桩承式加筋路堤在地震荷载作用下的数值模拟分

　　摘要：为了研究桩承式加筋路堤在地震荷载作用下的动力响应，建立了EL波作用下的三维动力分析模型，对桩承式加筋路堤和未加筋路堤在地震荷载作用下的路堤表面竖向位移、坡脚水平位移、竖向加速度、动剪应力峰值等进行了对比分析。经分析：地震荷载作用下，桩承式加筋路堤通过桩体土拱效应和格栅张拉膜效应的联合作用，其路面竖向变形、坡脚水平位移、加速度、动剪应力峰值均比天然路堤的结果明显减小。

　　键词：地震荷载,桩承式加筋路堤,动力响应

　　0 引 言

　　我国处于地震高发地区，地震给人们带来的灾害包括经济，伤亡，对公路铁路的破坏也是毁灭性的。如1978年唐山大地震，全市的公路在不同程度遭到了毁坏;2008年汶川地震造成都江堰—映秀段公路完全中断，路基塌陷，桥梁垮塌，山体崩塌。由此可见，对于地震对公路的影响以及防治措施应是一项值得深入研究的课题。

　　近年来，桩承式加筋路堤已得到广泛关注，它是在桩承式路堤的基础上发展起来的，为软弱地基提高承载力提供了一种有效的方法。Aubeny等[1]用ABAQUS模拟桩承式加筋路堤中土层、桩和土工合成材料垫层三者的相互作用，指出波浪形的沉降剖面在堤坝的基底较为明显;费康等[2]对低置换桩理论方面有限元分析与现场试验，并对其数据进行对比分析，结果相似;刘飞禹等[3]用数值法并考虑流固耦合作用研究了移动荷载下加筋道路系统的动力响应;陈仁鹏等[4]利用弹塑性有限元方法研究了桩承式加筋路堤的沉降组成和分布规律、使用条件等;蒋建清等[5]将加筋路堤在地震荷载作用的模型简化为多质点体系，推导出动力方程，并将其放在SIMULINK环境下建立仿真模型求解;王建等[6]在试验及数值模拟发现，路堤损害是一种浅表层震害模式。

　　虽然桩承式加筋路堤已有成功的案例，但是从现有的文献来看，对于在地震荷载作用下的动力响应问题研究较少，尤其三维方面甚少。本文采用FLAC3D建立了桩承式加筋路堤三维流分析模型，施加EL地震波，对加筋与未加筋的路堤进行了对比。

　　1. 数值建模

　　1.1数值模型及边界条件

　　基于FLAC3D建立桩承式加筋路堤的三维流固耦合模型。路堤宽度为24m，路堤高度3m，坡比为3:4，为了减少模型边界条件对模拟结果的影响，取地基长度全长48m，软土地基深度为15m，模型纵向宽度取12m，地下水位位于软土地基表层。桩的布置：桩长15m，桩径1m，桩间距2m，第一纵列离对称面1m，布桩关于YOZ面完全对称，图2是未加筋桩承式路堤模型的网格划分与桩体布置图。对于加筋模型，在地基与路堤的交界面处设置一层土工格栅。由于模型底部是软土，因此不能直接施加地震荷载，需要先将其转化为应力时程。在FLAC3D中，自由场提供了与无限场地相同的效果，模型周围采用自由场边界条件;而静态边界用来吸收边界上的入射波，使得计算结果更加精确，因此模型底部采用静态边界条件。

　　1.2 模型参数

　　数值模型中对地基与路堤均采用摩尔库伦模型，对于土工格栅与桩体分别采用FLAC3D提供的结构单元模型。相关参数如表1所示

　　1.3 地震荷载

　　在模型底部输入El-Centro地震波加速度时程，持续时间10 s，El-Centro地震波加速度峰值为0.3g.

　　2.测控点的布置

　　对于监测点的布置，如图2，在Y=6m的截面，路堤顶面X=0m,Z=18m处布置测控点A，用来监控路面竖向位移;在X=10m,Y=15m的地基表面设置监控点B，用来监控坡脚水平位移;在X=0m,Z=14m处设置监控点C用来监控竖向加速度;在检测动剪应力峰值时将监测点布置在监测线ACD上，分别取当X=0，Z=1m,4m,7m,10m,11m,12m,13m,14m,15m,16m,17m的监控点来检测。

　　3. 计算结果与对比分析

　　3.1 加筋路基计算结果整体分析

　　图3是加筋路堤三维模型在地震荷载作用下的竖向应力云图。由图中可以看到最大应力出现在地基边缘及路堤两侧处;由于孔隙水压力与土拱效应，最大负应力出现在路堤表面与地基表面中心处。由于模型的尺寸与网格划分完全对称，应力分布均匀。

　　图4为加筋路堤在地震荷载作用下竖向位移云图。路堤部分分层较为明显、规范，路堤表面处沉降最大，由表面向下逐渐减小，在路堤坡脚处由于格栅与桩顶应力的作用，出现了向上的负位移;地基部分离路堤较远的软土位移影响较小，总体呈三角状向底部分布。

　　3.2 路面竖向位移

　　图5给出了桩承式路堤在加筋与未加筋条件下监测点A的竖向位移时程曲线。从图中可以看出在地震起始0.5s时两种路堤的竖向变形曲线几乎重合，且为线性变化分别为1.79cm与1.81cm;此时变形为弹性可恢复的;之后两者位移差迅速增大，达到最大，两者的最大位移分别为11.32cm与5.87cm;此后随着地震波振幅减小，A点竖向位移也逐渐趋于稳定。在加载结束时，加筋与未加筋时A点竖向位移分别为6.01cm与11.89cm，加筋路堤竖向位移减小了49%。由此可见，桩承式加筋路堤大大减小了地震荷载作用下路堤的竖向位移，从而减小地震作用对路堤的破坏。

　　3.3 坡脚水平位移

　　图6为监测点B为加筋与未加筋路堤在地震荷载作用下的水平位移。在起初1.5s时，未加筋与加筋路堤B点时程曲线相差不大;随着地震波持续，两者的走势基本相同，由于土工格栅的张拉膜效应，两者位移差逐渐增大，在7s时两者最大位移差为0.82cm，随后由于地震波逐渐趋于平稳，两者位移迅速减小。

　　3.4 加速度

　　图7 (a)、(b)分别表示桩承式加筋路堤与未加筋路堤在地震荷载作用下B点处的加速度时程曲线。B点位于路堤与地基的交界处，同时也是加筋路堤土工格栅布置的边界点，因此B点可清晰的表达出加筋与未加筋的区别。地震荷载逐渐增大时，加速度也随之增大，当地震荷载达到最大到1.05g时，B点加速度也达到最大，未加筋与加筋路堤分别为0.045m/s2，0.023m/s2。可见地震荷载作用下，在桩体和土工格栅的共同作用下，竖向加速度明显明显减小。

　　3.5 动剪应力峰值

　　图8是动剪应力峰值沿高度方向的变化分布曲线。在高度1m到11m的范围内动剪应力基本不变，为加筋路堤约为41kpa，加筋路堤约为39kpa;由于桩体的加固，总体呈下降趋势;在z=17m左右处出现深度方向动剪应力峰值分别为40.91kpa与42.13kpa;随着高程的增加，动剪应力逐渐减小。路堤剪切破坏的主要原因是动剪应力，路堤上部的动剪应力最大，这与上部水平裂缝较多的现象一致。加筋格栅的出现可适当减小动剪应力，从而减少张拉裂缝。

　　4. 结语

　　本文采用FLAC3D软件对加筋与未加筋的桩承式路堤建立了三维模型，并在地基表面设置了地下水位，对以施加水平与竖向地震波，分析了加筋与未加筋情况下路堤的动力响应：

　　(1)地震荷载作用下，桩承式加筋路堤能够有效的减小路堤的竖向变形和坡脚水平位移。

　　(2)随着地震荷载的增大，桩承式路堤的竖向加速度也达到最大，而在桩体与筋材共同作用下，竖向加速度明显减小。

　　(3)地震荷载作用下，桩承式加筋路堤可以有效的较小动剪应力峰值。在实际工程中，由于张拉而出现的裂缝也可适当的减小。

　　参考文献：

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　　[3] 刘飞禹,余炜,杨凤云,张孟喜.移动荷载作用下桩承式加筋路堤的动力特性[J].土木建筑与环境工程,2012, 34(3):16-20.

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