摘要：為了研究樁承式加筋路堤在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，建立了EL波作用下的三維動(dòng)力分析模型，對(duì)樁承式加筋路堤和未加筋路堤在地震荷載作用下的路堤表面豎向位移、坡腳水平位移、豎向加速度、動(dòng)剪應(yīng)力峰值等進(jìn)行了對(duì)比分析。經(jīng)分析：地震荷載作用下，樁承式加筋路堤通過(guò)樁體土拱效應(yīng)和格柵張拉膜效應(yīng)的聯(lián)合作用，其路面豎向變形、坡腳水平位移、加速度、動(dòng)剪應(yīng)力峰值均比天然路堤的結(jié)果明顯減小。

　　鍵詞：地震荷載,樁承式加筋路堤,動(dòng)力響應(yīng)

　　0 引 言

　　我國(guó)處于地震高發(fā)地區(qū)，地震給人們帶來(lái)的災(zāi)害包括經(jīng)濟(jì)，傷亡，對(duì)公路鐵路的破壞也是毀滅性的。如1978年唐山大地震，全市的公路在不同程度遭到了毀壞;2008年汶川地震造成都江堰—映秀段公路完全中斷，路基塌陷，橋梁垮塌，山體崩塌。由此可見(jiàn)，對(duì)于地震對(duì)公路的影響以及防治措施應(yīng)是一項(xiàng)值得深入研究的課題。

　　近年來(lái)，樁承式加筋路堤已得到廣泛關(guān)注，它是在樁承式路堤的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，為軟弱地基提高承載力提供了一種有效的方法。Aubeny等[1]用ABAQUS模擬樁承式加筋路堤中土層、樁和土工合成材料墊層三者的相互作用，指出波浪形的沉降剖面在堤壩的基底較為明顯;費(fèi)康等[2]對(duì)低置換樁理論方面有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果相似;劉飛禹等[3]用數(shù)值法并考慮流固耦合作用研究了移動(dòng)荷載下加筋道路系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng);陳仁鵬等[4]利用彈塑性有限元方法研究了樁承式加筋路堤的沉降組成和分布規(guī)律、使用條件等;蔣建清等[5]將加筋路堤在地震荷載作用的模型簡(jiǎn)化為多質(zhì)點(diǎn)體系，推導(dǎo)出動(dòng)力方程，并將其放在SIMULINK環(huán)境下建立仿真模型求解;王建等[6]在試驗(yàn)及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，路堤損害是一種淺表層震害模式。

　　雖然樁承式加筋路堤已有成功的案例，但是從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)于在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題研究較少，尤其三維方面甚少。本文采用FLAC3D建立了樁承式加筋路堤三維流分析模型，施加EL地震波，對(duì)加筋與未加筋的路堤進(jìn)行了對(duì)比。

　　1. 數(shù)值建模

　　1.1數(shù)值模型及邊界條件

　　基于FLAC3D建立樁承式加筋路堤的三維流固耦合模型。路堤寬度為24m，路堤高度3m，坡比為3:4，為了減少模型邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響，取地基長(zhǎng)度全長(zhǎng)48m，軟土地基深度為15m，模型縱向?qū)挾热?2m，地下水位位于軟土地基表層。樁的布置：樁長(zhǎng)15m，樁徑1m，樁間距2m，第一縱列離對(duì)稱(chēng)面1m，布樁關(guān)于YOZ面完全對(duì)稱(chēng)，圖2是未加筋樁承式路堤模型的網(wǎng)格劃分與樁體布置圖。對(duì)于加筋模型，在地基與路堤的交界面處設(shè)置一層土工格柵。由于模型底部是軟土，因此不能直接施加地震荷載，需要先將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)力時(shí)程。在FLAC3D中，自由場(chǎng)提供了與無(wú)限場(chǎng)地相同的效果，模型周?chē)捎米杂蓤?chǎng)邊界條件;而靜態(tài)邊界用來(lái)吸收邊界上的入射波，使得計(jì)算結(jié)果更加精確，因此模型底部采用靜態(tài)邊界條件。

　　1.2 模型參數(shù)

　　數(shù)值模型中對(duì)地基與路堤均采用摩爾庫(kù)倫模型，對(duì)于土工格柵與樁體分別采用FLAC3D提供的結(jié)構(gòu)單元模型。相關(guān)參數(shù)如表1所示

　　1.3 地震荷載

　　在模型底部輸入El-Centro地震波加速度時(shí)程，持續(xù)時(shí)間10 s，El-Centro地震波加速度峰值為0.3g.

　　2.測(cè)控點(diǎn)的布置

　　對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，如圖2，在Y=6m的截面，路堤頂面X=0m,Z=18m處布置測(cè)控點(diǎn)A，用來(lái)監(jiān)控路面豎向位移;在X=10m,Y=15m的地基表面設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)B，用來(lái)監(jiān)控坡腳水平位移;在X=0m,Z=14m處設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)C用來(lái)監(jiān)控豎向加速度;在檢測(cè)動(dòng)剪應(yīng)力峰值時(shí)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在監(jiān)測(cè)線ACD上，分別取當(dāng)X=0，Z=1m,4m,7m,10m,11m,12m,13m,14m,15m,16m,17m的監(jiān)控點(diǎn)來(lái)檢測(cè)。

　　3. 計(jì)算結(jié)果與對(duì)比分析

　　3.1 加筋路基計(jì)算結(jié)果整體分析

　　圖3是加筋路堤三維模型在地震荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖。由圖中可以看到最大應(yīng)力出現(xiàn)在地基邊緣及路堤兩側(cè)處;由于孔隙水壓力與土拱效應(yīng)，最大負(fù)應(yīng)力出現(xiàn)在路堤表面與地基表面中心處。由于模型的尺寸與網(wǎng)格劃分完全對(duì)稱(chēng)，應(yīng)力分布均勻。

　　圖4為加筋路堤在地震荷載作用下豎向位移云圖。路堤部分分層較為明顯、規(guī)范，路堤表面處沉降最大，由表面向下逐漸減小，在路堤坡腳處由于格柵與樁頂應(yīng)力的作用，出現(xiàn)了向上的負(fù)位移;地基部分離路堤較遠(yuǎn)的軟土位移影響較小，總體呈三角狀向底部分布。

　　3.2 路面豎向位移

　　圖5給出了樁承式路堤在加筋與未加筋條件下監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的豎向位移時(shí)程曲線。從圖中可以看出在地震起始0.5s時(shí)兩種路堤的豎向變形曲線幾乎重合，且為線性變化分別為1.79cm與1.81cm;此時(shí)變形為彈性可恢復(fù)的;之后兩者位移差迅速增大，達(dá)到最大，兩者的最大位移分別為11.32cm與5.87cm;此后隨著地震波振幅減小，A點(diǎn)豎向位移也逐漸趨于穩(wěn)定。在加載結(jié)束時(shí)，加筋與未加筋時(shí)A點(diǎn)豎向位移分別為6.01cm與11.89cm，加筋路堤豎向位移減小了49%。由此可見(jiàn)，樁承式加筋路堤大大減小了地震荷載作用下路堤的豎向位移，從而減小地震作用對(duì)路堤的破壞。

　　3.3 坡腳水平位移

　　圖6為監(jiān)測(cè)點(diǎn)B為加筋與未加筋路堤在地震荷載作用下的水平位移。在起初1.5s時(shí)，未加筋與加筋路堤B點(diǎn)時(shí)程曲線相差不大;隨著地震波持續(xù)，兩者的走勢(shì)基本相同，由于土工格柵的張拉膜效應(yīng)，兩者位移差逐漸增大，在7s時(shí)兩者最大位移差為0.82cm，隨后由于地震波逐漸趨于平穩(wěn)，兩者位移迅速減小。

　　3.4 加速度

　　圖7 (a)、(b)分別表示樁承式加筋路堤與未加筋路堤在地震荷載作用下B點(diǎn)處的加速度時(shí)程曲線。B點(diǎn)位于路堤與地基的交界處，同時(shí)也是加筋路堤土工格柵布置的邊界點(diǎn)，因此B點(diǎn)可清晰的表達(dá)出加筋與未加筋的區(qū)別。地震荷載逐漸增大時(shí)，加速度也隨之增大，當(dāng)?shù)卣鸷奢d達(dá)到最大到1.05g時(shí)，B點(diǎn)加速度也達(dá)到最大，未加筋與加筋路堤分別為0.045m/s2，0.023m/s2。可見(jiàn)地震荷載作用下，在樁體和土工格柵的共同作用下，豎向加速度明顯明顯減小。

　　3.5 動(dòng)剪應(yīng)力峰值

　　圖8是動(dòng)剪應(yīng)力峰值沿高度方向的變化分布曲線。在高度1m到11m的范圍內(nèi)動(dòng)剪應(yīng)力基本不變，為加筋路堤約為41kpa，加筋路堤約為39kpa;由于樁體的加固，總體呈下降趨勢(shì);在z=17m左右處出現(xiàn)深度方向動(dòng)剪應(yīng)力峰值分別為40.91kpa與42.13kpa;隨著高程的增加，動(dòng)剪應(yīng)力逐漸減小。路堤剪切破壞的主要原因是動(dòng)剪應(yīng)力，路堤上部的動(dòng)剪應(yīng)力最大，這與上部水平裂縫較多的現(xiàn)象一致。加筋格柵的出現(xiàn)可適當(dāng)減小動(dòng)剪應(yīng)力，從而減少?gòu)埨芽p。

　　4. 結(jié)語(yǔ)

　　本文采用FLAC3D軟件對(duì)加筋與未加筋的樁承式路堤建立了三維模型，并在地基表面設(shè)置了地下水位，對(duì)以施加水平與豎向地震波，分析了加筋與未加筋情況下路堤的動(dòng)力響應(yīng)：

　　(1)地震荷載作用下，樁承式加筋路堤能夠有效的減小路堤的豎向變形和坡腳水平位移。

　　(2)隨著地震荷載的增大，樁承式路堤的豎向加速度也達(dá)到最大，而在樁體與筋材共同作用下，豎向加速度明顯減小。

　　(3)地震荷載作用下，樁承式加筋路堤可以有效的較小動(dòng)剪應(yīng)力峰值。在實(shí)際工程中，由于張拉而出現(xiàn)的裂縫也可適當(dāng)?shù)臏p小。

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