土工格柵加筋路基性能分析與優(yōu)化研究

摘要：文章以某高速公路填方路基試驗(yàn)段為背景，利用有限元軟件建立數(shù)值分析模型，分析土工格柵加筋路基的性能，并通過(guò)調(diào)整加筋間距、布置方式，對(duì)路基加筋方案進(jìn)行優(yōu)化，提出合理的施工方案。研究結(jié)果表明：土工格柵可較好地改善路基承載能力和路基邊坡的側(cè)向變形，但對(duì)路基沉降控制改善效果較小；下密上疏、淺表空置的土工格柵布置方案是更優(yōu)選擇，建議格柵布置間距為60～90 cm。

關(guān)鍵詞：土工格柵；路基；數(shù)值模擬；變形控制；優(yōu)化參數(shù)

中圖分類號(hào)：U416.212 A 17 054 4

0 引言

土工格柵是一種性能優(yōu)異的土工合成材料，廣泛用于路基土石方填筑工程的加筋處理［1］。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)土工格柵加固路基性能展開(kāi)了大量研究，李袁昊等［2］針對(duì)拓寬道路路基變形特性及土工格柵處治措施展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)采取土工格柵加筋處治后路基和地基水平位移減小明顯；胡衛(wèi)國(guó)等［3］開(kāi)展加筋填土室內(nèi)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明土工格柵加筋土樣的承載能力明顯大于未加筋的情況，隨著加筋層數(shù)的增加，土工格柵的側(cè)向約束作用越大；楊慶等［4］進(jìn)行了土工格柵加筋路堤的室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)，研究了土工格柵加筋參數(shù)對(duì)路堤邊坡結(jié)構(gòu)性能的影響，結(jié)果表明，加筋能大幅提高邊坡的穩(wěn)定性和承載能力；Montanelli Filippo等［5］對(duì)某土工格柵加筋鐵路路基工程進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果證明加入土工格柵能減小循環(huán)荷載下基床底層應(yīng)力以及垂直變形和延長(zhǎng)路基的使用壽命。

本文以某高速公路土工格柵加筋路基為研究對(duì)象，運(yùn)用Midas GTS有限元軟件建立路基模型，并與工程實(shí)際進(jìn)行對(duì)比，分析土工格柵加筋路基的性能改善效果，并通過(guò)調(diào)整土工格柵加筋間距和布置方式進(jìn)行方案優(yōu)化，為合理運(yùn)用土工格柵在類似路基中的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 項(xiàng)目概述

本文依托項(xiàng)目為某高速公路軟土路基處理。項(xiàng)目段工程地質(zhì)分區(qū)屬構(gòu)造、剝蝕殘丘區(qū)，丘陵地貌。淺部分布有 0.3～0.5 m厚的有機(jī)質(zhì)土，其下為厚度約為 4 m的殘積紅色黏土層，黏土層以下為深厚中等風(fēng)化頁(yè)巖。表層土密實(shí)度差、結(jié)構(gòu)松散、工程性質(zhì)差、均勻性較差、因其厚度較小，故工程上對(duì)其進(jìn)行清除處理。

設(shè)計(jì)路基填筑高度為 4 m，分層填筑，單層填筑厚度為 0.3 m。為提高路基承載能力和控制路基變形，擬在填筑時(shí)鋪設(shè)土工格柵進(jìn)行路基增強(qiáng)。為更好地確定施工參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試。采用TGSG50型雙向塑料土工格柵，其參數(shù)如表1所示。現(xiàn)場(chǎng)采用間隔為 0.6 m，橫向滿鋪。

1.2 路基模型的建立

根據(jù)路基的實(shí)際情況，采用Midas GTS有限元軟件建立如圖1所示的全幅路基模型。其中，路基寬度為 15 m，填筑高度為 4 m，單層填筑厚度為 0.3 m，最后2層填土厚度為 0.2 m。

路基下部基礎(chǔ)地層分為2層，上層為紅黏土層，下層為風(fēng)化巖層。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察數(shù)據(jù)，黏土層厚度約為 4 m，風(fēng)化巖層約為 13 m（簡(jiǎn)化計(jì)算，模型取 10 m）。

1.3 模擬參數(shù)

數(shù)值模型中，各層土體采用平面應(yīng)變單元建立Mohr-Coulomb模型，土工格柵采用軟件自帶的土工格柵單元。根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，各土層的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

土工格柵材料本身的應(yīng)力、應(yīng)變是非線性的，參考相關(guān)文獻(xiàn)［6］，在實(shí)際應(yīng)用中選取縱向2%拉伸率時(shí)抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的初始切向模量作為材料的模量值。根據(jù)土工格柵現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，材料參數(shù)具體取值見(jiàn)表3。

2 加筋路基性能分析

2.1 路基位移

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段采用豎向 60 cm間隔的土工格柵滿鋪進(jìn)行測(cè)試，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)值分析模型。對(duì)采用土工格柵增強(qiáng)的路基有限元模型進(jìn)行計(jì)算后，其位移云圖如圖2所示。

從圖2可以看出，路基的水平位移區(qū)域最大位于路基坡腳以下，其最大值為 5.94 mm，其中路基坡腳處的水平位移為 3.4 mm。填筑完成后兩坡腳點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的平均水平位移為 3.64 mm，相差較小，考慮到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置有一定的深度，兩者之間存在較好的一致性。路基的豎向位移的最大點(diǎn)位于路基上部中線位置，這與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)論相符合，數(shù)值模型中路基沉降最大值為 4.23 cm，這一數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的路基最大沉降 4.42 cm也基本一致，說(shuō)明數(shù)值模型與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段的變形規(guī)律具有較好的一致性。

2.2 格柵內(nèi)力

加筋路基中土工格柵的軸力云圖如圖3所示。

從圖3可以看出，由于路基填筑通鋪土工格柵，隨著上覆填土厚度的增加，土工格柵的軸力相應(yīng)增加，土工格柵的軸力最大值位于第一層格柵上，為 5.24 kN，格柵應(yīng)力未達(dá)到土工格柵的拉伸極限強(qiáng)度。從單層土工格柵上看，通鋪土工格柵軸力呈對(duì)稱分布，沿坡面向中心先增大后減小。

2.3 路基承載力

為分析土工格柵加筋對(duì)路基的承載能力提升的影響，在路基中間設(shè)計(jì)了采用 1 m寬度荷載試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整荷載，獲得土工格柵加筋路基豎向壓力P與坡頂沉降值s的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可知，經(jīng)過(guò)格柵加固的路基承載能力明顯提高。從豎向壓力來(lái)看，無(wú)格柵加筋路基在豎向壓力達(dá)到 800 kPa時(shí)出現(xiàn)剪切破壞，而 60 cm格柵加筋路基則在豎向壓力達(dá)到 1 300 kPa時(shí)才出現(xiàn)剪切破壞，加筋路基較無(wú)加筋路基承載力提升60%以上。

3 土工格柵加筋路基優(yōu)化

在上述模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整土工格柵的加筋間距、布置形式，建立不同的數(shù)值模型，分析并優(yōu)化土工格柵加筋路基施工方案。

3.1 加筋間距

在原模型的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了豎向 30 cm間距、 60 cm間距、 90 cm間距、 120 cm間距滿鋪土工格柵加筋路基的數(shù)值模型，提取計(jì)算結(jié)果。不同間隔土工格柵下地基的最大沉降量和最大水平位移如圖5所示。

從圖5可以看出，土工格柵對(duì)路基的沉降控制有一定的作用，但作用較小。 30 cm間隔布置格柵加筋路基與無(wú)格柵加筋路基相比，沉降減少量約為3%。

但從坡腳水平位移來(lái)看，格柵加筋可以顯著地改善路基的水平位移， 30 cm間距時(shí)路基坡腳的水平位移為 3.14 mm，較無(wú)加筋路基坡腳水平位移減小了45.3%。隨著格柵加筋密度的增加，坡腳最大水平位移不斷減小，說(shuō)明土工格柵加筋密度增大可以更好地改善路基的穩(wěn)定性。從坡腳水平位移變化可以看出，隨著土工格柵加筋密度的增大，加筋路基的水平約束力逐漸降低。若以路基水平位移為控制指標(biāo)，建議格柵布置間距為 60～90 cm，并根據(jù)填土施工厚度而定。

不同的布設(shè)密度情況下，土工格柵的最大軸力如圖6所示。從圖6可以看出，在土工格柵加筋路基中，由頂向下土工格柵的最大軸力逐步增大。隨著土工格柵上覆土體厚度的逐漸增大，格柵承受的土壓力不斷增加，在豎向沉降和側(cè)向土壓力作用下格柵發(fā)生拉伸，軸力逐漸增大。這個(gè)過(guò)程中格柵逐步發(fā)揮其加筋作用，水平向土體的摩擦和嵌固效應(yīng)限制路基的側(cè)向變形。而埋深（覆土厚度）較淺的土工格柵的軸力較小，對(duì)路基性能提升的貢獻(xiàn)較小。因此，在實(shí)際施工中淺層可采用不布設(shè)或局部布設(shè)的形式，以提升土工格柵的利用效率。

此外，隨著土工格柵布設(shè)密度的增大，各土工格柵分擔(dān)了上部土體的側(cè)向土壓力，最大軸力均有所降低。填方完成后各土工格柵最大軸力所在空間位置如圖7所示。從圖7可以看出，各層土工格柵的最大軸力位置并不一致，從頂向下，各層土工格柵的軸力最大值位置逐步向中間移動(dòng)。

3.2 布置形式

就土工格柵的布置形式，可從豎向不等距布設(shè)和橫向不通長(zhǎng)布設(shè)兩個(gè)方面考慮。

根據(jù)對(duì)土工格柵的軸力分析，可知淺層的土工格柵軸力較小，埋深 1 m以下的通長(zhǎng)格柵上的最大軸力 ＜0.5 kN。結(jié)合土工格柵軸力和最大軸力位置的分析，提出了兩種改進(jìn)的格柵布置形式，布置的形式如表4所示。其中方案2中的中間層（ 1.8 m、 2.4 m、 3 m處）格柵左右對(duì)稱，單側(cè)布置長(zhǎng)度取格柵最大軸力位置到坡邊線距離的2倍，分別是 9.8 m、 7.2 m、 4.6 m。

從表5可知，在路基的變形控制上，方案1在水平位移和沉降控制效果方面與原方案基本一致，方案2與原方案相比坡腳水平位移及沉降均有所增大。這說(shuō)明在施工過(guò)程中路基上部埋深較淺處不布設(shè)土工格柵，對(duì)路基變形控制影響較小。以公路路基的位移作為控制指標(biāo)，在綜合考慮安全性和施工經(jīng)濟(jì)性的情況下，下密上疏、淺表空置的土工格柵布置方案是更優(yōu)選擇。

從圖8可以看出，方案1與方案2中土工格柵的軸力最大值均出現(xiàn)在第一層，分別是 5.31 kN和 5.27 kN。兩種方案底層各土工格柵軸力分布形式與原方案一致，最大軸力均有少量增加。方案2中中層各土工格柵最大軸力大于方案1中中層格柵的最大軸力，這說(shuō)明合理的橫向不通長(zhǎng)布設(shè)土工格柵有利于更好地發(fā)揮格柵的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某高速公路土工格柵加筋路基進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了加筋路基的性能，并通過(guò)調(diào)整土工格柵間距和布置方式，探討了土工格柵加筋路基的最佳方式，結(jié)論如下：

（1）土工格柵對(duì)填土路基的性能有較好的改善作用，可以較大地提升路基的承載能力，在一定程度上約束路基的水平位移，但對(duì)路基的沉降變形控制效果較小。

（2）隨著土工格柵加筋密度增大，路基的水平位移逐漸降低，但加筋路基的水平約束力逐漸降低。以路基水平位移為控制指標(biāo)，建議格柵布置間距約為 60～90 cm。

（3）埋深較淺的土工格柵的軸力較小，路基上部埋深較淺處不布設(shè)土工格柵，對(duì)路基整體的變形控制影響較小。

（4）以公路路基的位移作為控制指標(biāo)，在綜合考慮安全性和施工經(jīng)濟(jì)性的情況下，下密上疏、淺表空置的土工格柵布置方案是更優(yōu)選擇。

參考文獻(xiàn)

［1］張 震，郭小鵬.土工格柵和土工織物加筋地基研究綜述［J］.路基工程，2021（2）：1-8.

［2］李袁昊，王 寧.拓寬道路路基變形特性及土工格柵處治措施研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2016，36（11）：89-93.

［3］胡衛(wèi)國(guó)，何橋敏.土工格柵在填方路堤中的加筋作用試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2018，38（1）：38-42.

［4］楊 慶，季大雪，欒茂田，等.土工格柵加筋路堤邊坡結(jié)構(gòu)性能模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005（8）： 1 243-1 246， 1 252.

［5］Montanelli Filippo，Recalcati Piergiorgio.土工格柵在提高鐵路路基承載力中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2006（7）：64-66.

［6］楊廣慶，龐 巍，呂 鵬，等.塑料土工格柵拉伸特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2008（9）： 2 387-2 391.

收稿日期：2022-10-12