高速公路擴(kuò)建工程土工格柵應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

程 興，韓 冬，姜景山

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211112）

高速公路擴(kuò)建工程土工格柵應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

程 興1，韓 冬1，姜景山2

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211112）

依托某高速公路改擴(kuò)建工程，將土工格柵應(yīng)用到該拓寬工程路基中，為研究土工格柵的加固機(jī)理，對(duì)土工格柵鋪設(shè)的層位、位置、寬度和類型四個(gè)因素開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究土工格柵在不同情況下加筋處理的效果。結(jié)果表明：樁頂墊層土工格柵拉伸力大；路基填土越高加筋效應(yīng)越好；2 m寬土工格柵中部拉伸力較4 m寬和6 m寬都大；鋼塑格柵較塑料格柵拉伸率小而拉伸力大。試驗(yàn)結(jié)果可為路基拼接設(shè)計(jì)施工提供參考和指導(dǎo)。

土工格柵；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；加筋效應(yīng)；拉伸率

0 引言

隨著我國(guó)交通量的不斷增長(zhǎng)，急需擴(kuò)大道路通行能力，高速公路擴(kuò)建工程發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)已有多條高速公路如滬杭甬、海南環(huán)島東線、滬寧等都已完成，擴(kuò)建的過(guò)程中存在著很多問(wèn)題。其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是新老路基間存在較大的差異沉降[1-2]，這是由于建設(shè)歷史和填料性質(zhì)等方面的差異。為了減小新老路基的差異沉降，增強(qiáng)新老路基的整體性，采用土工格柵處治已成為路基拼接常用的方法之一，并已在拓寬工程中取得了較好的應(yīng)用效果[3-4]。然而目前對(duì)土工格柵加固機(jī)理等方面的研究目前開展得較少[5-7]，已有的成果主要局限于數(shù)值模擬研究[8-9]，對(duì)土工格柵加筋的效果、加固機(jī)理開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究也較少[10]。

本課題依托某高速公路改擴(kuò)建工程，將土工格柵應(yīng)用于新老路基臺(tái)階位置和樁頂墊層中，通過(guò)在樁頂墊層土工格柵和新老路基臺(tái)階土工格柵上埋設(shè)位移計(jì)，觀測(cè)土工格柵的受力變形狀態(tài)，從土工格柵鋪設(shè)的層位、位置、寬度和類型這四個(gè)影響因素開展土工格柵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究土工格柵在各種不同情況下加筋處治的效果。明確土工格柵的加固機(jī)理，并為路基拼接設(shè)計(jì)和施工提供參考和指導(dǎo)。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

要測(cè)量土工格柵發(fā)揮的效用，需要了解土工格柵強(qiáng)度發(fā)揮的程度和土工格柵實(shí)際承受的拉力。目前直接測(cè)量土工格柵的拉力比較困難，一般通過(guò)測(cè)量土工格柵的變形，然后由室內(nèi)土工格柵拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行換算得到。應(yīng)力應(yīng)變換算通過(guò)擬合拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線方式進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)得到的土工格柵應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1。

圖1 土工格柵拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

式中：ε為伸長(zhǎng)率（%）；σ為拉伸力（kN/m）；a、b為無(wú)量綱模型參數(shù)。

圖2是采用雙曲線擬合得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，從圖中可以看出雙曲線擬合土工格柵應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的效果較好。雙曲線函數(shù)采用：

圖2 土工格柵應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系雙曲線擬合曲線

通過(guò)回歸分析得到土工格柵應(yīng)力應(yīng)變雙曲線模型參數(shù)，見表1。

表1 雙曲線模型參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)材料

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所采用的土工格柵分別是拓寬工程路基中應(yīng)用的雙向凸結(jié)點(diǎn)鋼塑土工格柵和單向塑料土工格柵。其中鋼塑格柵采用常州永新華立紡織復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的TGG 80×80型號(hào)凸點(diǎn)雙向鋼塑土工格柵，見圖3，其性能參數(shù)見表2。塑料土工格柵采用肥城聯(lián)誼工程塑料有限公司生產(chǎn)的HDPETGDG80單向塑料土工格柵，見圖4，其性能參數(shù)見表3。

圖3 凸結(jié)點(diǎn)雙向鋼塑土工格柵

表2 凸結(jié)點(diǎn)雙向鋼塑土工格柵性能參數(shù)

圖4 單向塑料土工格柵

表3 單向塑料土工格柵性能參數(shù)

1.3 試驗(yàn)儀器

土工格柵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用的儀器主要有位移計(jì)和讀數(shù)儀，位移計(jì)采用VWD-20型振弦式，讀數(shù)儀具有編號(hào)自動(dòng)識(shí)別功能，滿足了現(xiàn)場(chǎng)特殊情況下試驗(yàn)儀器識(shí)別和讀取的需要。

1.4 試驗(yàn)方案

土工格柵現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試斷面選擇了6種路基設(shè)計(jì)處理方案進(jìn)行研究，具體見表4。不同寬度土工格柵土工格柵應(yīng)變觀測(cè)頻率為6個(gè)月進(jìn)行8次觀測(cè)，其中前四次每半個(gè)月觀測(cè)一次，以后每一個(gè)月觀測(cè)一次，初次觀測(cè)時(shí)間為路面結(jié)構(gòu)施工完成后。

位移計(jì)布置見圖5，2 m、4 m、6 m寬土工格柵布置3、4、5個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)土工格柵在不同鋪設(shè)層位、不同填土高度、不同鋪設(shè)寬度和不同材料類型等影響因素的分析，研究土工格柵在拓寬路基中的作用效果。

2.1 不同鋪設(shè)層位試驗(yàn)成果

圖6為填土高度為4.5 m的雙側(cè)拓寬為6車道的斷面不同加筋層位土工格柵的加固效果，分析可以得到：

（1）樁頂墊層土工格柵拉伸力最大。

從圖6中可以看出，樁頂墊層中土工格柵的拉伸力最大。說(shuō)明樁頂碎石墊層中土工格柵能充分協(xié)調(diào)樁土變形，均化沉降，拉伸力大，加筋效果明顯，表明樁頂墊層中鋪設(shè)土工格柵是十分必要和有效的。

（2）路基拼接頂部土工格柵的拉伸力較大。

不考慮樁頂墊層中土工格柵加筋效果，只考慮路基中土工格柵的處治效果，可以看出路基頂部土工格柵的拉伸力最大。建議在路基拼接中都要保證路基頂部鋪設(shè)一層土工格柵，以免路基拼接質(zhì)量和安全出現(xiàn)問(wèn)題。

表4 土工格柵現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試斷面與路基設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)情況

圖5 不同寬度土工格柵位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖6 不同層位土工格柵加固效果（填土高度4.5 m）

（3）路基頂部第二層拉伸力相對(duì)較小。

從圖6中可以看出，路基頂部第二層土工格柵的拉伸力較小。頂部第二層拉伸力偏小的原因可能是路基頂部土工格柵的發(fā)揮效果明顯，其影響范圍覆蓋了第二層土工格柵的加筋影響范圍，導(dǎo)致第二層土工格柵的加筋效果表現(xiàn)不突出。因此，建議如路基填土高度較大，需設(shè)置兩層或兩層以上土工格柵時(shí)，優(yōu)先在路基頂部和路基中部鋪設(shè)土工格柵以充分發(fā)揮土工格柵的加筋處治的效果，可不必每層均鋪設(shè)土工格柵。

2.2 不同填土高度試驗(yàn)成果

圖7為雙側(cè)加寬為6車道情況下不同填土高度路基頂部2 m寬鋼塑格柵中部拉伸力隨時(shí)間的變化規(guī)律，表5為不同填土高度土工格柵拉伸力變化趨勢(shì)，通過(guò)圖表可以得到如下結(jié)論。

圖7 不同填土高度土工格柵拉伸力變化

表5 不同填土高度土工格柵拉伸力 kN/m

（1）土工格柵的加筋效應(yīng)是逐漸發(fā)揮的。

在不同填土高度下，土工格柵的拉伸力均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。路基填筑結(jié)束后，隨著路基的沉降的不斷發(fā)展，特別是新老路基結(jié)合處不均勻沉降逐漸增大，土工格柵不斷協(xié)調(diào)新老路基的差異沉降，拉伸力逐漸增大，加筋效應(yīng)也不斷增強(qiáng)。

（2）路基填土越高土工格柵加筋效應(yīng)越好。

從圖中可以看出，填土高度越大，土工格柵的拉伸力越大。隨著填土高度的增大，路基頂部土工格柵的加筋效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。填土高度越高，新老路基的差異沉降越大，應(yīng)力集中越明顯，土體的剪切和土工格柵的受拉越明顯，土工格柵的拉伸力表現(xiàn)的越大。

2.3 不同鋪設(shè)寬度試驗(yàn)成果

圖8為填土高度為4.5 m時(shí)不同寬度土工格柵在拓寬為6車道和8車道情況下路基頂部土工格柵的加筋效果，表6和表7分別為雙側(cè)加寬為六車道和八車道不同寬度格柵拉伸力情況，由圖表可以看出：

圖8 不同寬度土工格柵加筋效果（填土高度4.5 m）

表6 雙側(cè)加寬為六車道不同寬度格柵拉伸力

表7 雙側(cè)加寬為八車道不同寬度格柵拉伸力

（1）土工格柵寬度為2 m時(shí)拉伸力最大。

當(dāng)土工格柵寬為2 m時(shí)，拉伸力最大。雙側(cè)加寬為六車道時(shí)，鋼塑格柵2 m寬時(shí)中部拉伸力為19.1 kN/m，大于4 m寬時(shí)格柵中部14.1 kN/m和9.1 kN/m；塑料格柵2 m寬時(shí)中部拉伸力為5.7 kN/m，大于4 m寬時(shí)格柵中部5 kN/m和3.6 kN/m。雙側(cè)加寬為八車道時(shí)，鋼塑格柵2 m寬時(shí)中部拉伸力為36.7 kN/m，大于4 m。

寬時(shí)格柵中部32.3 kN/m和21.4 kN/m和6 m寬時(shí)格柵中部26.4 kN/m、25.8 kN/m和11.2 kN/m。

2 m寬土工格柵中部拉伸力較4 m寬和6 m寬都大，說(shuō)明寬2 m的土工格柵協(xié)調(diào)新老路基不均勻變形程度最大，土工格柵充分發(fā)揮了抵抗拉伸的作用。對(duì)于4 m寬和6 m寬土工格柵由于加筋影響范圍較大，土工格柵的拉伸力整體有所減小，土工格柵抗拉作用發(fā)揮得較少。

（2）土工格柵中部拉伸力較兩端大。

土工格柵中部拉伸力較兩端拉伸力要大，從中部到兩端衰減較快。以雙側(cè)各加寬一個(gè)車道鋼塑格柵為例，寬2 m時(shí)中部拉伸力為19.1 kN/m，兩端為9.6 kN/m和7.8 kN/m；寬4 m時(shí)，土工格柵中部最大為14.1 kN/m，兩端為11.7 kN/m和2.3 kN/m。說(shuō)明土工格柵中部很好地發(fā)揮了錨固作用，而兩端由于錨固長(zhǎng)度較小加筋效果受到了限制。

（3）離土工格柵左側(cè)1 m位置處（新老路基拼接處）拉伸力最大。

從不同土工格柵寬度、不同土工格柵材料類型以及不同拓寬寬度條件下土工格柵拉伸力分布可以看出，離土工格柵左側(cè)1m處即新老路基拼接處拉伸力最大。如雙側(cè)加寬為六車道，鋼塑格柵為2 m時(shí)，離土工格柵左側(cè)1 m拉伸力為19.1 kN/m，大于兩端9.6 kN/m和7.8 kN/m，4 m寬時(shí)離左側(cè)1 m拉伸力為14.1，大于兩端11.7 kN/m和2.3 kN/m。綜合分析，離左側(cè)1 m正好是新老路基拼接交接處，此處由于新老路基固結(jié)程度的差異，沉降變形較大會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的突變，因此此處土工的應(yīng)力集中最為明顯，土工格柵由于較大不均勻沉降的影響產(chǎn)生了較大的拉伸變形，土工格柵的受力較大，加筋效應(yīng)發(fā)揮得也最大。

（4）離新老路基拼接位置越遠(yuǎn)拉伸力越小。

拓寬工程在新老路基拼接位置2 m范圍內(nèi)土工格柵的拉伸力較大，但隨著離新老路基拼接距離的增大，拉伸力衰減的較快。說(shuō)明新老路基的不均勻沉降主要發(fā)生在拼接位置2 m范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)，鋪設(shè)土工格柵的效果最好。因此不必過(guò)分強(qiáng)調(diào)加大土工格柵的鋪設(shè)寬度，避免浪費(fèi)。

2.4 不同材料類型試驗(yàn)成果

圖9和圖10是填土高度4.5 m條件時(shí)，在拓寬為6車道情況下，路基頂部不同材料土工格柵的加筋效果圖。從鋼塑格柵和塑料格柵的拉伸率和拉伸力可以看出：

圖9 不同材料類型土工格柵拉伸率（填土高度4.5 m）

圖10 不同材料類型土工格柵拉伸力變化（填土高度4.5 m）

（1）鋼塑格柵的拉伸率小。

從鋼塑格柵和塑料格柵拉伸率與時(shí)間變化圖可以看出，相同格柵寬度條件、填土高度下，塑料格柵的拉伸率比鋼塑格柵大。鋼塑格柵的拉伸率小于塑料格柵，說(shuō)明采用鋼塑格柵處治能有效減小新老路基的差異沉降，減小路基開裂的可能性，工程實(shí)施中應(yīng)優(yōu)先考慮鋼塑格柵。

（2）鋼塑格柵的拉伸力大。

從鋼塑格柵和塑料格柵拉伸力隨時(shí)間變化圖可以看出，相同格柵寬度、填土高度下，鋼塑格柵的拉伸力比塑料格柵大。鋼塑格柵的拉伸力要大于塑料格柵，說(shuō)明鋼塑格柵能充分協(xié)調(diào)新老路基的差異沉降，均化應(yīng)力，增強(qiáng)路基的整體性，減少路基拼接病害的可能性。

3 結(jié)論

根據(jù)某高速公路改擴(kuò)建工程土工格柵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）不同層位的土工格柵，樁頂墊層土工格柵拉伸力大，路基拼接頂部土工格柵的拉伸力較大，路基頂部第二層拉伸力較小。

（2）土工格柵的加筋效應(yīng)均是逐漸發(fā)揮，路基填土越高加筋效應(yīng)越好。

（3）土工格柵寬度為2 m時(shí)拉伸力最大，土工格柵中部拉伸力較大，離土工格柵左側(cè)1 m位置處（新老路基拼接處）拉伸力最大，離新老路基拼接位置越遠(yuǎn)拉伸力越小。

（4）鋼塑格柵較塑料格柵拉伸率小而拉伸力大。

（5）在雙側(cè)各加寬一個(gè)車道的拓寬工程，采用2 m寬土工格柵，雙側(cè)各加寬兩個(gè)車道的拓寬工程，采用2～4 m土工格柵比較合適。

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TU47

A

1009-7716（2016）05-0052-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.015

2016-01-12

程興（1984-），男，安徽池州人，工程師，從事巖土工程設(shè)計(jì)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等工作。