基于有限元数值分析的土工格栅加筋路堤优化设计研究.pdfVIP

摘 要 土工格栅加筋陡坡路堤是一种新型的、非常有前途的路基结构形式，与土工格栅加筋土挡墙相 比，结构简单，工程造价低，坡面变形适应能力强。目前这种结构已经应用到公路、水利等工程领 域当中，并取得了较好的效果。土工格栅加筋陡坡路堤力学行为分析已经成为当前比较热门的研究 内容，目前关于土工格栅加筋陡坡路堤的理论研究相对落后，有关交通荷载作用下加筋陡坡路堤的 动力响应研究也较少，进而影响了土工格栅加筋陡坡路堤在实际工程中的应用和发展。 本文以新疆S101 线沙湾段土工格栅加筋陡坡路堤工程为依托，借助有限元方法分析土工格栅加 筋陡坡路堤的力学行为，对土工格栅加筋陡坡路堤进行静力分析，同时探讨了交通荷载作用下加筋 陡坡路堤的动力响应，在数值分析的基础上对加筋陡坡路堤进行优化设计，得出了一些适用的结论， 给土工格栅加筋陡坡路堤优化设计提供参考依据。所取得的主要研究成果如下： （1）回顾了加筋土的应用与发展现状，探讨了加筋土的理论研究现状，总结了加筋土的作用机 理和结构设计方法，对目前研究现状存在的问题进行了分析，得出了需要进一步研究的方向和内容。 （2 ）借助Midas GTS NX 有限元软件，依托加筋路堤试验段，将数值模拟与实测得到的土工格 栅应变值进行对比，验证了数值模型的可靠性。进而对加筋路堤潜在滑裂面、水平位移和筋材受力 进行分析，结果显示：加筋后路堤的潜在滑裂面向路堤内部移动；土工格栅加筋对路堤的水平位移 限制效果明显；筋材受力区域主要集中在路堤中部和下部；土工格栅加筋可显著提高路堤结构的整 体稳定性。 （3 ）通过建立三维数值模型，将车辆荷载简化为移动荷载，从加筋陡坡路堤受力和变形两个方 面研究交通荷载作用下路堤的力学响应规律。结果表明：行车荷载作用下，路堤中心位置的动力响 应最为明显，路基顶部的沉降和水平位移变形最大；路基工作区范围内，靠近路面位置的土工格栅 受力较大；车辆载重不同的条件下，路堤不同深度的竖向应力、沉降、水平位移变化趋势大致相同； 不同车速下，路堤的沉降、水平位移、竖向应力响应关系曲线存在拐点，且曲线呈现出先减小后增 大的趋势；加筋可有效减弱行车荷载产生的竖向应力对路堤造成的疲劳破坏。 （4 ）在上述理论研究成果的基础上，通过改变边坡坡率、填土粘聚力、填土内摩擦角、筋材间 距、筋材弹性模量以及边坡分级方式，分析各参数变化对加筋路堤稳定性的影响规律。结果表明： 填土粘聚力、内摩擦角以及土工格栅弹性模量越大，加筋路堤最大水平位移越小，路堤整体稳定性 越好；“上疏下密”型布筋方式比 “中间密”型以及“均布”型更能有效限制路堤的水平位移；可以 通过路堤分级的形式对陡坡路堤进行加固；在加筋路堤设计中，建议筋材布设层间距不大于60cm， 土工格栅的弹性模量不低于7Mpa 。 关键词：土工格栅；陡坡路堤；格栅应变；潜在滑裂面；三维有限元；车辆荷载；动力响应 I Abstract Geogrid reinforced steep embankment is a new type of subgrade structure.Compared with geogrid reinforced retaining wall,it has simple structure,low engineering cost and strong adaptability to slope deformation.At present,this structure has been applied to highway,water conservancy and other engineering fields,and achieved good results.The analysis of mechanical behavior of geogrid reinforced steep embankment has become a popular research topic.At present,the theoretical research on geogrid