使用时,称为土工格栅。土工格栅是一种主要的土工合成材料，与其他土工合成材料相比，它具有独特的性能与功效。土工格栅常用作

8、加筋土结构的筋材或复合材料的筋材等。土工格栅分为塑料土工格栅、钢塑土工格栅、玻璃纤维土工格栅和玻纤聚酯土工格栅四大类。(1)塑料土工格栅塑料土工格栅是经过拉伸形成的具有方形或矩形的聚合物网材。它是在经挤压制出的聚合物板材（原料多为聚丙烯或高密度聚乙烯）上冲孔，然后在加热条件下施行定向拉伸。(2)钢塑土工格栅钢塑土工格栅以高强钢丝（或其他纤维），经特殊处理，与聚乙烯（PE），并添加其他助剂，通过挤出使之成为复合型高强抗拉条带，且表面有粗糙压纹，则为高强加筋土工带。由此单带，经纵、横按一定间距编制或夹合排列，采用特殊强化粘接的熔焊技术焊接其交接点而成型，则为加筋土工格栅。(3)玻璃纤维土工格栅玻璃

9、纤维土工格栅是以玻璃纤维为材质，采用一定的编织工艺制成的网状结构材料，为保护玻璃纤维、提高整体使用性能，经过特殊的涂复处理工艺而成的土工复合材料。玻璃纤维的主要成份是：氧化硅、是无机材料，其理化性能极具稳定，并具有强度大、模量高，很高的耐磨性和优异的对寒性，无长期蠕变；热稳定性好；网状结构使集料嵌锁和限制；提高沥青混合料的承重能力。因表面涂有特殊的改性沥青使其具有两重的复合性能，极大地提高了土工格栅的耐磨性及剪切能力。(4)聚酯纤维经编土工格栅聚酯纤维经编土工格栅选取用高强聚酯纤维为原料。采用经编定向结构，织物中的经纬向纱线相互间无弯曲状态，交叉点用高强纤维长丝捆绑结合起来，形成牢固的结合点，

10、充分发挥其力学性能，高强聚酯纤维经编土工格栅具有抗拉强度高，延伸力小，抗撕力强度大，纵横强度差异小，耐紫外线老化、耐磨损、耐腐蚀、质轻、与土或碎石嵌锁力强，对增强土体抗剪及补强提高土体的整体性与荷载力，具有显著作用。 路堤铺设实际工程中采用的 TGDG50 型单向塑料土工格栅。单向拉伸土工格栅是一种高强度土工合成材料，广泛应用于堤坝、隧洞、码头、公路、铁路、建筑等领域。格栅如图3所示。图3 单向塑料土工格栅2.3有限元模型建立运用FLAC3D有限元分析软件按平面应变问题建立有限元模型, FLAC3D由美国Itasca公司开发的。目前，FLAC有二维和三维计算程序两个版本. FLAC3D是一个三

11、维有限差分程序. FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的护展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发变形和移动（大变形模式）。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。FLAC3D是采用ANSI C+语言编写的。 土体采用摩尔库仑理想弹塑性模型, 土工隔栅采用线弹性模型。有限元模型中在土工格栅砂垫层与地

12、基土和路堤填土间分别设置接触: 软土路基土工隔栅加筋作用机理研究以合理模拟土工格栅砂垫层与土间的相互作用。软弱土层下方是硬粘土层，再下方是路堤土。土层参数见表1，有限元模型网格如图 3所示。沿路基地面铺设了厚度为1米的土工栅格。模型（kg/m3）C（kpa）（。）E(kpa)软弱土层16008.5109500.33硬粘土层1800122018000.30路堤土1800172027000.30表1 土层参数图3 路基网格模型3试验结果通过布置路基下方土体中检测点模型试验，采集到试验数据.具体检测点为1）位于墙趾处下方两种土体下2米和5米沿路长度方向对称布置。2）在路基中心点下方，沿两种土体下5米

13、和10米沿路长度方向对称布置，分别用软件模拟，首先得到未加筋路基x向位云图和z向位移云图，如图4。（a）x向位移云图（b）y向位移云图图4 未加筋路基模型以下是加筋后路基x向云图，如图5图5 加筋后路基x向位移模型比较图4和图5可以看出在加筋前后，路基最大x向位移发生在相近处，但是加筋后最大x向位移相对未加筋时减少了60倍。以下是未加筋时，模拟出的位于墙肢处下方两种土体下2米和5米处的沉降曲线和在路基中心点下方，沿两种土体下5米和10米曲线，如图6，其中纵坐标为位移，横坐标为FLAC3D中的计算步数（a）（b）图5加筋前墙趾处路基测点沉降曲线图5中未加筋时，上面两条曲线为软粘土层处测点的沉降曲

14、线，下面两条曲线为硬粘土层处测点的沉降曲线。图6中加筋后，上面两条曲线为软粘土层处测点的沉降曲线，下面两条曲线为硬粘土层处测点的沉降曲线。（a）（b）图6加筋后墙趾处路基测点沉降曲线从试验结果可看出，路基中铺设土工格栅可以减缓过渡段的不均匀沉降。4结论本文通过FLAC3D软件进行模拟，路基中不铺设土工格栅时，路基迅速破坏，软硬地基分界处路基顶面纵坡较大，沉降不均匀。路基中铺设土工格栅，可明显延缓路基裂缝的发生，参照文献中厚度较小栅格对路基的整体沉降调节不大，但可明显减缓软硬地基分界处的不均匀沉降，减小路基顶面纵坡，本文加大栅格厚度，在路基底层覆盖1m的土工栅格，对比各个测点位移值最大点，发现随

15、着栅格铺设厚度的增加，可有效减少路基的整体沉降。参考文献1 朱湘, 黄晓明. 有限元方法分析影响加筋路堤效果的几个因素J. 土木工程学报, 20022 钱劲松, 凌建明, 黄琴龙. 土工格栅加筋路堤的三维有限元分析J. 同济大学学报, 2003,3 蔡 春，张孟喜，带加强肋土工格栅的极限拉拔阻力分析. 岩 土 力 学.20114 宋 广, 边学成, 蒋建群, 陈云敏公路加筋路基的变形和承载力分析J. 上 海 交 通 大 学 学 报.2011 5 羊 晔，刘松玉，邓永锋加筋路基处治不均匀沉降模型试验研究J 岩 土 力 学.20096 袁志波 软土路基土工隔栅加筋作用机理研究J. 黑龙江交通科技.

16、2008 7张孟喜，黄 超 刚性条带式带齿加筋土的极限拉拔力模型J 岩 土 工 程 学 报 2009 8 周星栋, 常军, 许金泉. 表面波测定涂层材料参数的反演方法 J . 上海交通大学学报, 2006 9 Fakher A , Jones C. When the bending stiffness o f geosynthet ic reinfo rcement is im po rtant J . Geosynthetics International, 200110 陈祖煜. 土质边坡稳定分析原理方法程序M. 北京:中国水利水电出版社, 2003.11 HUANG C C, TSAI C C. New method for 3D andasymmetrical slope stability analysisJ. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2000