市政道路改擴建工程中土工格室參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究

李康

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

近年來，隨著我國城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市交通流量增加，部分市政道路已經(jīng)很難滿足通行需求，道路拓寬改造逐漸成為緩解城市交通壓力的有效方法之一[1-2]。對于拓寬工程中新舊路基差異沉降問題，已有學(xué)者采用鋪設(shè)土工格室方式進行治理，并取得了優(yōu)良效果[3-4]。如耿大新等[5]通過分析多層土工格室加筋路基內(nèi)部筋材的拉應(yīng)力性狀，提出了一種改進的鋪設(shè)方法，發(fā)現(xiàn)采用改進的土工格室鋪設(shè)方法，在最大節(jié)約30%筋材的前提下，可取得大致相同的加筋效果。王選倉等[6]研究不同土工格室加筋情況對路基穩(wěn)定性的影響，從施工質(zhì)量和經(jīng)濟性出發(fā)，建議較低路基進行基底單層土工格室加筋處理，較高路基在基頂和基底進行兩層加筋。譚練武[7]結(jié)合實際工程提出了沖擊碾壓與土工格室聯(lián)合應(yīng)用的一種軟弱雜填土處理方案，發(fā)現(xiàn)沖擊碾壓與土工格室聯(lián)合應(yīng)用在處理軟弱雜填土?xí)r具有良好的經(jīng)濟性和工程效果。王佳佳等[8]從不同壓實度、格室高度和焊距處理后的路基進行室內(nèi)模型試驗，發(fā)現(xiàn)壓實度越大，路基承載力越大，路基承載力隨土工格室高度的增加而呈非線性增加。

目前，土工格室在拓寬工程的應(yīng)用仍處于不斷完善階段，而關(guān)于土工格室加固拓寬路基參數(shù)優(yōu)化的研究還相對較少。基于此，本文通過建立不同土工格室鋪設(shè)高度、層數(shù)以及間距的拓寬路基數(shù)值模型，針對路基變形及沉降變化規(guī)律展開了對比分析，以期為土工格室加固拓寬路基的參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化研究提供參考。

1 工程概況

某市政道路改擴建項目，該道路原設(shè)計路面寬度為10m，車道設(shè)計為雙向兩車道，路基高度為5m，邊坡比為1∶1.5。近年來，隨著城市的快速發(fā)展，該路段交通流量急劇增長，原有道路逐漸無法滿足通行需求，為解決交通擁堵問題，現(xiàn)計劃對該道路進行改擴建。按照設(shè)計要求以及對該路段現(xiàn)場考察，路基拓寬采用單側(cè)拓寬方式，施工先對路基右側(cè)進行臺階開挖，開挖寬度為1.5m，分4層臺階，每層高度為1.2m。臺階開挖完成后采用黏性土對拓寬路基進行回填，填筑速率為30d/1.2m，每層臺階回填完成后鋪設(shè)一層土工格柵對拓寬路基進行加固處理，并對回填土進行壓實處理。拓寬完成后路基寬度增至18m，車道增至為雙向四車道，路基高度增至6m，邊坡比保持不變。市政道路拓寬截面如圖1所示。

圖1 市政道路拓寬路基示意圖

2 土工格柵施工方案

土工格室施工主要包括布設(shè)前準備、布設(shè)及掛網(wǎng)、填筑、平整碾壓和檢查驗收5個步驟，具體施工內(nèi)容如下：

（1）布設(shè)前準備：隨機抽取土工格室樣品進行強度指標測試，設(shè)計要求土工格室的斷裂拉力不小于16kN，抗剪切應(yīng)力不低于16kN，確保樣品檢測結(jié)果滿足規(guī)范要求。制作直徑不小于2.5mm的U形釘，并做好鍍鋅防銹處理。

（2）布設(shè)及掛網(wǎng)：將連接好的土工格室進行張拉，確保格室無松弛感，鋪設(shè)寬度根據(jù)設(shè)計要求設(shè)定，當土工格室張拉至規(guī)定尺寸后，采用U形釘進行固定，U形釘露出部位不超過土工格室高度，并及時填土防止暴曬。

（3）填筑：填筑前先檢查土工格室是否存在破損情況，填土機填土厚度需高出土工格室10cm以上，確保土工格室不被損壞，填料初填厚度為25～30cm，先整平后碾壓，填料壓實度控制在93%左右。

（4）平整及碾壓：碾壓前檢查初填厚度、平整度是否滿足要求，碾壓過程遵循先輕后重、先慢后快原則，由兩邊向中間縱向碾壓，橫向重疊1/3寬度碾壓面，縱向重疊1～1.5m碾壓面，確保無漏壓現(xiàn)象。

（5）檢查驗收：根據(jù)設(shè)計要求檢查填筑厚度、平整度是否符合規(guī)范標準。

3 模型建立

運用有限元軟件ABAQUS建立市政道路拓寬路基數(shù)值模型，新老路基采用四節(jié)點平面應(yīng)變單元模擬，地基采用平面應(yīng)變孔隙水壓力單元模擬，模型中共包含283個單元和312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

考慮到拓寬路基影響因素較多，為方便計算分析，對拓寬路基做出以下基本假設(shè)：將路堤視為平面應(yīng)變問題來考慮；將路基、地基均視為理想彈塑性體，各層材料均質(zhì)、連續(xù)且完全黏合；采用比奧固結(jié)理論計算地下水位以下土的固結(jié)問題；假定新路基與原路基結(jié)合良好且無滑移和脫落。在拓寬路基模型底部設(shè)置水平位移和豎向位移約束，模型兩側(cè)均限制水平方向位移，模型上部為自由界面。計算參數(shù)主要考慮新路基、原路基、表層軟土、軟黏土、基巖及土工格室，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體及土工格室計算參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 土工格室高度

分別建立土工格室鋪設(shè)高度為5cm、10cm及15cm的拓寬路基計算模型，并針對路基最大水平、豎向位移進行對比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同格室高度-最大位移變化曲線

由圖3可知，隨著土工格室高度的增加，路基最大水平位移和豎向位移均不斷減小，說明土工格室高度的改變一定程度可提升其加固效果。當土工格高度分別為5cm、10cm和15cm時，路基最大水平位移分別減小了9.9%、15.7%和23.2%，路基最大豎向位移分別減小了9.1%、13.2%和18.7%，以上數(shù)據(jù)說明土工格室高度越高，路基加固效果越明顯。但實際工程中土工格室高度并不是越高越好，應(yīng)綜合考慮施工條件以及工程造價來選擇格室高度，對于填土顆粒較大的工程，宜采用高度較高的土工格室加固，對于填土顆粒較小的工程，宜采用高度較低的土工格室加固。

4.2 土工格室層數(shù)

分別建立土工格室鋪設(shè)層數(shù)為1層、2層及3層的拓寬路基計算模型，并針對路基最大水平、豎向位移進行對比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同格室層數(shù)-最大位移變化曲線

根據(jù)圖4可知，隨著土工格室層數(shù)的增加，路基最大水平位移和豎向位移均不斷減小，說明土工格室層數(shù)的改變一定程度可提升其加固效果。當土工格高度分別為1層、2層和3層時，路基最大水平位移分別減少了16.4%、25.8%和33.9%，路基最大豎向位移分別減少了13.6%、20.1%和27.3%，以上數(shù)據(jù)說明土工格室層數(shù)越多，路基加固效果越明顯。但實際工程中應(yīng)綜合考慮施工條件以及工程造價來選擇土工格室鋪設(shè)層數(shù)，在滿足施工要求的條件下，鋪設(shè)適宜層數(shù)的土工格室對路基進行加固。

4.3 土工格室間距

分別建立土工格室鋪設(shè)間距為20cm、40cm及60cm的拓寬路基計算模型，并針對路基最大水平、豎向位移進行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同格室間距-最大位移變化曲線

根據(jù)圖5可知，隨著土工格室間距的增加，路基的最大水平位移不斷減少，而路基最大豎向位移呈先減后增趨勢變化，說明土工格室間距的改變一定程度可提升其加固效果。當土工格室高度分別為20cm、40cm及60cm時，路基最大水平位移分別減小了10.2%、11.1%和11.8%，水平位移減小幅度相差不大，說明土工格室間距對路基水平變形影響不大，路基最大豎向位移分別減小了18.1%、13.7%和9.4%，可以看出土工格室間距越大，路基最大豎向位移越大，路基加固效果會有所下降。綜合考慮，土工格室鋪設(shè)間距控制在20～40cm范圍的加固效果相對較優(yōu)。

5 結(jié)論

綜合上述分析，可得出以下結(jié)論：

（1）不同土工格室鋪設(shè)高度的路基加固效果具有一定差異性，土工格室高度越高，路基加固效果越明顯，但實際工程中土工格室高度并不是越高越好，應(yīng)綜合考慮施工條件以及工程造價來選擇格室高度。

（2）隨著土工格室層數(shù)的增加，路基最大水平位移和豎向位移均不斷減少，說明土工格室層數(shù)的改變一定程度可提升其加固效果，但實際工程中應(yīng)綜合考慮施工條件以及工程造價來選擇土工格室鋪設(shè)層數(shù)。

（3）隨著土工格室間距的增加，路基的最大水平位移不斷減少，但對路基水平變形影響不大，而路基最大豎向位移呈先減后增，且土工格室間距越大，路基最大豎向位移越大，綜合考慮土工格室鋪設(shè)間距控制在20～40cm相對合理。