1、1土工格室在路基拓宽中的分析计算和应用研究摘要：土工格室是立体的土工合成材料，通过 ansys 软件对土工格室在路基拓宽中的模型进行分析计算，得出土工格室在路基拓宽中的具体作用。 关键词： 路基拓宽 土工格室 有限元 1 概述 随着我国经济的迅速发展，一些营运量大的公路已经呈现出交通量饱和的态势，使得公路本身所应具有的高速、快捷、畅通的服务优势大打折扣。为满足日益增长的交通需求，对已有的公路加宽已成必然。由于旧路路基已沉降多年基本趋于稳定，而新路路基沉降时间短，新旧路基结合处必将产生不均匀沉降，从而产生纵向裂缝，导致水泥混凝土面板在荷载作用下产生断板，沥青混凝土路面产生反射裂缝，对行车质量带来
2、很大影响。 土工格室是八十年代在国际上开发的一种特种土工合成材料，它适于在工程领域用作加筋材料。土工格室(geocell)它是一种新型的立体加筋材料，这是一种由高分子聚合物经强力焊接而成的三维网状结构，它伸缩自如，运输时可以折叠起来，使用时张开，并在格室中填充砂、石、土等填料，构成一种立体的蜂窝状结构。组间使用特殊连接方式，组成任意尺寸规格的土工格室材料。同其它类型的土工合成材料一样，土工格室具有性能优良、应用范围广泛等特点：同时土工格室具有耐老化性2能、抗化学腐蚀性能和良好的力学性能，既可用于加固软土地基，又可用于边坡防护、挡土墙工程、旧路拓宽工程等，还可用于河道治理、堤坝工程、支撑城市排水
3、管道工程等。土工格室如图 1、图 2 所示。 图 1 土工格室的铺设 图 2 土工格室的锚固 2 加固机理 （1）土工格室可使填料的表观粘聚力成倍提高，对其中的填料提供了强大的侧限，格室侧壁也对填料产生了竖向的摩擦约束， 与材料形成双面磨擦力(即横向阻力)，有效地限制了因荷载而产生的横向移动趋势。其格室与格室之间的反作用力，更加抵消了部分因荷载而产生的横向位移的趋势； （2）其格室与格室之间的反作用力，更加抵消了部分因荷载而产生的横向位移的趋势。格室-填料复合结构可以看作是一个具有一定抗弯刚度的柔性筏基。于是土工格室结构不仅能承担路堤对地基的侧向推力，而且还能有效降低地基的竖向附加应力； （3
4、）土工格室加筋层起到了扩散竖向应力的作用，保证了上部结构的安全、正常使用。土工格室置于地基表面，还限制了软土的侧向隆起，使得土的滑移剪切面向更深的区域发展，类似于“深基础”的效果，也大大增强了地基的稳定性。 3 土工格室的有限元分析 有限单元法是一种纯数值求解方法，其基本思路是将连续体模型离3散成为有限个单元，单元之间通过节点连接，并要求每个单元满足一定的物理条件，最后将所有的单元再集成，组成求解问题的数值计算方程。有限单元法的离散化，可以从物理和数学两个角度来理解。从物理角度看，一个连续体可以近似地用有限个在节点处互相连接的单元所组成的集合体来代表，因而可以把连续的分析问题转变成单个单元的分
5、析和所有单元的集合问题。从数学角度来看，一个连续体可以分割为有限个子域，每个子域的场函数可以用包含有限个参数的简单函数来描述，集合这些子域的场函数，就可以近似地代表整个连续域的场函数。于是，求解连续场函数的微分方程或积分方程，就转化为求解有限个待定参数的代数方程组。由此可以看出，离散化就是化无限为有限，从而达到化难为易的目的。本次分析利用大型有限元分析软件 ANSYS 进行 3.1 土工格室与土的接触模拟 按空间问题考虑，进行三维有限元分析； 土体为弹塑性材料，采用 Drucker-Prager 模型进行模拟，采用板体 SOLID-45 单元，空间 8 节点等参元。 将土工合成材料和土体结合体
6、看作复合板体模型，该板体有一定刚度和抗拉强度； 将土工复合土体看作目标面，与其接触的土体看作接触面； 接触面只发生静摩擦作用，不发生动摩擦作用。 3.2 计算参数 分析模型采用原有路基宽一侧 13m，加宽后 21m，两边对称，路基高度 4m，土工格室采用与土体结合后的复合模量，具体参数如表 1： 4表 1 土工格室有限元分析计算参数 图 3 加宽路基沉降盆效果图 由于拓宽路基的沉降曲线呈“”形，同时使整个路基呈微“”弯曲。这使得在“”形路基的顶部和底部受弯拉应力，而最大拉应力出现在加宽路基底部，如图 3 所示。若铺设的土工格室要起到加筋作用，理论上铺于顶层或底层能较大限度发挥土工材料的抗拉能力
7、，使整个路基结构受力均匀，减少侧向位移和不均匀沉降。 3.3 土工格室铺于不同层位时路基顶面各点的侧向位移 土工格室铺于不同层位时路基顶面各点 P1、P2、P3、P4 的侧向位移和沉降见表 2 和表 3。 表 2 土工格室铺于不同层位时侧向位移量 注：1 为旧路中心线，2 为开挖点（即旧路基边缘） ，3 为新路基边缘，4 为新路基坡脚线；X1 为 1 点横向位移，其他各点类推，向路基外方向为正，向路基中心线方向为负。 图 4 土工格室铺于不同层位时路基顶面各点侧向位移 5由表 3 及图 4 可以看出，土工格室的铺设可以从一定程度上减少新路基的侧向位移，且铺设于基底和基顶时效果最好。土工格室铺于
8、基顶时，对 P2、P3 点的侧向位移影响最明显，P2 点侧向位移减少了15.8，P3 点侧向位移减少了 27.6。土工格室铺于基底时，对 P3、P4点的侧向位移影响最明显，P3 点侧向位移减少了 58.6，P4 点侧向位移则减少了 88.9。 3.4 土工格室铺于不同层位时路基顶面各点的沉降和最大差异沉降 同样，土工格室的铺设起到一定加筋作用，使得下沉较大的新路基受到一定拉力作用，使新旧路基变形更协调，可以从一定程度上减少新旧路基的差异沉降。表 3 是不同加筋层位条件下路基顶面各关键点的沉降和最大差异沉降。 表 3 土工格室铺于不同层位时路基顶面关键点沉降 注：1 为旧路中心线，2 为开挖点（
9、即旧路基边缘） ，3 为新路基边缘，4 为新路基坡脚线；Y1 为 1 点为沉降值，其他类推，向下为正。 图 5 土工格室铺于不同层位时路基顶面关键点沉降 图 6 土工格室铺于不同层位时路基最大差异沉降 从计算结果可以看出，土工格室铺于越下层，则新旧路基差异沉降6越小，当铺于路基底层时最大差异沉降比无土工格室减少 9.6，而铺于较上层对降低差异沉降的贡献并不大。当土工格室分两层铺设（基顶和基底）和各层均铺设时沉降量最大差异沉降比无土工格室分别减少15.1和 24.1。值得注意的是，在有限元分析中，假设土工格室和路基是紧密连接的，只发生静摩擦而不会发生脱离，这种情况只是理想模型。实际上，如果新路基
10、产生较大的沉降或侧向变形，基底和基顶的土工格室很难与路基紧密结合，这样土工格室的抗拉能力实际上并没有得到很大的发挥。相反，当土工格室铺设在新路基土体里面，并且靠近顶面和底面时，才能使土工材料的抗拉能力得到较好的发挥。但从模拟计算结果看，如果中间任意一个层面上铺设一层土工格室，加筋的作用是很有限的，只有在各层均铺设土工格室的情况下，才能发挥较好的加筋作用。但应该注意到新路基的侧向位移本来就不大，完全可以通过挖台阶、保证施工压实度等来减少侧向位移，尤其在填土高度较低情况下，并没有必要考虑采用土工格室降低侧向位移，对土工格室的考虑应着重放在降低差异沉降上。因此，建议对于低路基，可以考虑在基底只铺设一层土工格室；对于较高路基，建议在路基基顶和基底分别铺设一层；对于高路基，需在每层台阶铺设一层土工格室。
