道路改擴(kuò)建工程土工格室參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有限元分析

馬 莉

（甘肅會(huì)方工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

在市政道路工程中面對(duì)舊路基沉降問題，通常以鋪設(shè)土工格加固的方式予以處理。不同的研究者提出了不同的解決方案，有的提出從筋材性質(zhì)和形狀角度解決問題，也有提出針對(duì)土工格室不同層級(jí)加固不同數(shù)量筋材角度解決問題，更多研究者提出了從土工格填充物角度試用沖擊碾壓方法來處理填充土，這些辦法都取得了很好的經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量效果[1]。然而，土工格室的設(shè)計(jì)還有優(yōu)化空間，本文建立ABAQUS有限元分析模型，試圖利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)土工格室高度、層數(shù)、間距等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為工程應(yīng)用提供理論支撐。

1 工程概況

某市內(nèi)道路需加寬擴(kuò)建，初始道路橫向?qū)挾?0m，雙向兩車道，路基高度5m，路旁邊坡比例為1:1.5。經(jīng)研究后，加寬工程初步設(shè)計(jì)為：對(duì)道路一側(cè)路基進(jìn)行拓寬，其臺(tái)階被挖掘暴露，挖掘深度為4層，每層1.2m。挖掘外圍臺(tái)階距離為1.5m，回填物是黏性土，每層臺(tái)階回填30d。回填工作完成后設(shè)置土工格柵以穩(wěn)固臺(tái)階，并用黏性土回填土工格柵并碾牢回填物。工程改擴(kuò)建完畢后，道路橫向?qū)挾葟?0m加寬為18m，雙車道升級(jí)為4車道，而道路路基高度從5m升到6m，路旁邊坡還是1:1.5。具體拓寬工程橫截面示意圖如圖1所示。

圖1 路基橫截面工程示意圖

2 土工格柵施工流程

土工格柵施工流程為：施工前準(zhǔn)備—土工格柵布置和掛網(wǎng)—填充物填充—壓實(shí)平整充填物—檢查整理[2]。

2.1 施工前準(zhǔn)備

施工場(chǎng)地中臺(tái)階被挖掘暴露后要盡量平整土面，剔除大塊物體或尖刺狀物品，臺(tái)階中土質(zhì)物要壓實(shí)。在施工前要先選取土工格材料以及確定尺寸，并檢查土工格質(zhì)量，通過拉伸進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，該工程中要求土工格的極限拉伸強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度為16kN。制作直徑d≥2.5mm的U形釘子，釘子要做好防水銹蝕和鋅度工藝。

2.2 土工格柵布置和掛網(wǎng)

首先要把土工格柵展開并確保拉伸勻稱并無冗余，確定每一部分土工格柵寬度后，用U 形釘子進(jìn)行固定，在填充物回填后要確保完全覆蓋土工格柵和U形釘，避免其與外界環(huán)境接觸。另外，橫向鋪設(shè)過程中兩部分土工格柵需要用8號(hào)鐵絲銜接固定。即土工格柵底部應(yīng)平鋪不卷曲重疊，橫向由鐵絲銜接，頂部由U型釘固定。

2.3 填充物填充并壓實(shí)

首先要確定土工格柵無損壞，檢查完畢后開始填充黏性土，土工格柵上部填料最少要覆蓋10cm 以上。填充30cm高，用填土機(jī)平整填充物后再壓實(shí)，先檢查上一工作環(huán)節(jié)的填充效果，符合要求后開始平整碾壓，按照先外圍后中部順著公路方向碾壓，一邊碾壓一邊平整，先慢后快的速度來進(jìn)行，壓實(shí)度控制在90%上下。

2.4 檢查驗(yàn)收

工程施工完畢后，要檢驗(yàn)其施工質(zhì)量是否符合工程相關(guān)規(guī)范要求。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑴c分析

根據(jù)土工格柵施工流程，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析土工格室高度、層?shù)、間距等參數(shù)對(duì)地基層的加固強(qiáng)化效果。

3.1 模型建立

運(yùn)用工程模擬軟件ABAQUS 來建立市政道路改擴(kuò)建的模型，舊路基和新加路基在軟件中用四節(jié)點(diǎn)單元節(jié)點(diǎn)來代替，模型一共涵蓋282個(gè)單元和313個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體模型如圖2所示。

圖2 改擴(kuò)建道路有限元實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在實(shí)際工程中，影響土工格柵施工效果的因素很多，為了驗(yàn)證各因素對(duì)施工效果的影響關(guān)系，在模型設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)相關(guān)因素作理想化的設(shè)定。假設(shè)環(huán)境溫度及濕度固定不變，道路路堤為理想平面模型；新設(shè)路基和舊地基為理想彈塑狀態(tài)；各施工材料質(zhì)地均勻且填充粘合度理想；新路基與舊路基完美銜接且平整無斷裂。在新路基底部存在前后移動(dòng)限制和上下移動(dòng)限制，舊新路基兩側(cè)也存在平移限制[3]。因此，計(jì)算參數(shù)主要考慮舊路路基、新增路基、結(jié)構(gòu)表層、填充土層、路基部分及土工格室內(nèi)等類別[4]，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

3.2 模型分析

3.2.1 土工格室高度與加固效果

在ABAQUS軟件模型里，如果把土工格室高度分別設(shè)定為5cm、10cm、15cm，觀察并統(tǒng)計(jì)新路基水平方向偏移幅度和豎直方向改變幅度，如圖3所示。由圖3可以看出，如果土工格室高度變高，新路基水平方向偏移幅度降低了9.8%、15.6%、23.1%；豎直方向偏移幅度分別降低了9.2%、13.1%、18.6%。這說明土工格室越高，路基穩(wěn)固性能越好。但土工格室不能無限加高，要結(jié)合工程實(shí)際情況和施工材料材質(zhì)以及造價(jià)等進(jìn)行具體選擇。一般來說，若填充物體積偏大，土工格室高度應(yīng)增加；填充物體積偏小，土工格室高度應(yīng)縮小[5]。

圖3 不同土工格室高度對(duì)路基偏移度的影響

本次實(shí)驗(yàn)以底部方格30cm 土工格室為研究對(duì)象，土工格的高度設(shè)定為12cm、18cm 和24cm，分析不同土工格高度下的地基承重力變化情況，見表2。

表2 不同土工格室高度與新地基承重能力對(duì)比

表2中，無土工格室是指不構(gòu)建土工格室采取直接夯實(shí)施工工藝，模型中設(shè)置土工格室高度為0cm；未優(yōu)化土工格室按施工標(biāo)準(zhǔn)的最低高度執(zhí)行，模型設(shè)置土工格室高度為8cm；由表2可見，假設(shè)軟土層新路基的安全系數(shù)是3.0，在黏土作為填充物的情況下，未對(duì)土工格室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之前，其底部極限承重為305.92kPa，一般承重為101.98kPa。

如果使用高度為12cm 的土工格室，黏土填充物的極限承重為458.86kPa，一般承重為128.47kPa。和軟土新路基層（無土工格室）相比，其抗壓能力提升了216.8%和252.2%；與使用未優(yōu)化的土工格室相比，分別提升了50.2%和26.3%。

若使用土工格高度為18cm 時(shí)，黏土結(jié)構(gòu)底部極限承壓是555.74kPa，一般承重為185.58kPa，與采用未優(yōu)化的土工格室的情況相比，分別提升了81.6%和82.1%。

當(dāng)土工格高度提升到24cm 時(shí)，底部極限承壓力達(dá)到了611.82kPa，與無土工格結(jié)構(gòu)的軟土基層相比提升了322.4%，與用未優(yōu)化的土工格室相比提升了100%；礫石填充物若使用未優(yōu)化的土工格結(jié)構(gòu)作業(yè)，則底部極限承壓值和一般承壓值分別為640.37kPa和182.52kPa，而礫石填充物在土工格室高度為12cm、18cm、24cm時(shí)，結(jié)構(gòu)層底部極限承壓值分別為1019.71kPa、1131.85kPa、1223.65kPa，與無土工格室加固的情況相比，分別提升了59.1%、76.7%、91.2%。從以上數(shù)據(jù)分析可知，土工格室高度對(duì)于結(jié)構(gòu)抗壓能力的提升效果極其顯著。

由表2分析可知，在經(jīng)過土工格室加固后，兩種填充材料底部的極限承壓能力和一般承受壓力都隨著土工格室高度的提升而提升，可見土工格室加固效果明顯。當(dāng)土工格室高度達(dá)到一定程度時(shí)（20cm），提升抗壓能力效果變?nèi)酰欢煌畛湮锏馁|(zhì)地和屬性卻上升為主要影響因素，因?yàn)橥凉じ袷腋叨忍嵘梢詭椭?xì)膩質(zhì)地的填充物摩擦力和相互作用能力增強(qiáng)，土工格室變得更凝結(jié)和緊固。但若高度持續(xù)提升，其抗壓能力的提升空間越來越小，則實(shí)際意義不大。

3.2.2 土工格室層數(shù)與加固效果

在ABAQUS軟件模型里，如果把土工格室設(shè)定為1層、2層、3層，觀察并匯總新路基水平方向和豎直方向的偏移結(jié)果，如圖4所示。由圖4分析可知，當(dāng)層數(shù)為1時(shí)，水平偏移降低16.3%，豎直偏移降低13.6%；當(dāng)層數(shù)為2時(shí)，水平偏移降低25.9%，豎直偏移降低20.2%；當(dāng)層數(shù)為3時(shí)，水平偏移降低33.8%，豎直降低27.4%。由此可見，隨著土工格室層數(shù)的增加，可以幫助新路更穩(wěn)固且效果明顯。但是，層數(shù)也要符合工程實(shí)際需求，在允許的情況下設(shè)置更多的層數(shù)。

圖4 不同層數(shù)土工格室層數(shù)對(duì)新路基偏移量影響

3.2.3 相鄰?fù)凉じ袷揖嚯x與加固分析

在ABAQUS軟件模型里，假定相鄰?fù)凉じ袷业木嚯x為20cm、40cm、60cm三種情況，分析新路基水平方向和豎直方向移動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。由圖5分析可知，與前面高度、層數(shù)效果不同的是，當(dāng)2個(gè)土工格室間距為20cm 時(shí)，水平偏移和垂直偏移量降低了10.1% 和18.2%；而當(dāng)間距增加為40cm 時(shí)，水平偏移和垂直偏移量降低了11.2%和13.6%；當(dāng)間距再次增加到60cm 時(shí)，水平偏移和垂直偏移數(shù)值降低了11.7%和9.5%。這說明相鄰?fù)凉じ袷揖嚯x在20~40cm 時(shí)，加固效果比較明顯；而距離增加到60cm 時(shí)，加固效果反而一般。因此，建議土工格室相鄰距離在20~40cm之間。

圖5 相鄰?fù)凉じ窬嚯x變化與最大偏移量關(guān)系示意圖

4 結(jié)束語

本文通過ABAQUS有限元分析模型，模擬了土工格室對(duì)地基層的加固強(qiáng)化效果。在假設(shè)理想實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)土工格室的各種參數(shù)和新路基的偏移量（水平和垂直）進(jìn)行了模擬，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出了土工格室高度變化、層數(shù)變化和相鄰?fù)凉じ袷揖嚯x改變對(duì)新路基最大偏移量之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，并計(jì)算了高度變化對(duì)新路基承壓能力的影響情況。結(jié)論如下：

（1）土工格室高度提升可以幫助細(xì)膩質(zhì)地的填充物摩擦力和相互作用能力增強(qiáng)，土工格室變得更凝結(jié)和緊固。但若高度持續(xù)提升，其抗壓能力的提升空間越來越小，則實(shí)際意義不大。

（2）隨著土工格室層數(shù)的增加，可以提升新路的穩(wěn)固性。但是，層數(shù)也要符合工程實(shí)際需求，在允許的情況下設(shè)置更多的層數(shù)。

（3）相鄰?fù)凉じ袷揖嚯x在20~40cm 時(shí)，加固效果比較明顯；而距離增加到60cm時(shí)，加固效果反而一般。因此，建議土工格室相鄰距離在20~40cm之間。