土工格柵加筋土對路基變形特性的影響研究

中圖分類號：U461.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.011

文章編號：1673-4874（2025）01-0039-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)逐漸完備，道路后期運(yùn)營維護(hù)問題也接而至。如何提高路基穩(wěn)定性，防止大規(guī)模沉降變形是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。加筋土工合成材料（如土工格柵）作為路基工程中常用加固手段之一，可顯著改善路基失穩(wěn)，防止沉降。因此，研究土工格柵加筋土對路基變形特性的影響尤為關(guān)鍵。

當(dāng)前，國內(nèi)學(xué)者對路基沉降變形特征以及格柵加固機(jī)理開展了大量研究。陳正1以實際工程為例，采用土工格柵對軟土路基進(jìn)行加固處理，比較加固前后路基沉降差異并提出沉降預(yù)測模型；武立2通過有限元軟件構(gòu)建加筋半剛性路基仿真模型，模擬結(jié)果表明：在路基中層鋪設(shè)玄武巖纖維格柵能較好地抑制基層應(yīng)變，提高路基結(jié)構(gòu)整體抗裂性能；譚鵬等3為解決新老路基對接后差異沉降問題，采用固廢層材料包裹格柵措施，通過DIC技術(shù)檢測顆粒旋轉(zhuǎn)與位移，進(jìn)而確定最佳包裹層厚度與加筋影響范圍；靳靜等4開展了不同橫肋間距下土工格柵宏觀拉拔試驗與數(shù)值模擬，從宏觀及細(xì)觀層面探究了筋土材料的拉拔一位移特性與界面摩擦作用機(jī)理。蔣明杰等開展了不同粗顆粒級配下格柵最佳網(wǎng)格尺寸研究，發(fā)現(xiàn)級配面積與網(wǎng)格尺寸存在明顯對數(shù)關(guān)系，兩者耦合能明顯提高土石壩抗震性能；梁小勇等基于動載拉拔試驗與離散元模擬，開展了循環(huán)動載作用下土工格柵一砂土的界面特性研究，結(jié)果表明：界面摩擦角隨荷載頻率和幅值的增大而增大，在高頻率和高幅值下筋土界面的抗剪性能更強(qiáng)。

綜上，上述學(xué)者研究大多集中于加筋材料本身與界面作用機(jī)理等方面，而對筋材布置與沉降控制方面關(guān)注較少。為此本文基于前人研究，對加筋土路基開展室內(nèi)載荷試驗，確定其最佳埋置深度，并通過FLAC3D離散元軟件，改變格柵層數(shù)與格柵剛度，進(jìn)一步探究格柵剛度及層數(shù)對路基土壓力分布與沉降變形的影響，該研究有望為今后的路基加固工程提供參考與借鑒。

1工程概況

本次取樣地點(diǎn)位于貴州省仁懷市二合鎮(zhèn)境內(nèi)某公路段。仁懷市地處云貴高原北部與四川盆地南部過渡地帶，整體地勢西高東低，屬于高原、中高山峽谷地貌；境內(nèi)主要為侏羅、白堊系碎屑巖，主要出露有碳酸鹽（包括石灰?guī)r、白云巖）以及各類砂巖、礫巖，其東部發(fā)育有典型卡斯特峰叢。二合鎮(zhèn)位于仁懷市西北部，距市區(qū)約30k m ，占地88 ，全鎮(zhèn)平均海拔 ，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫18℃，年平均降水量為 。

研究公路段全長約 1.7k m ，道路內(nèi)側(cè)緊鄰赤水河，為典型河谷地貌，段內(nèi)路基較為平坦，路基類型以高填方為主。由于河水長期侵入作用，部分區(qū)域已見坍塌，為此急需對該路段開展治理措施研究。

2單層加筋路基室內(nèi)試驗研究

為探究分級荷載對高填方加筋路基變形特性的影響，基于物理模型試驗（淺層平板載荷法模型試驗）確定單筋格柵最佳埋置深度（首層）。

2.1試驗材料與裝置

（1）路基填料：路基填料取自貴州省仁懷市二合鎮(zhèn)某公路段高填方路基粉質(zhì)黏土，顏色為淡紅褐色，裂隙發(fā)育程度較低。

（2）土工格柵：加筋材料為鋼塑土工格柵，平均厚度為0.2cm，網(wǎng)孔尺寸為 14.5c m×14.5c m

（3室內(nèi)試驗裝置主要包括三部分：模型試驗箱、監(jiān)測系統(tǒng)與加載設(shè)備（液壓千斤頂、反力架）。其中模型箱骨架由尺寸為60mm的空心方管焊接而成，側(cè)面膠結(jié)亞克力板模擬彈性約束，底部為5mm鋼板與角點(diǎn)焊接。模型簡圖見圖1。

2.2試驗步驟與方案

通過擊實試驗獲取填料土最優(yōu)含水率與待測土樣平均含水率，由兩者差值計算出所需加水量如表1所示。采用分層填筑法鋪填路基土，并分層夯實以保證壓實度達(dá)到 95% 以上。

采用分級加載方式，初始荷載為 50kPa ，并以50kPa為增量逐級遞增，直至加載結(jié)束或滿足試樣終止標(biāo)準(zhǔn)，期間每隔10min記錄一次沉降值。本次試驗分為試驗組和模擬組，其中 h，N 分別為首層埋置深度與加筋層數(shù)量。不同工況試驗方案見表2。

2.3 試驗結(jié)果分析

無加筋與單層加筋路基荷載一沉降變化曲線如圖2所示。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下路基 p-s 曲線均可劃分為三個階段，即彈性階段、塑性階段與破壞階段，對應(yīng)臨界點(diǎn)分別為臨塑荷載與極限荷載。工況A（無埋置深度）條件下路基超過極限荷載后，土體內(nèi)部產(chǎn)生塑性流動，沉降變形急劇增大，極限荷載為400kPa；工況BC 時，由于格柵距頂面較遠(yuǎn)，豎向荷載主要由上部填料承擔(dān)，因此僅表現(xiàn)為破壞階段變形略微減少，但極限荷載仍為 400kPa ；工況D（ 時，格柵上部土層較薄，初始荷載主要由格柵主體承擔(dān)，塑性階段路基強(qiáng)度略微提升，隨著荷載逐漸增大，格柵加固作用逐漸凸顯，同時格柵剛度較大，這將延長土體塑性階段持時，對應(yīng)極限荷載也增大至550 kPa ；工況 C（h=140m m） 首層埋置深度介于工況B和工況D之間，路基與格柵共同承擔(dān)荷載，路基抵抗變形的能力適中，極限荷載為450 kPa 。綜上，路基極限荷載大小 ，確定后續(xù)數(shù)值模擬中格柵最佳首層埋置深度為 70m m

3土工格柵加筋土路基影響因素研究

由前文模型試驗結(jié)果可知，單層加筋土路基的最佳首層埋置深度為70mm?；诖?，進(jìn)一步開展多層數(shù)、加強(qiáng)格柵剛度下路基變形影響因素研究。

3.1數(shù)值模型的建立

3.1.1本構(gòu)模型及參數(shù)選取

路基選擇FAC3D內(nèi)置摩爾一庫侖本構(gòu)模型，依據(jù)準(zhǔn)則，當(dāng)材料單元剪切面上的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力達(dá)到一定值時強(qiáng)度包絡(luò)線與摩爾應(yīng)力圓相切，表示此時材料發(fā)生屈服破壞，賦予格柵線彈性模型。通過室內(nèi)試驗結(jié)果p-s 曲線與格柵生產(chǎn)參數(shù)得到路基、格柵基本力學(xué)參數(shù)如表3、表4所示。

3.1.2數(shù)值模型的建立

參照室內(nèi)模型尺寸建立等比例模型，采用軟件內(nèi)置的塊體單元（zonebrick）與格柵單元（geogrid）建立數(shù)值模型。分別設(shè)置頂面為自由邊界，底面為固定邊界，同時限制模型四周法向位移。不同格柵層數(shù)路基的數(shù)值模型如圖3所示。

3.1.3模擬工況

依據(jù)前文的研究，格柵首層埋置深度取 ，加筋層數(shù)分別取0、6、8、16，設(shè)置其初始剛度為67MPa對應(yīng)工況為 $A_{1}、D_{1}、D_{2}$ ，同時考慮格柵剛度對路基變形的影響，將試驗組格柵剛度擴(kuò)大為原來的5倍，對應(yīng)層數(shù)工況分別為 D33，相鄰格柵等距布置。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.2.1不同工況下路基豎向土壓力分布特征

分級荷載作用下無加筋與多層加筋土路基在不同深度的豎向土壓力分布曲線（ 表示監(jiān)測點(diǎn)深度）如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)：同一分級荷載作用下，豎向土壓力均隨著深度增大而增加，當(dāng)土層教淺時，土壓力增大作用不明顯，此時上部荷載主要由首層格柵承擔(dān)，因此無加筋與多層加筋土路基土壓力差距較小。當(dāng)深度達(dá)到66cm時，豎向土壓力迅速增大，最大值為328 ， ；同時對比同一深度處（以 cm為例）不同工況下豎向土壓力曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨加筋層數(shù)增加，路基極限荷載依次增大，整體表現(xiàn)為 ；豎向土壓力分布規(guī)律與之相反，當(dāng)分級荷載 時，最大豎向土壓力大小整體表現(xiàn)為隨格柵層數(shù)增多而減小的趨勢， 、 、 、 分別為257kPa、187kPa、173kPa、 ，與 相比， 、 、 分別減小了27. 23% 、32. 68% 、43. 19% 。由胡可定律（ 可知，隨著格柵層數(shù)增加，格柵整體剛度大大增強(qiáng)，縱向應(yīng)變減小量遠(yuǎn)小于彈性模量增大量，此時上部荷載絕大部分將由格柵承擔(dān)。

3.2.2不同工況下路基荷載一沉降 （p-s） 特征曲線

試驗組與模擬組 p-s 曲線如圖5所示。觀察圖5可知，試驗組與模擬組 p-s 曲線基本吻合，但試驗組沉降量略小于模擬組，這可能與模型箱的邊界效應(yīng)有關(guān)。模擬工況 中，無加筋路基在經(jīng)歷較短的塑性變形階段后，進(jìn)入破壞階段，此時沉降位移迅速增大直至破壞，極限荷載僅為400 kPa ；當(dāng)加入加筋材料后，路基豎向變形得到明顯改善，由于格柵分擔(dān)作用使得路基經(jīng)歷較長的塑性階段，同時到達(dá)極限荷載以后，路基并未立即破壞，這表明土工格柵增強(qiáng)了路基延性，與室內(nèi)試驗結(jié)論基本一致。

普通模擬組與加強(qiáng)格柵剛度模擬組極限荷載均隨加筋層數(shù)增大而增大，其中工況 D₁、D₂、 對應(yīng)極限荷載分別為650kPa、700kPa、750kPa，整體沉降位移依次減小，最終沉降量分別為 ，說明土工格柵改善了路基內(nèi)部變形條件。同時，增大格柵剛度，其加固效果低于增大加筋層數(shù)，因為格柵的加固機(jī)理是在荷載作用下與路基填料相互摩擦、咬合、協(xié)調(diào)變形，進(jìn)而增強(qiáng)路基整體剛度，增加格柵層數(shù)大大增大了其與填料的接觸面積，因而更能有效地減小地基沉降。

4結(jié)語

本文以貴州省仁懷市二合鎮(zhèn)某公路段路基為研究工點(diǎn)，對其開展淺層平板載荷試驗，并基于室內(nèi)試驗結(jié)果在FLAC3D軟件中建立三維路基模型，進(jìn)一步探究格柵不同因素對路基變形特性的影響。主要結(jié)論如下：

（1）無加筋與不同埋置深度下單層加筋土路基變形均可劃分為三個階段：彈性階段、塑性階段與破壞階段。工況A、B、C、D對應(yīng)極限承載力分別為550kPa、450kPa、400kPa、400kPa，確定該條件下首層格柵的最佳埋置深度為

（2）不同工況下，豎向土壓力均隨深度增加而增加，當(dāng) 時，有最大豎向土壓力為328kPa（工況 ；隨加筋層數(shù)增加，路基豎向土壓力由大到小依次為 ，最大豎向土壓力分別為257kPa、187kPa、173kPa、146kPa，降幅分別為 27.23% 、32. 68% 、43. 19% 。

（3）各模擬組路基極限承載力均隨加筋層數(shù)增大而增加，其中工況 對應(yīng)極限荷載分別為650kPa、 ，最終沉降量分別為275mm、243mm、 ；增大格柵剛度對路基的加固效果不佳。

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