HDPE和PET土工格柵加筋路堤作用的對比研究

賈敏才 ，強 曉，葉建忠

（1. 同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2. 同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；3. 浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006)

1 引 言

土工格柵普遍具有韌性好，耐腐蝕，抗拉強度高等優點[1－2]，有顯著提高路堤整體抗滑穩定性和控制水平變形的能力，近年來土工格柵加筋路堤在水利、交通、城建等多個領域已得到廣泛利用。

在國內的路堤工程建設中，HDPE格柵的應用較為廣泛，針對HDPE格柵材料在路堤中的受力、變形狀態的研究正日趨成熟，其中一種既直觀又有效的研究手段就是現場試驗。楊廣慶等[3－4]通過對加筋路堤的現場測試，指出土工格柵拉筋應變隨著墻體高度變化較大。王祥等[5]對路堤式加筋填土進行了現場原位測試，發現各層拉筋變形規律相差較大，可能出現單峰值、雙峰值或者多峰值現象。賈敏才等[6]結合具體工程對一50 m高土工格柵加筋路堤的格柵應變及土壓力特征進行了研究，發現格柵應變呈雙峰值分布，且對垂直和水平土壓力具有明顯調整作用?，F場試驗雖然能直觀表現出HDPE格柵受力變形的大體規律，但因現場試驗影響因素復雜，在深入揭示格柵作用機制方面受到一定的局限。

20世紀70年代起數值方法逐漸成為研究土工格柵加筋土復雜力學特性的有效手段。劉華北[7]采用廣義塑性模型，利用彈塑性有限元的方法，研究了土工格柵加筋擋土墻在修建過程的力學特性。彭芳樂等[8]采用非相關流動的等向功硬化-軟化彈塑性模型，研究了加筋砂土路堤中筋材層數的變化對加筋效果的影響。這些研究多專注于對HDPE格柵在不同土體性狀或者不同筋材數量等條件下的作用特性，對其他材料土工格柵作用效果的研究相對較少。

PET和 HDPE格柵材料都具有較好的抗拉強度、電絕緣性和耐腐蝕性，但PET材料相對HDPE具有更大的剛度、較小的延伸率和更小的施工破損率[9]。近年來，隨著國外的一些工程成功應用PET格柵進行壩體加固，國內也開始嘗試在路堤工程中應用PET格柵并對其進行試驗和理論研究[10－11]。

本文采用FLAC3D有限差分程序[12]對PET和HDPE兩種格柵的受力變形特性進行模擬，結合十堰至房縣公路 GK0+308～GK0+463段路堤工程的現場監測數據，對HDPE和PET兩種土工格柵加筋作用進行對比分析。通過數值模擬與現場監測數據的比較，闡述了兩種格柵在拉伸應變、控制土體水平位移和土壓力等方面的不同，并對二者的強度發揮差異進行了深入探討。

2 工程概況

十堰－房縣公路 GK0+308～GK0+463段位于丹江口市官山鎮附近。填土層下部13.5 m采用混凝土重力式路堤，上部10 m采用土工格柵加筋路堤，路堤填料為山皮土，顆粒最大粒徑小于15 cm。路堤設計坡率1︰0.25，格柵豎向間距為50 cm，加筋長9 m。加筋土路基坡面采用土工格柵反包回折，反包長1 m，防止施工時土體散落和坡面塌滑。為了對比 PET和 HDPE兩種格柵的加筋效果，在GK0+308～GK0+383段采用 HDPE格柵加筋，而在GK0+383～GK0+463段采用PET格柵加筋，兩種格柵的材料特性見表1。

表1 PET/HDPE土工格柵技術指標Table 1 Technical indices of PET/HDPE geogrids

3 本構模型

3.1 土體模型

根據現場實際情況，模型高30 m，寬50 m，長100 m，混凝土擋墻和加筋填土的高度與坡度和實際相同。山皮土采用FLAC3D內置的摩爾-庫侖本構模型?；炷翐鯄盎鶐r采用彈性模型。填土、混凝土擋墻以及基巖的材料參數見表 2，模型見圖1。

表2 路堤模型參數Table 2 Parameters of contitutive model

圖1 FLAC3D模型Fig.1 FLAC3D model

3.2 土工格柵單元模型

3.2.1 土工格柵單元的建立

采用FLAC3D內置的土工格柵結構單元。每個土工格柵結構單元的力學性能可以分成格柵材料的結構響應和格柵構件與網格的交互作用方式。土工格柵構件采用CST殼有限單元，即能抵抗薄膜荷載而不能抵抗彎曲荷載。土工格柵與FLAC3D網格發生直接的剪切摩擦作用，其剪切特性包括粘聚力和摩擦作用。在路堤中高度0.5～10 m的范圍內，每隔0.5 m創建一層土工格柵。土工格柵的長9 m，如圖2所示。

圖2 格柵設置(單位: m)Fig.2 Arrangement of geogrids(unit: m)

3.2.2 土工格柵單元參數確定

由于土工格柵在加筋土路堤中的實際應變一般小于2%，HDPE和PET兩種土工格柵的拉伸試驗曲線如圖 3所示。兩種土工格柵的計算參數見表3。

圖3 兩種格柵拉伸曲線Fig.3 Tensile curves of two different geogrids

表3 FLAC3D中格柵參數Table 3 Parameters of geogrids in FLAC3D

4 計算結果與分析

4.1 土工格柵應變

圖4為路堤不同高度處數值模擬所得的格柵應變曲線與現場監測數據對比。從圖4（a）和圖4（b）可以看出，在加筋土路堤的中下部，上部土體自重較大，土工格柵材料特性對加筋土內部格柵應變分布影響顯著。因HDPE格柵剛度相對較小，HDPE格柵應變隨距離路堤坡面距離增加變化幅度很大，而 PET格柵的應變值沿長度方向變化幅度卻非常小。在路堤前部，HDPE格柵的應變值遠大于PET格柵，隨著深入路堤內部，HDPE的應變值發生陡降并開始小于后者。數值模擬結果和現場監測數據都清晰地反應出了這樣的規律。

圖4 不同高度處格柵應變曲線Fig.4 Geogrids strain curves at different heights

從材料強度發揮的角度分析，PET格柵沿長度方向相對均勻的應變值，說明了PET格柵通長都得到了較為均勻的拉伸，其材料強度在整個加筋范圍均得到了充分發揮，有利于提高格柵全長的加筋效果。HDPE在靠近坡面的大應變與后端的應變值陡降則不利于后半段格柵材料的加筋效應發揮。結合格柵與土體的相互作用機制可知，PET格柵更好地控制了墻體前后段的變形。

從圖4還可以看出，隨著離開路堤頂部距離的減小，HDPE和PET格柵的應變值逐漸變小，兩種材料應變沿長度方向的差別也逐漸減小。說明在接近路堤上部時，由于填土厚度較小，格柵上填土的垂直土壓力較小，兩種格柵的應變相對較小，格柵剛度對格柵應變的影響減弱，HDPE和PET格柵的應變曲線逐漸趨于相同。

4.2 水平位移

圖5為HDPE和PET格柵加筋路堤不同高度處的水平位移對比曲線。從圖中可以看出，在路堤前部，HDPE加筋路堤的水平位移較PET大，且這種差別隨上部填土厚度的增加而增大；隨著深入路堤內部，二者的水平位移趨于相同。

圖5 不同高度處土體水平位移對比Fig.5 Comparison between horizontal displacement in different heights

圖6為鋪設兩種不同格柵的路堤位移云圖。從圖 5、6可以看出，PET格柵加筋土路堤的水平位移普遍小于HDPE格柵路堤，前者坡面的最大水平位移約是后者的81.4%。

圖6 土體水平位移云圖(單位: m)Fig.6 Horizontal displacement of retaining wall(unit: m)

根據以上計算結果，聯系兩種格柵的應變差異，顯然HDPE格柵在路堤前部的較大應變并未有效控制路堤的水平變形；對于后段應變較大的PET格柵，其路堤的水平應變卻得到了很好的約束。由此可知，在路堤后部，剛度較大的PET格柵能更好地控制加筋路堤的水平位移。

4.3 土壓力

從圖7中加筋路堤不同高度的垂直土壓力曲線可見，隨著上部填土厚度的減小，加筋土內土壓力的峰值漸漸遠離坡面，且沿格柵長度方向逐漸由單峰值向均勻化過渡，這與相應位置處土工格柵的變形規律相吻合。雖然HDPE和PET兩種格柵在加筋土路堤內的剛度和強度發揮程度不同，但是它們在調整路堤內部垂直土壓力方面沒有太大差異，說明變形較小時格柵剛度對加筋土路堤內部垂直土壓力分布影響較小。根據圖中加筋路堤水平土壓力曲線，PET格柵加筋路堤在靠近坡面處的水平土壓力略大于HDPE格柵。格柵剛度對路堤中下部的近坡面水平土壓力雖略有影響，但影響有限。

圖7 不同高度土壓力對比Fig.7 Comparison between earth pressure in different heights

5 結 論

（1）格柵材料特性對加筋土路堤變形影響顯著。剛度較大的PET格柵控制加筋土路堤水平位移的能力明顯強于HDPE格柵，尤其在靠近坡面的區域，前者加筋的路堤發生較大水平應變的面積明顯小于后者。

（2）加筋土內格柵沿長度方向的應變不但與其材料剛度密切相關，還取決于其上覆填土自重。在路堤中下部，土壓力較大，HDPE格柵的應變沿長度分析波動較大，其最大和最小值相差了近1倍；PET格柵的應變曲線雖也略有起伏，但是其拉伸應變值差異很小。在路堤高處，隨著上覆土壓力減小，二者的應變曲線開始接近并最終幾乎重合。顯然土壓力較大時，剛度較大的PET格柵在路堤中更加充分地發揮了加筋作用。

（3）加筋土路堤內垂直和水平土壓力受格柵材料特性的影響較小。兩種不同剛度的格柵對土體豎向應力的控制作用基本相同，但在控制水平應力方面，PET格柵對水平位移的約束導致了路堤中下部靠近坡面處出現略大的水平土壓力。

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