公路路基拓寬工程中土工格柵參數(shù)優(yōu)化研究

陳 龍

(新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院有限公司 烏魯木齊市 830000)

在公路改擴建工程中，新、舊路基的差異沉降問題基本無法避免，沉降差異過大不僅會降低公路質(zhì)量，更會給行車安全帶來風險[1]。因此，如何有效降低拓寬路基中新舊路基差異沉降已成為當下學者研究的熱門課題[2-3]。

土工格柵因具有強度大、蠕變小及適應性強等特點，已在路基加固工程中取得了良好效果，但關于土工格柵加固軟土路基參數(shù)優(yōu)化的研究還有待進一步提升?；诖?，以某軟土路基拓寬工程為例，通過建立拓寬路基有限元分析模型，針對不同土工格柵鋪設層數(shù)對新舊路基變形、受力及穩(wěn)定性影響規(guī)律進行對比分析，最終確定了土工格柵較為合理的鋪設層數(shù)。

1 工程概況

某公路拓寬改造工程原設計公路等級為Ⅰ級，設計速度為60km/h，車道設計為雙向2車道，路基寬度為10.5m，高度為6m，邊坡比為1∶1.5，地基土層主要包括6m厚軟黏土層和2m厚下伏基巖。根據(jù)原路基勘測結(jié)果顯示，軟土路基由于長期受重載、超載作用的影響，已無法滿足公路運營要求。為恢復該公路的正常運營，同時解決交通流量過大、擁堵等問題，計劃采用單側(cè)加寬方式對原道路進行擴建，路基寬度拓寬至18.5m，高度增至7m，車道增至雙向4車道，設計速度增至70km/h，其他設計參數(shù)保持不變。路基開挖選擇公路右側(cè)，每級臺階開挖高1.2m，寬1.5m，臺階共設4級，路基回填土和拓寬填土均采用黏性土，拓寬路基加固采用鋪設土工格柵方式，每級臺階鋪設一層土工格柵，共計鋪設5層。拓寬路基截面示意如圖1所示。

圖1 拓寬路基截面示意圖

2 模型建立

運用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立土工格柵加固拓寬路基數(shù)值模型，模型中采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型模擬巖土材料，采用一維線性單元模擬土工格柵材料，計算高度取20m，寬度取40m，模型中共包含427個單元和512個節(jié)點，其有限元模型如圖2所示。

圖2 拓寬路基有限元模型

計算過程中將地基和路基作為平面問題考慮，且兩者視為完全連續(xù)體，假定路基和地基的沉降完成，土體材料均視為彈塑性體，加筋材料視為各向同性的線彈性體，巖土材料遵循摩爾-庫倫屈服準則，路面結(jié)構(gòu)采用1m厚的路基填土替代。邊界條件：模型上部設為自由界面，對地基底部各向位移進行固結(jié)約束，對模型兩側(cè)進行水平向和豎向位移約束。計算模型中主要包含老路基填土、新路基填土、軟土層和下伏基巖4類土體，加筋材料為土工格柵，其具體計算參數(shù)如表1所示。

表1 土體及加筋材料計算參數(shù)

為優(yōu)化土工格柵加固拓寬路基的加筋層數(shù)，分別設計6種土工格柵鋪設工況進行變形及受力對比分析，工況1：未鋪設土工格柵加固；工況2：第3次路基填筑時鋪設1層土工格柵；工況3：分別在第2、第4次路基填筑時鋪設1層土工格柵，共計2層；工況4：分別在第1、第3及第5次路基填筑時鋪設1層土工格柵，共計3層；工況5：分別在第1、第2、第3、第4次路基填筑時鋪設1層土工格柵，共計4層；工況6：在每層路基填筑時鋪設1層土工格柵，共計5層。

3 結(jié)果與分析

3.1 位移分析

針對土工格柵加筋層數(shù)分別為0層、1層、2層、3層、4層及5層的拓寬路基頂面水平位移進行計算，得到不同加筋層數(shù)的新、舊路基最大水平位移變化曲線如圖3所示。

圖3 新舊路基最大水平位移變化曲線

根據(jù)圖3可知，在不同加筋條件下，新路基的最大水平位移較大，老路基的最大水平位移較小。加筋后新舊路基的最大水平位移均有所減小，說明鋪設土工格柵可有效降低拓寬路基的水平位移。隨著加筋層數(shù)的增加，新舊路基的最大水平位移均不斷減小，說明土工格柵鋪設層數(shù)越多，加筋效果越好。加筋層數(shù)由1層增至3層時，新舊路基的最大水平位移增幅較為明顯，加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的最大水平位移增幅相對較小，說明對于控制拓寬路基水平變形而言，土工格柵鋪設層數(shù)設計為3層的加筋效果較好。

3.2 沉降分析

針對土工格柵加筋層數(shù)分別為0層、1層、2層、3層、4層及5層的拓寬路基頂面豎向沉降進行計算，得到不同加筋層數(shù)的新、舊路基最大沉降變化曲線如圖4所示。

圖4 新舊路基最大沉降變化曲線

根據(jù)圖4可知，在不同加筋條件下，新路基的最大沉降值要大于老路基的最大沉降值。加筋后新舊路基的最大豎向沉降均有所減小，說明鋪設土工格柵可有效降低拓寬路基的豎向沉降值。隨著加筋層數(shù)的增加，新舊路基的最大豎向沉降值均不斷減小，說明土工格柵鋪設層數(shù)越多，加筋效果越好。加筋層數(shù)由1層增至3層時，新舊路基的最大豎向沉降減幅較為明顯，而加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的最大豎向沉降減幅相對較小，說明對于控制拓寬路基工后沉降而言，土工格柵鋪設層數(shù)設計為3層的加筋效果較好。

3.3 應力分析

針對土工格柵加筋層數(shù)分別為0層、1層、2層、3層、4層及5層的拓寬路基頂面應力進行計算，得到不同加筋層數(shù)的新、舊路基最大水平和豎向應力變化曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 新舊路基最大水平應力變化曲線

圖6 新舊路基最大豎向應力變化曲線

根據(jù)圖5可知，在不同加筋條件下，新路基的最大水平應力要大于老路基的最大水平應力。加筋后新舊路基的最大水平應力均有所減小，說明鋪設土工格柵可有效降低拓寬路基的水平應力值。隨著加筋層數(shù)的增加，新舊路基的最大水平應力值均不斷減小，說明土工格柵鋪設層數(shù)越多，加筋效果越好。加筋層數(shù)由1層增至3層時，新舊路基的最大水平應力減小幅度較大，而加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的最大水平應力減幅相對較小，說明土工格柵鋪設層數(shù)設計超過3層后，對于控制拓寬路基水平應力的增幅效果不大。

根據(jù)圖6可知，在不同加筋條件下，新路基的最大豎向應力要大于老路基的最大豎向應力。加筋后新舊路基的最大豎向應力均有所減小，說明鋪設土工格柵可有效降低拓寬路基的豎向應力值。隨著加筋層數(shù)的增加，新舊路基的最大豎向應力值均不斷減小，說明土工格柵鋪設層數(shù)越多，加筋效果越好。加筋層數(shù)由1層增至3層時，新舊路基的最大豎向應力減小幅度較大，而加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的最大豎向應力減幅相對較小，說明土工格柵鋪設層數(shù)設計超過3層后，對于控制拓寬路基豎向應力的增幅效果不大。

3.4 穩(wěn)定性分析

針對土工格柵加筋層數(shù)分別為0層、1層、2層、3層、4層及5層的拓寬路基頂面穩(wěn)定系數(shù)進行計算，得到不同加筋層數(shù)的路基穩(wěn)定系數(shù)變化曲線如圖7所示。

圖7 拓寬路基穩(wěn)定系數(shù)變化曲線

根據(jù)圖7可知，拓寬路基的穩(wěn)定系數(shù)隨著加筋層數(shù)的增加而不斷增大，說明鋪設土工格柵可有效提升拓寬路基的安全穩(wěn)定性。當加筋層數(shù)由1層增至3層時，拓寬路基的穩(wěn)定系數(shù)增大幅度相對較大，而加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的穩(wěn)定系數(shù)增大幅度相對較小，說明土工格柵鋪設層數(shù)設計超過3層后，對于提升拓寬路基的安全穩(wěn)定性效果不大。

4 結(jié)論

(1)增加土工格柵鋪設層數(shù)，新舊路基的最大水平位移值不斷減小，加筋層數(shù)小于3層的拓寬路基水平位移值減幅較大，超過3層的拓寬路基水平位移減幅較小。

(2)隨著土工格柵鋪設層數(shù)增加，新舊路基的最大沉降值不斷減小，加筋層數(shù)小于3層的拓寬路基沉降值減幅較大，超過3層的拓寬路基沉降值減幅較小。

(3)新舊路基的最大應力值會隨著土工格柵鋪設層數(shù)增加而減小，加筋層數(shù)小于3層的拓寬路基應力值減幅較大，超過3層的拓寬路基應力值減幅較小。

(4)增加土工格柵鋪設層數(shù)，拓寬路基的穩(wěn)定系數(shù)不斷增大，且加筋層數(shù)越多，拓寬路基的安全穩(wěn)定性越高，其中加筋層數(shù)設計為3層相對合理。