公路改擴(kuò)建工程中土工格室加固效果及影響參數(shù)分析

薛洋

作者簡介：薛 洋（1985—），工程師，主要從事路橋設(shè)計(jì)工作。

摘要：為研究土工格室的加固效果以及設(shè)計(jì)參數(shù)對路基變形及沉降的影響，文章采用有限元軟件建立拓寬路基數(shù)值模型，針對土工格室的加固效果、鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)寬度以及筋材模量對路基變形的影響進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：鋪設(shè)土工格室可有效改善新舊路基的水平變形和差異沉降，使得應(yīng)力分布更為均勻;路基的水平位移和差異沉降均隨著土工格室鋪設(shè)層數(shù)的增加而減小;增大鋪設(shè)寬度可降低路基的水平位移和差異沉降;增大筋材模量可以降低新路基的水平變形和差異沉降，但同時(shí)也會增大老路基的差異沉降。綜合來看，土工格室鋪設(shè)層數(shù)選擇3層、鋪設(shè)寬度控制在50%左右、筋材模量選擇20 GPa的經(jīng)濟(jì)性和處治效果更好。

關(guān)鍵詞：公路改擴(kuò)建;土工格室;加固效果;設(shè)計(jì)參數(shù)

中國分類號：U412.22+2A260964

0 引言

近年來，土工格室因具有抗沖蝕、材質(zhì)輕、耐磨損及施工簡便等特點(diǎn)，逐漸替代傳統(tǒng)土工材料應(yīng)用在我國公路改擴(kuò)建工程中[1]。但早期的土工格室由于設(shè)計(jì)偏于保守，導(dǎo)致部分拓寬工程出現(xiàn)新舊路基拼接質(zhì)量問題，給公路的安全運(yùn)營帶來了風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，如何有效解決土工格室設(shè)計(jì)缺陷以及提升其處治效果，已成為當(dāng)下學(xué)者研究的重要課題[3-4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對土工格室的應(yīng)用展開了大量研究，如王選倉等[5]通過離心模型試驗(yàn)，分析了未加筋及不同加筋情況對路基沉降和穩(wěn)定性的影響;彭賢清等[6]針對不同高度、不同彈性模量以及不同形狀的土工格室擋墻進(jìn)行不同的工況設(shè)計(jì)，提出了一種最優(yōu)的土工格室選型;趙明華等[7]發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)改變加筋體的復(fù)合彈性模量、樁土剛度比、上下界面摩阻系數(shù)比等因素可以起到調(diào)節(jié)雙向增強(qiáng)復(fù)合地基網(wǎng)下樁土應(yīng)力比和降低格室體沉降的作用;邱毅等[8]研究了土工格柵和土工格室在公路拓寬工程中的應(yīng)用技術(shù)，并提出了土工格柵-格室組合加筋方案。土工格室作為一種新型土工材料，在公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用研究正處于不斷完善的階段，而關(guān)于土工格室的設(shè)計(jì)參數(shù)還缺乏系統(tǒng)性的研究?；诖?，本文針對土工格室加固拓寬路基的效果進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步討論了土工格室鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)寬度以及筋材模量對拓寬路基水平變形和差異沉降的影響，提出了相對合理的參數(shù)設(shè)計(jì)值，以期為類似改擴(kuò)建工程提供參考。

1 工程概括

某公路改擴(kuò)建工程原道路為二級公路，車道設(shè)計(jì)為雙向兩車道，最高行駛速度為80 km/h，路基寬度為12 m，路線長度約為37.472 km。現(xiàn)由于交通流量的日益增長，原道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已無法滿足通行需求，部分路段頻繁出現(xiàn)車轍、裂縫，甚至塌陷等嚴(yán)重病害，給該道路的安全運(yùn)營帶來了較大風(fēng)險(xiǎn)。為解決原通路各種病害和通行壓力大等問題，計(jì)劃對原道路進(jìn)行升級改造，將道路二級公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提升為一級公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度由原設(shè)計(jì)值12 m增至24.5 m，車道由雙向兩車道增至雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路基高度由5 m增至6 m，邊坡比保持1∶1.5不變。該項(xiàng)目拓寬方式主要采用雙側(cè)等寬度加寬，兩側(cè)各加寬6.25 m，部分路段受地形限制采用單側(cè)加寬12.5 m方式。公路擴(kuò)建新舊路基搭接問題采用鋪設(shè)土工格室方案，土工格室與臺階搭接長度為2 m，共鋪設(shè)4層。拓寬路基截面如圖1所示。

2 數(shù)值建模

運(yùn)用ABAQUS軟件建立拓寬路基有限元分析模型，模型中路基采用平面應(yīng)變單元CPE4模擬，地基土采用流固耦合單元模擬，計(jì)算高度取26.5 m，寬度取50 m，共包含1 328個(gè)單元和1 512個(gè)節(jié)點(diǎn)。其有限元模型如圖2所示。

在計(jì)算模型中，地基可視為半無限空間體，同時(shí)對模型底部進(jìn)行水平和豎直向約束，兩側(cè)進(jìn)行水平位移約束，上部為自由界面。為更好地模擬路基實(shí)際變形情況及保證計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性，對模型做出以下假定：（1）路基可視為平面應(yīng)變問題處理;（2）新舊路基搭接良好，接觸面完全連續(xù);（3）路基和地基均視為均質(zhì)且各向同性的理想彈塑體;（4）地基土自重應(yīng)力作為地基初始應(yīng)力;（5）地表為透水邊界，地基變形采用孔壓單元計(jì)算;（6）路面結(jié)構(gòu)層均等效為1 m填土;（7）土工格室與內(nèi)部填料視為一個(gè)整體，均視為線彈性結(jié)構(gòu)層，且滿足線彈性條件。拓寬路基土體包括原路基和新路基填土，地基土層主要包括2.5 m厚軟土層、8 m厚軟黏土層和10 m厚基巖層。其計(jì)算參數(shù)如表1所示。土工格室計(jì)算參數(shù)如表2所示。

3 土工格室加固效果分析

為驗(yàn)證土工格室對拓寬路基的加固效果，運(yùn)用有限元軟件分別建立未鋪設(shè)及鋪設(shè)4層土工格室加固的拓寬路基計(jì)算模型，并針對拓寬路基的位移及應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行對比分析。

3.1 位移分析

經(jīng)計(jì)算，得到未加固和加固模型路基頂面的水平位移與沉降最大、最小值（如表3所示）。

根據(jù)表3可知，拓寬路基鋪設(shè)土工格室后，路基頂面的最大水平位移值減小了20%，說明土工格室對于處治新舊路基的水平變形具有優(yōu)良效果。原因是土工格室的鋪設(shè)增強(qiáng)了路基水平向的受力，限制了路基的側(cè)向位移。未鋪設(shè)土工格室的路基頂面差異沉降為3.51 cm，鋪設(shè)了土工格室的路基頂面差異沉降為3.16 cm，最大差異沉降減小約10%，說明土工格室對于改善新舊路基的差異沉降同樣具有優(yōu)良效果。

3.2 應(yīng)力分析

經(jīng)計(jì)算，得到未加固和加固模型路基頂面的水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力最大、最小值（如表4所示）。

根據(jù)表4可知，拓寬路基鋪設(shè)土工格室后，路基頂面最大水平應(yīng)力降低了23%左右，水平應(yīng)力差減小了近37%，說明土工格室的鋪設(shè)可以有效消除新舊路基間的水平應(yīng)力差，使得路基頂面的水平應(yīng)力分布更為均勻。未鋪設(shè)土工格室的路基頂面豎向應(yīng)力差為8.5 kPa，鋪設(shè)了土工格室的路基頂面豎向應(yīng)力差為14.4 kPa，最大豎向應(yīng)力差減小了40%左右，說明土工格室可有效改善新舊路基的豎向應(yīng)力分布情況，從而降低了路基由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞的可能性。

4 土工格室影響參數(shù)分析

土工格室的鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)寬度及筋材模量等設(shè)計(jì)參數(shù)均會對其加固效果產(chǎn)生影響。為確定合理的參數(shù)設(shè)計(jì)值，分別建立不同土工格室參數(shù)設(shè)計(jì)的拓寬路基計(jì)算模型，并針對拓寬路基的變形及沉降變化規(guī)律進(jìn)行對比分析。

4.1 鋪設(shè)層數(shù)

為確定拓寬路基土工格室合理的鋪設(shè)層數(shù)，分別選取鋪設(shè)0、1、2、3、4層土工格室的拓寬路基進(jìn)行變形及沉降分析，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3知，隨著土工格室鋪設(shè)層數(shù)的增加，路基頂面的水平位移和豎向沉降均呈減小趨勢變化，說明增加土工格室鋪設(shè)層數(shù)可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降。其中，鋪設(shè)3層和4層土工格室的路基最大水平位移分別減小了20%和23%，最大沉降分別減小了3%和3.6%，說明土工格室鋪設(shè)層數(shù)超過3層后，其處治效果不大。同時(shí)，綜合經(jīng)濟(jì)性的考慮，建議拓寬路基選擇鋪設(shè)3層土工格室的加筋效果相對較優(yōu)。

4.2 鋪設(shè)寬度

為確定拓寬路基土工格室合理的鋪設(shè)寬度，分別選取鋪設(shè)0、25%、50%、75%、100%土工格室的拓寬路基進(jìn)行變形及沉降分析，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，隨著土工格室鋪設(shè)寬度的增大，路基頂面的水平位移和豎向沉降均呈減小趨勢變化，說明增大土工格室鋪設(shè)寬度可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降。其中，土工格室鋪設(shè)寬度由0增至50%時(shí)，路基頂面的最大水平位移值和沉降值減幅較大，而鋪設(shè)寬度超過50%后，路基頂面的最大水平位移值和沉降值減幅逐漸平緩，說明土工格室鋪設(shè)寬度控制在50%的處治效果最好。同時(shí)，結(jié)合施工成本的考慮，建議拓寬路基選擇鋪設(shè)50%拓寬寬度的土工格室加筋效果相對較優(yōu)。

4.3 筋材模量

為確定拓寬路基土工格室合理的筋材模量，分別選取筋材模量為5 GPa、10 GPa、20 GPa、30 GPa的拓寬路基模型進(jìn)行變形及沉降分析，結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，隨著土工格室筋材模量的增大，新路基的水平位移和豎向沉降均逐漸減小，整體減幅較小，而原路基的豎向沉降會隨之增大，但原路基的水平位移基本保持不變。由此說明，增大筋材模量可以降低新路基的水平變形和差異沉降，但同時(shí)也會增大原路基的差異沉降，且筋材模量越大，工程造價(jià)也會越高。因此，從施工經(jīng)濟(jì)性和處治效果兩個(gè)方面考慮，土工格室的筋材模量不必太高，滿足工程強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求即可，而拓寬路基建議選取土工格室筋材模量為20 GPa的處治效果最佳。

5 結(jié)語

本文通過運(yùn)用軟件模擬分析了土工格室的加固效果，以及不同鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)寬度和筋材模量對拓寬路基變形及沉降的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

（1）拓寬路基鋪設(shè)土工格室后，路基頂面的最大水平變形降低了20%，最大差異沉降降低了10%，水平應(yīng)力差減小了近37%，最大豎向應(yīng)力差減小了40%左右。

（2）增加土工格室鋪設(shè)層數(shù)可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降，建議拓寬路基選擇鋪設(shè)3層土工格室的加筋效果相對較優(yōu)。

（3）增大土工格室鋪設(shè)寬度可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降，建議土工格室鋪設(shè)寬度控制在50%的處治效果最好。

（4）增大筋材模量可以降低新路基的水平變形和差異沉降，但同時(shí)也會增大原路基的差異沉降，且筋材模量越大，工程造價(jià)也會越高，建議選取筋材模量為20 GPa的土工格室。

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