土工格柵和土工格室加筋在公路拓寬工程中的應(yīng)用對比分析

邱 毅，余 強，陳 強，王 東

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610041； 2.中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司，成都 610031)

公路建設(shè)的高速發(fā)展有效緩解了我國公共交通的緊張狀況，但隨著交通量的快速增長，依然存在運輸能力不足的問題。公路拓寬工程由于投資小、占地少，逐漸成為提升公路運輸能力的有效措施，而新老路基的拼接質(zhì)量是公路拓寬工程的關(guān)鍵。在既有道路邊坡開挖臺階、鋪設(shè)土工合成材料等是減小新老路基差異沉降的常用方案。土工格柵和土工格室是目前應(yīng)用較為廣泛且具代表性的加筋材料[1-2]，如表1所示。

相關(guān)學(xué)者也對土工合成材料加筋技術(shù)開展了大量研究。晏莉等[3]介紹了樁承土工合成材料加筋墊層法的作用機理、設(shè)計方法和工程應(yīng)用，指出土工合成材料加筋墊層能提高樁的應(yīng)力分擔(dān)，降低樁間土的差異沉降；王協(xié)群等[4]指出土工合成材料能夠保證結(jié)構(gòu)層的完整性，增強結(jié)構(gòu)層剛度，有效抵抗反射裂縫；張占領(lǐng)等[5]結(jié)合高速公路拓寬工程現(xiàn)場試驗，研究了不同的土工格柵鋪設(shè)方式對筋材中拉伸力以及拉伸率的影響，并建議在新老路基拼接處2 m范

表1 我國部分高速公路拓寬工程中的加筋材料

圍內(nèi)鋪設(shè)土工格柵；傅珍等[6]通過離心機試驗，分析了多組土工格室為主的加筋方案對拓寬工程中差異沉降的影響，認(rèn)為對拼接段進(jìn)行加筋能夠有效控制差異沉降；謝永利等[7]結(jié)合高速公路路基不均勻沉降處治工程實際，采用數(shù)值仿真、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試多種方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土工格室柔性結(jié)構(gòu)層能有效協(xié)調(diào)差異沉降，并建議選取高模量的填料配合加筋。

土工格柵的應(yīng)用比較廣泛，相關(guān)研究也較成熟[8-10]，土工格室的應(yīng)用研究正處于不斷發(fā)展完善階段[11-13]，而有關(guān)土工格柵和土工格室加筋對比研究較少，李廣信[14]認(rèn)為人們對筋-土之間相互作用的機理認(rèn)識不夠深入，故目前設(shè)計偏于保守。本文系統(tǒng)地研究土工格柵、土工格室加筋對路基差異沉降的影響，討論不同位置處土工格柵和土工格室的加筋效果，并進(jìn)一步分析其機理，以期能夠為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本文以京港澳高速公路路基拓寬工程的代表性斷面為例，拓寬方案為原雙向4車道兩側(cè)拓寬為雙向8車道，老路基高度為6 m，邊坡坡比為1∶1.5，原路面半幅寬度為12 m，拓寬后寬度為19.5 m。拓寬后的典型斷面設(shè)計如圖1所示。

將路床以及臺階開挖面作為土工合成材料鋪設(shè)面，充分發(fā)揮土工合成材料的加筋作用。其中，高速公路布置Ⅰ級車道荷載，其中均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk= 10.5 kN/m，集中荷載Pk= 270 kN。拓寬后為雙向8車道，橫向分布系數(shù)取0.50。

單位：m

2 數(shù)值模擬

2.1 路基和地基土體模擬

采用摩爾-庫倫模型模擬新老路基以及地基土體，如圖2所示，地基取計算深度30 m，寬85 m。

單位：m

本文重點研究路基中不同位置的土工格柵和土工格室加筋對路基差異沉降的控制效果，故假設(shè)地基彈性模量與路基相同，減少因為地基的過大變形對加筋效果的干擾。由于考慮集中荷載Pk的作用，故在路基頂部添加一層厚0.26 m的線彈性結(jié)構(gòu)層，以防止路基頂部發(fā)生塑性破壞。

數(shù)值模擬求解精度與模型網(wǎng)格的劃分息息相關(guān)，老路模型進(jìn)行不同網(wǎng)格密度劃分的測試結(jié)果如圖3所示，最終選取8 055個網(wǎng)格點進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

2.2 土工合成材料模擬

使用FLAC3D[15]軟件中內(nèi)置的Geogrid單元模擬

(a) 地基附加沉降最大值

(b) 地基附加沉降曲線

圖4 網(wǎng)格劃分

Fig.4 Mesh generation

土工格柵和土工格室。Geogrid單元是FLAC3D內(nèi)置的3節(jié)點18個自由度的三角形單元，其在局部坐標(biāo)系x、y方向(剪切面方向)與土體zone單元理想彈塑性連接，模擬土工格柵與土體間的剪切摩擦作用；在局部坐標(biāo)系z方向(法方向)與土體單元剛性連接，模擬土工格柵對土體的加筋作用。

應(yīng)用內(nèi)嵌的Fish語言編程生成多片Geogrid單元，再排列組合生成土工格室，如圖5(a)所示；土工格柵則直接使用Geogrid單元進(jìn)行模擬，如圖5(b)所示；具體計算參數(shù)如表2、表3所示。

(a) 土工格室

(b) 土工格柵

表2 路基及地基計算參數(shù)

表3 土工材料計算參數(shù)

2.3 加筋方案模擬

筆者查閱了我國部分高速公路拓寬工程設(shè)計資料(表1)，實際工程中有關(guān)土工合成材料的應(yīng)用主要分為3大類。

1) 鋪設(shè)在路床中，提高路面結(jié)構(gòu)的拼接質(zhì)量，抑制反射裂縫。相關(guān)研究較多，已成普遍共識，故不作研究。

2) 鋪設(shè)在碎石、砂礫、石灰土墊層中，配合碎石樁、預(yù)應(yīng)力管樁、高壓旋噴樁，以降低新路基沉降。該應(yīng)用中樁起主導(dǎo)作用，土工合成材料起輔助作用，故不作研究。

3) 鋪設(shè)在路基頂部、底部和臺階開挖面上，對路基進(jìn)行加筋，增強路基穩(wěn)定性，降低差異沉降。

各工程中土工合成材料路基加筋方式差異很大，沒有明確的加筋準(zhǔn)則，故將重點研究。結(jié)合工程實際，選擇5個臺階開挖面、路基頂部和路基底部，共7個加筋位置；加筋材料選用土工格柵和土工格室，共2種材料。分別在7個加筋位置鋪設(shè)單層土工格柵和單層土工格室，共2×7=14種加筋方案。比較不同加筋材料和不同加筋位置對加筋效果的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 加筋位置對差異沉降的影響

分別在7個加筋位置鋪設(shè)單層土工格柵/土工格室進(jìn)行計算，結(jié)果如圖6所示。在位置1、7鋪設(shè)土工格柵對路基達(dá)不到加筋效果，無法減小路基的差異沉降；相反，在位置1、7鋪設(shè)土工格室能夠達(dá)到一定加筋效果，但路基差異沉降依然很大。在位置2鋪設(shè)土工格柵，能夠發(fā)揮其加筋作用，因為鋪設(shè)在臺階開挖面上的格柵起著錨固作用，限制了土工格柵和新路基的變形；在位置2鋪設(shè)土工格室，加筋效果比位置1更好一些，但略差于土工格柵加筋。土工格柵鋪設(shè)在位置5加筋效果最優(yōu)，其次分別是在位置4、3、6。土工格室加筋具有相同的規(guī)律。

通過對比發(fā)現(xiàn)，在拼接路基的頂部和底部鋪設(shè)土工格室，能一定程度減小路基沉降，但鋪設(shè)土工格柵效果甚微；而在其中偏下部鋪設(shè)土工格柵和土工格室，均能顯著減小路基沉降，相比較而言土工格柵加筋效果優(yōu)于土工格室。

3.2 加筋機理分析

3.2.1 加筋對路基剪切應(yīng)變的影響

公路拓寬工程中老路基的固結(jié)沉降已經(jīng)基本完成，故在老路基重力及車道荷載作用下，沉降變形較小。而新路基沉降變形較大、穩(wěn)定性差，這使得在新老路基界面、新路基與地基界面上易產(chǎn)生較大的剪切變形而發(fā)生塑性破壞，并使得路基沉降量過大，如圖7所示。

(a) 地基附加沉降最大值

(b) 在位置3、4、5、6加筋

圖7 未加筋路基剪應(yīng)變分布云圖

不同位置加筋后路基的剪切變形分布如圖8所示。由圖8(a)、(b)可以看出，在位置4鋪設(shè)土工格室，格室加筋層與路基底層之間集中分布有較大的剪切應(yīng)變；在同樣的位置鋪設(shè)土工格柵，同樣集中分布較大的剪切應(yīng)變；相比土工格室，在位置4鋪設(shè)土工格柵能夠更有效地均化新路基剪切應(yīng)變集中現(xiàn)象；由圖8(c)、(d) 可知，在位置5鋪設(shè)土工格柵和土工格室，路基中無明顯剪切應(yīng)變集中現(xiàn)象。

綜上可知，在位置5鋪設(shè)土工格柵，新路基剪切應(yīng)變更小，路基穩(wěn)定性更好。

(a) 土工格室鋪設(shè)在位置4

(b) 土工格柵鋪設(shè)在位置4

(c) 土工格室鋪設(shè)在位置5

(d) 土工格柵鋪設(shè)在位置5

3.2.2 加筋對路基應(yīng)力的影響

在位置1、7分別鋪設(shè)土工格柵和土工格室，通過計算路基中的豎向應(yīng)力，分析二者對路基沉降的影響。新路基中豎向應(yīng)力云圖分布如圖9所示。

比較圖9(b)、(e)可知，土工格柵分別鋪設(shè)在位置1、7，路基中豎向應(yīng)力分布相似，進(jìn)一步與圖9(c)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在位置1、7鋪設(shè)土工格柵作用不大；比較圖9(a)、(b)可知，在位置1鋪設(shè)土工格室使得老路基中豎向應(yīng)力有所增大，而新路基中豎向應(yīng)力有所減??；比較圖9(d)、(e)可知，在位置7鋪設(shè)土工格室，雖然對新路基豎向應(yīng)力分布改變不大，但老路基豎向應(yīng)力有所均化。

通過對比發(fā)現(xiàn)，在路基頂部和底部鋪設(shè)土工格柵無法改善路基中豎向應(yīng)力的分布，故加筋效果差，無法減小新路基的沉降。在路基頂部鋪設(shè)土工格室可均化路基中豎向應(yīng)力，增大老路基中豎向應(yīng)力，同時還能減小新路基中豎向應(yīng)力。在路基底部鋪設(shè)土工格室，能夠均化老路基拼接段豎向應(yīng)力，從而減小新路基沉降。

(a) 土工格室鋪設(shè)在位置1

(b) 土工格柵鋪設(shè)在位置1

(c) 未加筋路基

(d) 土工格室鋪設(shè)在位置7

(e) 土工格柵鋪設(shè)在位置7

3.3 土工格柵-格室組合加筋技術(shù)

在路基頂部和底部鋪設(shè)土工格室，能夠均化新老路基中豎向應(yīng)力的分布，而鋪設(shè)土工格柵效果甚微。在路基中偏下部鋪設(shè)土工格柵比土工格室更能有效控制新路基中剪切應(yīng)變，提高路基穩(wěn)定性，從而減小新路基沉降。根據(jù)土工格柵和土工格室在不同位置加筋效果的不同，同時考慮到二者的施工難易程度及經(jīng)濟性(相較土工格室，土工格柵施工方便且單價較低)，建議在路基中偏下部鋪設(shè)2層土工格柵，以提高新路基的穩(wěn)定性，在路基頂部和底部鋪設(shè)2層土工格室，以均化新老路基中應(yīng)力的分布。

通過計算土工格柵-格室組合加筋方案(鋪3層)、7個位置全鋪設(shè)土工格柵加筋方案(鋪7層)及7個位置全鋪設(shè)土工格室加筋方案(鋪7層)的新路基沉降，研究不同加筋組合方案對路基沉降的影響，計算結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，土工格柵加筋與土工格室加筋差異不大，因為7層全加筋時，路基的穩(wěn)定性及應(yīng)力分布良好，其變形是由自身沉降不完全所引起，這與傅珍等[6]所得結(jié)果一致；組合加筋方案使用了較少的土工格柵和土工格室材料，但加筋效果足以媲美7層全加筋，即合理選擇土工合成材料及鋪設(shè)位置，可提高加筋效果且更具經(jīng)濟效應(yīng)。

圖10 加筋組合方式對路基沉降的影響

4 結(jié)論與建議

通過在路基中合理埋設(shè)土工合成材料，發(fā)揮其加筋作用，可有效擴散應(yīng)力集中、傳遞拉應(yīng)力、限制土體的側(cè)向位移、增加土體模量并增加土體和其他材料之間的摩阻力，進(jìn)而整體提高路基及上部結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性。

1) 當(dāng)路基穩(wěn)定性較差時，土工合成材料的鋪設(shè)位置對新路基差異沉降有很大影響。在路基中偏下部加筋效果良好，在路基頂部和底部加筋效果較差。

2) 在路基中偏下部鋪設(shè)土工合成材料能夠顯著提高路基的穩(wěn)定性，控制新路基沉降，且土工格柵加筋效果優(yōu)于土工格室。

3) 在路基頂部和底部鋪設(shè)土工格室能夠均化新路基應(yīng)力的分布，從而控制新路基沉降；而土工格柵對路基應(yīng)力均化效應(yīng)甚微。

4) 土工格柵-格室組合加筋可提高加筋效果，且更具經(jīng)濟性。

5) 在進(jìn)行老路拓寬時應(yīng)優(yōu)先在新路基中偏下部鋪設(shè)土工格柵，以提高路基的穩(wěn)定性；在路基頂部和底部加筋時，應(yīng)優(yōu)先選擇土工格室。