鋼塑土工格柵加固拓寬路基優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

周莉莉

（湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

0 引言

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)繁榮、城建事業(yè)興盛的背景之下，我國(guó)居民生活品質(zhì)明顯改善，旅游出行內(nèi)需急劇擴(kuò)大，帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也造成了極大的交通壓力，很多公路工程為應(yīng)對(duì)交通量激增問(wèn)題，紛紛加入了改建拓寬隊(duì)列，相應(yīng)的改建工藝、技術(shù)也在不斷完善。鋼塑土工作為加固拓寬路基工程中極為常用的施工材料，得到了眾多施工單位的青睞，有必要對(duì)其方案優(yōu)化、施工優(yōu)化措施進(jìn)行深入探究。

1 鋼塑土工格柵主要技術(shù)特性

土工格柵是工程建設(shè)過(guò)程中較為常見(jiàn)的合成類(lèi)材料，通常用聚乙烯等高分子聚合物制成，主要工藝為熱塑、模壓，最終成品以二維或三維網(wǎng)格呈現(xiàn)。對(duì)于路基加固拓寬工程來(lái)說(shuō)，鋼塑土工格柵適用性極好，能夠滿足的應(yīng)用需求較多，因此也獲得了諸多單位的青睞，綜合來(lái)講其技術(shù)特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是摩擦系數(shù)較大，其次其抗拉模量較高，再次是其抗腐蝕、抗老化性能極佳[1]。

2 案例工程概況及幾何模型搭建

本文引入的案例中，原有公路全長(zhǎng)為226.47km，共有雙向4 條車(chē)道，近年來(lái)城建事業(yè)推進(jìn)、生活品質(zhì)改善，公路面臨交通環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，交通壓力倍增，擬開(kāi)展改建工程將之拓寬至8 條車(chē)道。從已有拓寬工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，公路老路基、地基之間受車(chē)輛載荷長(zhǎng)期作用，通常能夠表現(xiàn)出較好的吻合度，而拓寬部分土體尚未完全固結(jié)，在外部多重因素作用下很容易出現(xiàn)差異沉降問(wèn)題，進(jìn)而造成縱向裂縫的出現(xiàn)，因此引入鋼塑土工格柵材料對(duì)拓寬部分進(jìn)行加固，以減少差異沉降出現(xiàn)概率，提升工程總體質(zhì)量。同時(shí)，已有研究通常聚焦于拓寬工程病害發(fā)生機(jī)理、防治手段等，對(duì)于土工格柵的設(shè)計(jì)優(yōu)化卻關(guān)注甚少，相關(guān)的設(shè)置層數(shù)、位置等細(xì)節(jié)描述也很少，難以為具體的方案設(shè)計(jì)提供指引，亟需探究和優(yōu)化。考慮到現(xiàn)實(shí)拓寬工程施工規(guī)模較大，路基沉降時(shí)間較長(zhǎng)，很難在短期內(nèi)提供充足、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)方式，輔以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作展開(kāi)研究，實(shí)踐環(huán)節(jié)主要借用FLAC 軟件對(duì)案例工程進(jìn)行建模，模型中老路基寬度為28m，拓寬環(huán)節(jié)兩側(cè)各增加7.5m，工程路基總寬度為42m，深度為35m，借助軟件內(nèi)部功能細(xì)化地基土參數(shù)，規(guī)定了變形模量、粘聚力等數(shù)值。模擬開(kāi)始后使用Geogrid 單元執(zhí)行拉拔試驗(yàn)[2]。

3 鋼塑土工格柵加固拓寬路基方案優(yōu)化

3.1 土工格柵設(shè)置層數(shù)分析

模型中路基高度設(shè)為4m，引入5 種不同工況對(duì)鋼塑土工格柵設(shè)置層數(shù)進(jìn)行分析，其中不設(shè)土工格柵時(shí)，老路堤、新路堤沉降差異為2.6754cm，設(shè)置一層時(shí)沉降差異有所下降，總量為2.4795cm，以此類(lèi)推后面的試驗(yàn)組中差異沉降量均出現(xiàn)了不同程度的下降。這說(shuō)明伴隨鋼塑土工格柵設(shè)置層數(shù)的增加，新老路堤差異沉降量會(huì)明顯下降，可以通過(guò)該種方式緩解拓寬工程縱向裂縫問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。同時(shí)，從圖1 鋼塑土工格柵層數(shù)與差異沉降關(guān)系曲線圖中還可以發(fā)現(xiàn)，這種沉降差異的變化是有規(guī)律可循的，在0～1 層之間斜率最大，變化最為急劇，后期層數(shù)的增加雖然同樣可以壓縮沉降差異，但整體變化趨緩，因此綜合經(jīng)濟(jì)成本角度分析時(shí)，設(shè)置一層鋼塑土工格柵即可達(dá)到較好的加固效果，如圖1 所示。

圖1 鋼塑土工格柵層數(shù)與差異沉降關(guān)系

確定最佳設(shè)置層數(shù)之后，模擬試驗(yàn)中還對(duì)拓寬工程填筑高度進(jìn)行了展開(kāi)研究，設(shè)置填筑高度為2m 時(shí)，差異沉降達(dá)到1.5426cm；填筑高度為3m 時(shí)，差異沉降達(dá)到1.5973cm，后期伴隨填筑高度的增加，差異沉降量逐漸增大，4m 之后變化較為顯著，沉降差異明顯擴(kuò)大。因此，對(duì)于加寬工程中填筑高度在4m 以下的對(duì)象，設(shè)置單層鋼塑土工格柵即可滿足使用需求，填筑高度超過(guò)4m 時(shí)，整體沉降系數(shù)會(huì)受到自重作用，產(chǎn)生異常變大情況，此時(shí)可以適當(dāng)增加鋼塑土木格柵層數(shù)，以緩和沉降差異擴(kuò)大問(wèn)題，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量效益的統(tǒng)一。

3.2 土工格柵布設(shè)位置分析

當(dāng)工程填筑高度超過(guò)4m 后，通常推薦增設(shè)鋼塑土工格柵層數(shù)達(dá)到加固緩和目的，但實(shí)踐環(huán)節(jié)不同的設(shè)置位置也會(huì)對(duì)工程質(zhì)量產(chǎn)生影響，經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第二層土工格柵布設(shè)環(huán)節(jié)，將其放置于路基高度的1/3達(dá)到的效果最佳，分析后發(fā)現(xiàn)該種情況的出現(xiàn)是有一定機(jī)理可循的。主要是由于填筑環(huán)節(jié)土體重量載荷逐漸增加，格柵、地基土之間正壓力上升，此時(shí)車(chē)輛等載荷作用給格柵材料施加水平方向的外力，格柵輕微挪移產(chǎn)生抗滑摩擦力，其表面紋路還能起到提升摩擦系數(shù)的作用，此時(shí)水平變形壓力越大，產(chǎn)生的連接能力也就越強(qiáng)，能夠較好地避免縱向裂紋的出現(xiàn)。而模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，路基高度1/3 處對(duì)于水平拉力的反應(yīng)最為敏感，鋼塑土工格柵可以在外力作用下產(chǎn)生水平變形現(xiàn)象，因此設(shè)置于此處是最為恰當(dāng)?shù)摹?/p>

3.3 土工格柵布設(shè)長(zhǎng)度分析

綜合前述試驗(yàn)結(jié)果后，將模型填筑高度設(shè)置為4m，鋼塑土工格柵布設(shè)層數(shù)設(shè)置為一層，進(jìn)一步研究格柵間距、展布長(zhǎng)度對(duì)加固質(zhì)量的影響，分別選取4m、4.5m、5m、5.5m、6m、6.5m 以及7m 的設(shè)置參數(shù)，與路基的錨固長(zhǎng)度均設(shè)置為2m，分析后發(fā)現(xiàn)伴隨長(zhǎng)度的增加，差異沉降數(shù)值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，分別為1.5827cm、1.5814cm、1.5792cm、1.5783cm、1.5769cm、1.5748cm 和1.5731cm，整體的變化情況比較緩和，說(shuō)明其對(duì)加固工程的改善和影響并不明顯。拉拔試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，材料受力分布具有一定的內(nèi)在規(guī)律，通常在結(jié)合部?jī)蓚?cè)達(dá)到最大值，向外延伸時(shí)逐漸衰減，拼接布4m 以內(nèi)范圍內(nèi)，這種衰減是極為迅速和明顯的，直到6m 左右的位置，拉拔力量分布逐漸減弱，整體數(shù)值已經(jīng)不足以對(duì)穩(wěn)固度造成影響，因此選擇6m 作為展布長(zhǎng)度。此外，鋼塑土工格柵加固拓寬路基工程中，還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、實(shí)際情況等進(jìn)行綜合分析，以分析結(jié)果為依據(jù)把控加固細(xì)節(jié)，防止風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生。案例工程中公路土質(zhì)較為特殊，其結(jié)構(gòu)中路床變形模量可以達(dá)到50.6MPa，上、下路堤變形模量分別為26.7MPa 以及14.2MPa，車(chē)輛等外力作用于路面時(shí)，更傾向于彈性變形，因此在模型底部施加位移邊界條件并觀測(cè)水平應(yīng)力情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型經(jīng)過(guò)拓寬改造之后，舊有路基邊坡坡腳、新路基結(jié)合處受到了極為明顯的拉應(yīng)力，當(dāng)這種拉應(yīng)力持續(xù)作用，并超過(guò)可承載上限值后，路基將會(huì)面臨被拉裂的風(fēng)險(xiǎn)，且拉裂紋一旦出現(xiàn)，公路運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力將會(huì)集中至該薄弱處，形成更加嚴(yán)重的裂紋，最終表現(xiàn)為路面開(kāi)裂病害?；诖耍瑢?shí)踐中還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此處的加固工作，額外布設(shè)一層鋼塑土工格柵進(jìn)行防護(hù)。

4 鋼塑土工格柵加固拓寬路基施工優(yōu)化

4.1 施工準(zhǔn)備及測(cè)量放樣

路基拓寬加固工程施工擾動(dòng)較大，對(duì)地質(zhì)條件、環(huán)境溫度等均有著較高要求，正式施工之前應(yīng)當(dāng)展開(kāi)細(xì)致的調(diào)查，充分掌握沿線地形、水文等情況，確定路基土成分、性質(zhì)等，若拓寬部分路基土質(zhì)穩(wěn)定性較差，為軟土或淤泥等性質(zhì)，則需要全面開(kāi)挖并換土填筑，案例工程中使用了中粗砂材質(zhì)進(jìn)行換土，厚度設(shè)定為0.2～0.3cm，鋪設(shè)完畢后借助壓路機(jī)械壓平整，壓實(shí)度達(dá)到95%以上，注意避開(kāi)高溫期、雨季等時(shí)間段。建立起完善的材料復(fù)核、驗(yàn)收機(jī)制，用于加固鋼塑土工格柵應(yīng)當(dāng)符合工程強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)于同廠家、批次的格柵材料，以10000m2為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組別劃分，結(jié)合需求確定每組抽檢數(shù)量，除出廠合格證外，還應(yīng)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行核校?，F(xiàn)場(chǎng)還應(yīng)開(kāi)展載荷試驗(yàn)，選取3 個(gè)以上的試驗(yàn)點(diǎn)組織作業(yè)，承壓板面積維持在1m2以上。土工格柵進(jìn)場(chǎng)之后做好防護(hù)與存儲(chǔ)，避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的暴曬，防止發(fā)生性能變化[3]。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙開(kāi)展放樣測(cè)量工作，路基邊坡線劃線時(shí)，需要適當(dāng)加寬距離，通常以0.5m 為佳。若現(xiàn)場(chǎng)有舊路拆除需求，則要提前探明地下管線分布情況，結(jié)構(gòu)層拆下之后裝車(chē)運(yùn)送至指定地點(diǎn)，嚴(yán)禁在鋼塑土工格柵施工現(xiàn)場(chǎng)堆放。施工范圍內(nèi)雜物提前清理干凈，使用水泵等工具抽排地面積水，同時(shí)設(shè)置排水溝降低地下水位[4]。

4.2 鋼塑土工格柵鋪設(shè)

路基拓寬加固工程中，填挖交界處差異沉降是造成裂縫病害的主要誘因，實(shí)踐中通過(guò)鋼塑土木格柵的鋪設(shè)可以較好緩解，但施工環(huán)節(jié)容易造成擾動(dòng)，工藝技術(shù)上還是需要多加關(guān)注。開(kāi)挖環(huán)節(jié)可以采用臺(tái)階法，上臺(tái)階高度一般為2.5m，坡度向內(nèi)并且不超過(guò)4%。格柵鋪設(shè)之前細(xì)致檢查土層表面情況，如果平整度不夠或存在堅(jiān)硬雜物，則必須進(jìn)行處理，為防止路堤填料損傷鋼塑土工格柵，還應(yīng)當(dāng)規(guī)定一定范圍內(nèi)不準(zhǔn)使用大粒徑填料，緩沖區(qū)域通?？粘?cm 即可，防止格柵被刺破，影響整體施工成效。下承層表面還應(yīng)盡可能保持干燥，提前設(shè)置明渠等排水設(shè)施，堅(jiān)決禁止在泥濘、翻漿的路基表面開(kāi)展作業(yè)，當(dāng)施工環(huán)境溫度較低時(shí)，鋼塑土工格柵可能會(huì)發(fā)生性能上的改變，表層硬度可能有所提升，施工時(shí)要多加注意防止割傷[5]。

4.3 填土及壓實(shí)施工

鋼塑土工格柵鋪設(shè)完畢之后，要及時(shí)開(kāi)展填筑壓實(shí)工作，開(kāi)始時(shí)間不能超過(guò)48h，推薦采用分層施工方法，一般情況下每層松鋪厚度不能超過(guò)30cm，逐層壓實(shí)、逐層檢測(cè)，通過(guò)反復(fù)碾壓和高頻次監(jiān)控確保施工質(zhì)量，通常來(lái)講每100m2的施工范圍內(nèi)，至少應(yīng)當(dāng)選取1 個(gè)點(diǎn)檢測(cè)壓實(shí)度，確認(rèn)壓實(shí)系數(shù)滿足要求后方可開(kāi)展下層施工。注意結(jié)合基層土質(zhì)情況等選擇適宜的碾壓方式，一般情況下禁止使用羊角壓實(shí)機(jī)械，因?yàn)樵摲N機(jī)械表面分布有較多的羊角狀突出物，很容易損傷鋼塑土木格柵，必要時(shí)可以選用人力機(jī)械相結(jié)合的方式提升作業(yè)效果，通過(guò)碾壓試驗(yàn)等確認(rèn)最佳碾壓次數(shù)、碾壓速度等，試驗(yàn)路段另行開(kāi)辟，通常長(zhǎng)度控制在200m 左右，對(duì)收集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行審慎分析，最大限度保障壓實(shí)質(zhì)量。案例工程中采用多種機(jī)械結(jié)合的方式開(kāi)展施工，初壓環(huán)節(jié)采用雙鋼輪壓路機(jī)，裝設(shè)光碾對(duì)不平整部位進(jìn)行碾壓，復(fù)壓環(huán)節(jié)使用機(jī)動(dòng)性較好的膠輪壓路機(jī)，多次碾壓提升路基整體的均勻密實(shí)程度，最后用鋼輪終壓，整個(gè)過(guò)程中行進(jìn)速度保持在合理區(qū)間內(nèi)，檢測(cè)壓實(shí)度能夠滿足需求[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋼塑土工格柵綜合性能優(yōu)良，常被用于路基加固拓寬工程之中，實(shí)踐時(shí)要正視其內(nèi)在價(jià)值，通過(guò)細(xì)致入微的分析確定最佳布設(shè)層數(shù)、位置等，協(xié)調(diào)好格柵長(zhǎng)度及間距細(xì)節(jié)，最大限度促進(jìn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。施工過(guò)程中則要把控好測(cè)量放樣誤差，對(duì)選定的鋼塑土工格柵強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行審慎分析，確定其破斷拉力等能夠滿足工程需求，同時(shí)做好填土壓實(shí)、過(guò)渡段處理工作，為路基加固拓寬工程質(zhì)量的提升奠定穩(wěn)固基礎(chǔ)。