高速预制格网护坡（加筋栅格治理过渡段跳车的功效影响有限元分析探究）

李文彪江西省赣南公路勘察设计院

摘 要：本文参考工程案例实用数据，采用ABAQUS工程有限元模拟分析的方式，对加筋栅格治理过渡段跳车的功效影响课题开展专题分析探讨，以为同类路桥跳车治理应用提供研究和技术参考。

关键词：路桥过渡段;治理跳车;加筋栅格;功效影响;有限元;分析探究;

路桥过渡段沉降和跳车治理一直是高速公路功能性、舒适性和安全性设计与治理的重点技术课题。本文参考工程案例实用数据，采用ABAQUS工程有限元模拟分析的方式，对加筋栅格治理过渡段跳车的功效影响开展专题分析探讨，以为同类路桥跳车治理应用提供研究和技术参考，助力建设安全舒适的路桥工程。

1 土工栅格作用原理及案例简介(1)土工栅格作用原理

路桥过渡应用土工栅格当作加筋结构材料，一般选择锚嵌于桥台上，经过其强大的抗拉功效，把土体自身重量及行车载荷传递至桥台，此可以大大降低路基及桥台间的降沉差，以渐变降沉取代突变降沉，从而极大降低或消除衔接部的跳车影响。土工栅格嵌索土体界面作用，由栅格的超强的伸拉模量决定，扩大了受荷面积，约束了回填方侧向移位量，重新分布结构应力状态，使得土体抗形变能力及抗剪强度加增，从而降低路基的降沉形变。双向土工栅格拥有良好的应力应变属性，在承传上部土体重力时发生下向伸展。在土体作用下栅格发挥兜网作用，调节载荷分布，提供和增强上承力，加增土体的整体载承能力。

(2)本研究工程实例

案例工程系某高速公路桥梁，其长度157.16m。0#桥台为重力型桥台，钻孔注灌桩扩大基础，台后引道高程7m。道路级别为高速公路。该处地质较好，区域地面以下土质层，依次为杂填方2.5m，容重为18kN/m3，粉质粘土8m，容重取为17.8kN/m3。路面构造为厚度约80cm混凝土沥青路面。

台后堤和锥坡回填方为级配较好的砾砂。选用双向土工栅格在0#台背与桥头搭接板结合的方案处置桥头跳车。台背回填方为级配较好的砾砂土，相关指标见表1所示。

表1 台背回填方指标参数 下载原图

以双向TGSG型土工栅格作为加筋结构材料，每幅长度值15m，宽度取4m。土工栅格断面面积0.00022m2，抗拉强度是10.5kN/m，泊松比是0.25，伸拉膜量是2089kN/m。栅格与土体界面界面摩擦角GS38.7，粘聚力CGS55.8。

2 有限元分析模型的建立(1)模型结构

采用ABAQUS工程有限元模拟系统开展数理模拟分析。台背铺设土工栅格，桥台及栅格选用线弹塑性模型以3.2ABAQUS理想弹塑模型模拟。借助Body实现桥台及台后土体的自身重量，简化均布路面构造自身重量及车行载荷，冲击常数取0.3。

(2)部件模块

结合实际，参考设计资料，建立桥台、土工栅格及台后填方3个不同的部件。路基回填高程7m，台后取为16m，下四层栅格11m，上三层栅格12m,

(3)材料属性

由基础处理规范及试验得出各类填方的泊松比、弹塑性模量及渗透性。具体材料基本参数见表2所示。

表2 材料基本参数 下载原图

其中回填方及杂填方选用D-P模型，参数具体见表3及表4。粉质粘土选用C-P模型，其材料参数具体见表5。

表3 D-P模型基本参数 下载原图

表4 D-P模型硬化基本参数 下载原图

(4)加装模块

把定义好的材料指定至对应区域，组装3类部件成一个整体，然后定义边界集合，划分部件网格。

表5 C-P模型基本参数 下载原图

3 土工栅格治理跳车功效影响分析3.1 纵向间距差异的降沉影响

保持路基顶面至最上层栅格(35cm)不变，依次改层间距70、60、50、40、30cm，来探究结构降沉之源于栅格间距的影响。研究得知，靠近桥台一侧的路基存在3cm降沉，越远离桥台，其降沉量相对越大，最大降沉出现在4cm左右，桥头部位的路基降沉约在2.7cm左右。表明布设栅格可以降低降沉幅度，且此功效在桥头附近的作用相对更为明显。路基降沉稳定状态下层间距差异布筋，路基顶面的沿路向移位状态见图1具体所示。

图1 路基顶面的沿路向移位 下载原图

图1曲线揭示，栅格间距50cm时降沉相对最小，而间距30cm的降沉相对最大，亦最不合理。在栅格层数固定时，并不是栅格固定间距越小越好，而是层间距适中布设才能相对最有效地缓解降沉，上密下疏布设效果优于等间距布设效果。

基于层间距不同的路基垂向降沉曲线见图2所示。

图2 基于层间距不同的路基垂向降沉曲线 下载原图

图2揭示，从上至下路基降沉依次对应降低，最小降沉发生在50cm间距时，最大降沉发生于不铺设栅格状态。不管栅格铺设间距多少，在优化的治理深度内，都可以明显降低路基降沉，亦能有效缓解搭接过渡段的相对不均匀降沉。

随深度演变的剪应力演变规律见图3所示。

图3 随深度演变的剪应力演变规律 下载原图

图3中我们能够看到，筋层数加增同时，更向深处传递荷载所造成的剪应力，结构相对更好地承受了剪应力，降低了降沉，栅土界面互相作用使得加筋层剪应力大幅度增强。曲线揭示最大剪应力发生在5.5m深度左右。不同栅格间距的工后沉降状态具体见表6所示。

表6 不同栅格间距的工后沉降值 下载原图

表6数据揭示，路基最小沉降值发生在层间距50cm、加筋层数7层时。当层间距30cm时，尽管加筋的密度加大，但深度只有2.1m，相对低于加筋有效深度，所以较比40～50层间距，其工后沉降值相对要大。而在70cm层间距加筋时，4.9m的加筋深度显然超出了加筋深度的合理范围，下二层栅格作用相对很小。所以当n=7加筋时，以50cm层间距设置相对功效最优。并且布设形式最好选用下疏上密结构分配，以分散扩展上部载荷的垂向施加力。

3.2 层数差异的降沉影响

顶层栅格距路基表面35cm，取50cm等间距，对n=0～7加筋层数，实施比较分析。不设土工栅格的降沉云状态图具体见图4所示。

图4 不设栅格降的沉云状态图 下载原图

图4云图揭示，在不设土工栅格结构时，路基表面发生降沉在5cm，降沉阶高程约在3.2cm，路桥接连处发生了台式降沉差异，会不可避免导致发生桥头跳车。

图5 仅铺1层栅格的降沉云图 下载原图

图5～图7揭示，加增设筋层数，路基表面降沉量呈对应逐渐降低态势，此因为加增筋层同时，土层深度亦有所加增，令单位面积土体承受的载荷降低，继而降低了路基的垂向降沉。从图中我们亦能够明显看到，在前6层加筋，每加1层栅格，对应降沉都显著降低，而在第7层时，其对应沉降值却降低不大，此因为越近路基顶面其降沉量越大，同时土工栅格承力越大，就越体现和发挥栅格的网兜作用。而在栅格埋置较深时，栅格在路基降沉过程中的作用变得相对微弱，因此桥头路基土工栅格加筋存在一个加筋深度优化的问题。栅格不同层数时出现的降沉值及降沉曲线具体见表7和图8所示。

图6 不同栅格层的移位曲线图 下载原图

图7 垂向的降沉曲线图 下载原图

表7 不同栅格层数出现的降沉值 下载原图

图8 栅格不同层数出现的降沉 下载原图

表7数据和图8曲线揭示，2.85m土深度、间距50cm和铺设6层7层栅格的效果良好，在本工程工况下，2.5～3.6m范围为合理加筋深度。系统考虑，间距相同时一级公路、高速公路栅格加筋6层才能够满足抗跳车和行车舒适需要。

3.3 搭接形式的降沉影响(1)栅格全部锚嵌与不锚嵌的降沉比对

经研究显示，锚嵌栅格可明显降低降沉，而不锚嵌，路桥接连区出现明显的错台，表明栅格没有起到控制桥头跳车的作用或者起到的作用不大。桥台近边栅格所承的拉力相对最大，栅格远离桥台其拉力同时在对应伴随降低，表明在桥台附近栅格网兜作用相对更为明显。

在桥台锚嵌栅格时，靠近桥台一侧的栅格承受拉力较比不锚嵌时的拉力有所提高，表明锚嵌工况下栅格的作用才能得到充分发挥，锚嵌栅格可以大幅缓减路桥过渡段的降沉。

因此在设计土工栅格加筋时，一定把栅格锚嵌于桥台，以令其充分发挥作用。而且适当对栅格实施预拉张，不但能够提高栅格的抗拉能力，还能够加大栅格的作用范围。

图9 栅格锚嵌与不锚嵌的应力云图 下载原图

图9是栅格是否锚嵌时，对台背靠近桥头一侧的路基降沉曲线，其中Path2是栅格不锚嵌时桥台端垂向的降沉曲线;Path1表示栅格锚嵌时桥台端垂向降沉曲线。图10揭示，比不锚嵌时的降沉，栅格锚嵌时桥台端的降沉小得多，但随土体深度加增，二者差异就不大了，表明土工栅格应锚嵌于桥台，锚嵌后能够大幅度缓解和改善降沉，但锚嵌作用只在一定深度内对近桥台侧发挥较大作用。

(2)栅格部分反包与全部锚嵌的降沉比对

常规的栅格布设形式为，栅格锚嵌在桥台上，但是桩柱式桥台，能够锚嵌栅格的部位只有台帽位置，施工上不方便的同时，栅格还对桥台加施额外的拉力，并且桥台上锚嵌栅格然后，会阻碍基础降沉的释放，所以提出栅格反包处理与锚嵌相结合的办法。

图1 0 栅格是否锚嵌的垂向降沉影响曲线 下载原图

栅格锚嵌与反包结合应用时的降沉云状态见图11所示，能够看到桥台侧路基的降沉约在1.7cm左右。

图1 1 反包栅格的降沉云状态图 下载原图

图12揭示，较比栅格全部锚嵌时降沉，在靠近桥台一侧反包下四层栅格时的降沉要小，由于栅格能够托举土体，基础并没有承受所有上部载荷及路基自身重量，但随时程发展，上部载荷及路基自身重量最终会全部作用于基础上，致使基础进一步降沉。而栅格反包时，下部分土体及栅格反包共同作用，反包区域的整体性有所扩展和增强，能够更加有效的降低桥台侧路基的降沉。但上三层仍旧选用锚嵌，是由于从上往下降沉量呈依次降低态势，上部降沉较大，如果选用反包处理，那么路桥接连区的降沉差反而会更大。

图1 2 基于二工况的降沉曲线 下载原图

4 结语

本文采用ABAQUS工程有限元模拟分析的方式，对加筋栅格治理过渡段跳车的功效影响课题开展了专题分析探讨。主要收获:(1)简述了土工栅格作用原理;(2)建立分析模型并开展了加筋栅格治理过渡段跳车的功效影响有限元分析;(3)通过分析得出如下认识:(1)没有铺设栅格于台背时，路基与桥台在相接处会发生明显错台;但铺设土工栅格以后，接连部位的错台就可以实现平缓过渡，设栅格筋间距不是越密越好，存在一个适中的设置栅格筋间距问题。土工栅格层数增加设置，也会降低降沉，不能超越合理设筋深度，否则效果就会大打折扣。(2)土工栅格锚嵌在桥台结构物上，才能充分发挥土工栅格抗拉机能的优越性，起到至网兜作用。(3)在栅格选用等间距布设的条件下，路基高程不同时，土工栅格布设的最优层间距在随着路基高程的加增而降低，但如果层间距过小，加筋效果增强不明显，相对费用还会越大，相对性价比则不够理想。同种布设形式，路基表面的沉降值随着路基高程加增而加大。2.5～3.6m为本案例工程的有效加筋深度。(4)栅格反包时，下部分土体及栅格反包共同作用，反包区域的整体性有所扩展和增强，能够更加有效的降低桥台侧路基的降沉。

参考文献

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本文来源于：[1]李文彪.加筋栅格治理过渡段跳车的功效影响有限元分析探究[J].公路交通科技(应用技术版),2020,16(03):24-28.

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