返包式加筋土边坡破坏机理及稳定性影响因素分析

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随着经济建设的发展和需要,我国公路建设项目不断增多,大量山区公路的路堤为半挖半填或高填方形式,由于地貌复杂再加上一些不利外部因素的影响,易出现变形及破坏,因此需要采用合理的支挡结构。加筋土挡墙以其工期短、节约占地、经济效益高等优点得到广泛使用。利用筋材回折包裹形成柔性坡面的返包式加筋土结构,相对于刚性面板加筋土结构,它具有更好的地基适应性以及更轻的自重,且返包坡面可通过植草实现绿化,提高生态效益,节约建设成本。上部有路肩填土作为超载的返包式加筋土路堤是山区公路、铁路建设中一种独特但应用广泛的结构。但目前对于这种结构的工作性能和稳定性研究较少。论文以四川省西南山区一典型的高填方路堤返包式加筋边坡为研究背景,通过数值模拟与离心机模型试验总结了该类结构的变形特征、受力特性以及破坏机理,并对其设计方法进行了优化。主要研究内容和结论如下:
  (1)采用有限差分软件FLAC3D对原型模型进行数值模拟计算,并与未加筋边坡数值计算结果对比分析。研究得出:在边坡中加入土工格栅对素土边坡将发生的浅层破坏具有明显的治理效果。筋材对其周围土体起到了束缚、嵌锁作用,能够均匀边坡内部的侧向变形,并且格栅在填土作用下被张拉,起到抗拉膜的作用承受了部分竖向荷载,改善了竖向土压力的分布。
  (2)以原型工况的数值模型为基础,对不同筋带间距、边坡坡率的返包式加筋结构进行计算分析。研究得出:边坡坡率对加筋边坡性能的影响比筋带间距大,在路堤具有足够安全储备的情况下,通过减小筋带间距并不能显著影响结构的整体稳定性,设计计算时也不能用筋带间距控制结构的位移变形。
  (3)通过离心机模型试验进一步探究了返包式加筋土边坡的工作特性,研究得出:在土中铺设的土工格栅引起了边坡中的应力重分布,在坡面附近区域,竖向土压力监测值大于朗肯理论计算值,在远离坡面的内部区域情况却相反;土体与筋材间的相对剪切位移主要发生在加筋边坡的上半部,其有效激发了筋-土之间的摩擦机制,导致位于边坡顶部附近的筋带受到的拉伸力最大。
  (4)结合数值模拟和离心机模型试验的研究成果,总结了加筋边坡的破坏模式及机理,研究得出:筋带较长的返包式加筋土边坡发生失稳是由于主动区沿着剪切面的滑动位移过大,使土工格栅受到牵拉滑移并出现破坏。筋材的破坏模式主要以纵横条带节点脱离、筋材位移过大甚至拔出为主。在以上分析的基础上,优化了返包式加筋土边坡的设计计算方法。具体建议如下:筋带竖向间距宜为0.5m,最大不超过0.75m;活动区的格栅铺设长度宜大于0.64倍的边坡高度;加筋边坡坡率一般采用1∶1坡比,不宜陡于1∶0.5。
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