摘要：為了研究樁承式加筋路堤在地震荷載作用下的動力響應，建立了EL波作用下的三維動力分析模型，對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、動剪應力峰值等進行了對比分析。經分析：地震荷載作用下，樁承式加筋路堤通過樁體土拱效應和格柵張拉膜效應的聯合作用，其路面豎向變形、坡腳水平位移、加速度、動剪應力峰值均比天然路堤的結果明顯減小。
鍵詞：地震荷載,樁承式加筋路堤,動力響應
0 引 言
我國處于地震高發地區，地震給人們帶來的災害包括經濟，傷亡，對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，對于地震對公路的影響以及防治措施應是一項值得深入研究的課題。
近年來，樁承式加筋路堤已得到廣泛關注，它是在樁承式路堤的基礎上發展起來的，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;費康等[2]對低置換樁理論方面有限元分析與現場試驗，并對其數據進行對比分析，結果相似;劉飛禹等[3]用數值法并考慮流固耦合作用研究了移動荷載下加筋道路系統的動力響應;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化為多質點體系，推導出動力方程，并將其放在SIMULINK環境下建立仿真模型求解;王建等[6]在試驗及數值模擬發現，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，但是從現有的文獻來看，對于在地震荷載作用下的動力響應問題研究較少，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，對加筋與未加筋的路堤進行了對比。
1. 數值建模
1.1數值模型及邊界條件
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模擬結果的影響，取地基長度全長48m，軟土地基深度為15m，模型縱向寬度取12m，地下水位位于軟土地基表層。樁的布置：樁長15m，樁徑1m，樁間距2m，第一縱列離對稱面1m，布樁關于YOZ面完全對稱，圖2是未加筋樁承式路堤模型的網格劃分與樁體布置圖。對于加筋模型，在地基與路堤的交界面處設置一層土工格柵。由于模型底部是軟土，因此不能直接施加地震荷載，需要先將其轉化為應力時程。在FLAC3D中，自由場提供了與無限場地相同的效果，模型周圍采用自由場邊界條件;而靜態邊界用來吸收邊界上的入射波，使得計算結果更加精確，因此模型底部采用靜態邊界條件。
1.2 模型參數
數值模型中對地基與路堤均采用摩爾庫倫模型，對于土工格柵與樁體分別采用FLAC3D提供的結構單元模型。相關參數如表1所示
1.3 地震荷載
在模型底部輸入El-Centro地震波加速度時程，持續時間10 s，El-Centro地震波加速度峰值為0.3g.
2.測控點的布置
對于監測點的布置，如圖2，在Y=6m的截面，路堤頂面X=0m,Z=18m處布置測控點A，用來監控路面豎向位移;在X=10m,Y=15m的地基表面設置監控點B，用來監控坡腳水平位移;在X=0m,Z=14m處設置監控點C用來監控豎向加速度;在檢測動剪應力峰值時將監測點布置在監測線ACD上，分別取當X=0，Z=1m,4m,7m,10m,11m,12m,13m,14m,15m,16m,17m的監控點來檢測。
3. 計算結果與對比分析
3.1 加筋路基計算結果整體分析
圖3是加筋路堤三維模型在地震荷載作用下的豎向應力云圖。由圖中可以看到最大應力出現在地基邊緣及路堤兩側處;由于孔隙水壓力與土拱效應，最大負應力出現在路堤表面與地基表面中心處。由于模型的尺寸與網格劃分完全對稱，應力分布均勻。
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力的作用，出現了向上的負位移;地基部分離路堤較遠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測點A的豎向位移時程曲線。從圖中可以看出在地震起始0.5s時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;此時變形為彈性可恢復的;之后兩者位移差迅速增大，達到最大，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點豎向位移也逐漸趨于穩定。在加載結束時，加筋與未加筋時A點豎向位移分別為6.01cm與11.89cm，加筋路堤豎向位移減小了49%。由此可見，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路堤的破壞。
3.3 坡腳水平位移
圖6為監測點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，未加筋與加筋路堤B點時程曲線相差不大;隨著地震波持續，兩者的走勢基本相同，由于土工格柵的張拉膜效應，兩者位移差逐漸增大，在7s時兩者最大位移差為0.82cm，隨后由于地震波逐漸趨于平穩，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點處的加速度時程曲線。B點位于路堤與地基的交界處，同時也是加筋路堤土工格柵布置的邊界點，因此B點可清晰的表達出加筋與未加筋的區別。地震荷載逐漸增大時，加速度也隨之增大，當地震荷載達到最大到1.05g時，B點加速度也達到最大，未加筋與加筋路堤分別為0.045m/s2，0.023m/s2。可見地震荷載作用下，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 動剪應力峰值
圖8是動剪應力峰值沿高度方向的變化分布曲線。在高度1m到11m的范圍內動剪應力基本不變，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;在z=17m左右處出現深度方向動剪應力峰值分別為40.91kpa與42.13kpa;隨著高程的增加，動剪應力逐漸減小。路堤剪切破壞的主要原因是動剪應力，路堤上部的動剪應力最大，這與上部水平裂縫較多的現象一致。加筋格柵的出現可適當減小動剪應力，從而減少張拉裂縫。
4. 結語
本文采用FLAC3D軟件對加筋與未加筋的樁承式路堤建立了三維模型，并在地基表面設置了地下水位，對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力響應：
(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剪應力峰值。在實際工程中，由于張拉而出現的裂縫也可適當的減小。
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