高速公路擴建工程土工格柵應用現場試驗研究

程 興，韓 冬，姜景山

（1.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.南京工程學院，江蘇 南京 211112）

高速公路擴建工程土工格柵應用現場試驗研究

程 興1，韓 冬1，姜景山2

（1.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.南京工程學院，江蘇 南京 211112）

依托某高速公路改擴建工程，將土工格柵應用到該拓寬工程路基中，為研究土工格柵的加固機理，對土工格柵鋪設的層位、位置、寬度和類型四個因素開展現場試驗，研究土工格柵在不同情況下加筋處理的效果。結果表明：樁頂墊層土工格柵拉伸力大；路基填土越高加筋效應越好；2 m寬土工格柵中部拉伸力較4 m寬和6 m寬都大；鋼塑格柵較塑料格柵拉伸率小而拉伸力大。試驗結果可為路基拼接設計施工提供參考和指導。

土工格柵；現場試驗；加筋效應；拉伸率

0 引言

隨著我國交通量的不斷增長，急需擴大道路通行能力，高速公路擴建工程發展迅速，國內已有多條高速公路如滬杭甬、海南環島東線、滬寧等都已完成，擴建的過程中存在著很多問題。其中一個關鍵問題是新老路基間存在較大的差異沉降[1-2]，這是由于建設歷史和填料性質等方面的差異。為了減小新老路基的差異沉降，增強新老路基的整體性，采用土工格柵處治已成為路基拼接常用的方法之一，并已在拓寬工程中取得了較好的應用效果[3-4]。然而目前對土工格柵加固機理等方面的研究目前開展得較少[5-7]，已有的成果主要局限于數值模擬研究[8-9]，對土工格柵加筋的效果、加固機理開展現場試驗研究也較少[10]。

本課題依托某高速公路改擴建工程，將土工格柵應用于新老路基臺階位置和樁頂墊層中，通過在樁頂墊層土工格柵和新老路基臺階土工格柵上埋設位移計，觀測土工格柵的受力變形狀態，從土工格柵鋪設的層位、位置、寬度和類型這四個影響因素開展土工格柵現場試驗，研究土工格柵在各種不同情況下加筋處治的效果。明確土工格柵的加固機理，并為路基拼接設計和施工提供參考和指導。

1 現場試驗

1.1 試驗原理

要測量土工格柵發揮的效用，需要了解土工格柵強度發揮的程度和土工格柵實際承受的拉力。目前直接測量土工格柵的拉力比較困難，一般通過測量土工格柵的變形，然后由室內土工格柵拉伸試驗得到的應力應變關系曲線進行換算得到。應力應變換算通過擬合拉伸試驗得到的應力應變曲線方式進行。拉伸試驗得到的土工格柵應力應變關系曲線見圖1。

圖1 土工格柵拉伸試驗應力應變曲線

式中：ε為伸長率（%）；σ為拉伸力（kN/m）；a、b為無量綱模型參數。

圖2是采用雙曲線擬合得到的應力應變關系曲線，從圖中可以看出雙曲線擬合土工格柵應力應變關系的效果較好。雙曲線函數采用：

圖2 土工格柵應力應變關系雙曲線擬合曲線

通過回歸分析得到土工格柵應力應變雙曲線模型參數，見表1。

表1 雙曲線模型參數表

1.2 試驗材料

現場試驗所采用的土工格柵分別是拓寬工程路基中應用的雙向凸結點鋼塑土工格柵和單向塑料土工格柵。其中鋼塑格柵采用常州永新華立紡織復合材料有限公司生產的TGG 80×80型號凸點雙向鋼塑土工格柵，見圖3，其性能參數見表2。塑料土工格柵采用肥城聯誼工程塑料有限公司生產的HDPETGDG80單向塑料土工格柵，見圖4，其性能參數見表3。

圖3 凸結點雙向鋼塑土工格柵

表2 凸結點雙向鋼塑土工格柵性能參數

圖4 單向塑料土工格柵

表3 單向塑料土工格柵性能參數

1.3 試驗儀器

土工格柵現場試驗所用的儀器主要有位移計和讀數儀，位移計采用VWD-20型振弦式，讀數儀具有編號自動識別功能，滿足了現場特殊情況下試驗儀器識別和讀取的需要。

1.4 試驗方案

土工格柵現場測試斷面選擇了6種路基設計處理方案進行研究，具體見表4。不同寬度土工格柵土工格柵應變觀測頻率為6個月進行8次觀測，其中前四次每半個月觀測一次，以后每一個月觀測一次，初次觀測時間為路面結構施工完成后。

位移計布置見圖5，2 m、4 m、6 m寬土工格柵布置3、4、5個測點。

2 現場試驗結果及分析

通過對土工格柵在不同鋪設層位、不同填土高度、不同鋪設寬度和不同材料類型等影響因素的分析，研究土工格柵在拓寬路基中的作用效果。

2.1 不同鋪設層位試驗成果

圖6為填土高度為4.5 m的雙側拓寬為6車道的斷面不同加筋層位土工格柵的加固效果，分析可以得到：

（1）樁頂墊層土工格柵拉伸力最大。

從圖6中可以看出，樁頂墊層中土工格柵的拉伸力最大。說明樁頂碎石墊層中土工格柵能充分協調樁土變形，均化沉降，拉伸力大，加筋效果明顯，表明樁頂墊層中鋪設土工格柵是十分必要和有效的。

（2）路基拼接頂部土工格柵的拉伸力較大。

不考慮樁頂墊層中土工格柵加筋效果，只考慮路基中土工格柵的處治效果，可以看出路基頂部土工格柵的拉伸力最大。建議在路基拼接中都要保證路基頂部鋪設一層土工格柵，以免路基拼接質量和安全出現問題。

表4 土工格柵現場測試斷面與路基設計方案對應情況

圖5 不同寬度土工格柵位移計測點布置圖

圖6 不同層位土工格柵加固效果（填土高度4.5 m）

（3）路基頂部第二層拉伸力相對較小。

從圖6中可以看出，路基頂部第二層土工格柵的拉伸力較小。頂部第二層拉伸力偏小的原因可能是路基頂部土工格柵的發揮效果明顯，其影響范圍覆蓋了第二層土工格柵的加筋影響范圍，導致第二層土工格柵的加筋效果表現不突出。因此，建議如路基填土高度較大，需設置兩層或兩層以上土工格柵時，優先在路基頂部和路基中部鋪設土工格柵以充分發揮土工格柵的加筋處治的效果，可不必每層均鋪設土工格柵。

2.2 不同填土高度試驗成果

圖7為雙側加寬為6車道情況下不同填土高度路基頂部2 m寬鋼塑格柵中部拉伸力隨時間的變化規律，表5為不同填土高度土工格柵拉伸力變化趨勢，通過圖表可以得到如下結論。

圖7 不同填土高度土工格柵拉伸力變化

表5 不同填土高度土工格柵拉伸力 kN/m

（1）土工格柵的加筋效應是逐漸發揮的。

在不同填土高度下，土工格柵的拉伸力均隨著時間的延長而逐漸增大。路基填筑結束后，隨著路基的沉降的不斷發展，特別是新老路基結合處不均勻沉降逐漸增大，土工格柵不斷協調新老路基的差異沉降，拉伸力逐漸增大，加筋效應也不斷增強。

（2）路基填土越高土工格柵加筋效應越好。

從圖中可以看出，填土高度越大，土工格柵的拉伸力越大。隨著填土高度的增大，路基頂部土工格柵的加筋效應逐漸增強。填土高度越高，新老路基的差異沉降越大，應力集中越明顯，土體的剪切和土工格柵的受拉越明顯，土工格柵的拉伸力表現的越大。

2.3 不同鋪設寬度試驗成果

圖8為填土高度為4.5 m時不同寬度土工格柵在拓寬為6車道和8車道情況下路基頂部土工格柵的加筋效果，表6和表7分別為雙側加寬為六車道和八車道不同寬度格柵拉伸力情況，由圖表可以看出：

圖8 不同寬度土工格柵加筋效果（填土高度4.5 m）

表6 雙側加寬為六車道不同寬度格柵拉伸力

表7 雙側加寬為八車道不同寬度格柵拉伸力

（1）土工格柵寬度為2 m時拉伸力最大。

當土工格柵寬為2 m時，拉伸力最大。雙側加寬為六車道時，鋼塑格柵2 m寬時中部拉伸力為19.1 kN/m，大于4 m寬時格柵中部14.1 kN/m和9.1 kN/m；塑料格柵2 m寬時中部拉伸力為5.7 kN/m，大于4 m寬時格柵中部5 kN/m和3.6 kN/m。雙側加寬為八車道時，鋼塑格柵2 m寬時中部拉伸力為36.7 kN/m，大于4 m。

寬時格柵中部32.3 kN/m和21.4 kN/m和6 m寬時格柵中部26.4 kN/m、25.8 kN/m和11.2 kN/m。

2 m寬土工格柵中部拉伸力較4 m寬和6 m寬都大，說明寬2 m的土工格柵協調新老路基不均勻變形程度最大，土工格柵充分發揮了抵抗拉伸的作用。對于4 m寬和6 m寬土工格柵由于加筋影響范圍較大，土工格柵的拉伸力整體有所減小，土工格柵抗拉作用發揮得較少。

（2）土工格柵中部拉伸力較兩端大。

土工格柵中部拉伸力較兩端拉伸力要大，從中部到兩端衰減較快。以雙側各加寬一個車道鋼塑格柵為例，寬2 m時中部拉伸力為19.1 kN/m，兩端為9.6 kN/m和7.8 kN/m；寬4 m時，土工格柵中部最大為14.1 kN/m，兩端為11.7 kN/m和2.3 kN/m。說明土工格柵中部很好地發揮了錨固作用，而兩端由于錨固長度較小加筋效果受到了限制。

（3）離土工格柵左側1 m位置處（新老路基拼接處）拉伸力最大。

從不同土工格柵寬度、不同土工格柵材料類型以及不同拓寬寬度條件下土工格柵拉伸力分布可以看出，離土工格柵左側1m處即新老路基拼接處拉伸力最大。如雙側加寬為六車道，鋼塑格柵為2 m時，離土工格柵左側1 m拉伸力為19.1 kN/m，大于兩端9.6 kN/m和7.8 kN/m，4 m寬時離左側1 m拉伸力為14.1，大于兩端11.7 kN/m和2.3 kN/m。綜合分析，離左側1 m正好是新老路基拼接交接處，此處由于新老路基固結程度的差異，沉降變形較大會產生一個小的突變，因此此處土工的應力集中最為明顯，土工格柵由于較大不均勻沉降的影響產生了較大的拉伸變形，土工格柵的受力較大，加筋效應發揮得也最大。

（4）離新老路基拼接位置越遠拉伸力越小。

拓寬工程在新老路基拼接位置2 m范圍內土工格柵的拉伸力較大，但隨著離新老路基拼接距離的增大，拉伸力衰減的較快。說明新老路基的不均勻沉降主要發生在拼接位置2 m范圍內，在此范圍內，鋪設土工格柵的效果最好。因此不必過分強調加大土工格柵的鋪設寬度，避免浪費。

2.4 不同材料類型試驗成果

圖9和圖10是填土高度4.5 m條件時，在拓寬為6車道情況下，路基頂部不同材料土工格柵的加筋效果圖。從鋼塑格柵和塑料格柵的拉伸率和拉伸力可以看出：

圖9 不同材料類型土工格柵拉伸率（填土高度4.5 m）

圖10 不同材料類型土工格柵拉伸力變化（填土高度4.5 m）

（1）鋼塑格柵的拉伸率小。

從鋼塑格柵和塑料格柵拉伸率與時間變化圖可以看出，相同格柵寬度條件、填土高度下，塑料格柵的拉伸率比鋼塑格柵大。鋼塑格柵的拉伸率小于塑料格柵，說明采用鋼塑格柵處治能有效減小新老路基的差異沉降，減小路基開裂的可能性，工程實施中應優先考慮鋼塑格柵。

（2）鋼塑格柵的拉伸力大。

從鋼塑格柵和塑料格柵拉伸力隨時間變化圖可以看出，相同格柵寬度、填土高度下，鋼塑格柵的拉伸力比塑料格柵大。鋼塑格柵的拉伸力要大于塑料格柵，說明鋼塑格柵能充分協調新老路基的差異沉降，均化應力，增強路基的整體性，減少路基拼接病害的可能性。

3 結論

根據某高速公路改擴建工程土工格柵現場試驗結果，對結果進行分析，可以得出如下結論：

（1）不同層位的土工格柵，樁頂墊層土工格柵拉伸力大，路基拼接頂部土工格柵的拉伸力較大，路基頂部第二層拉伸力較小。

（2）土工格柵的加筋效應均是逐漸發揮，路基填土越高加筋效應越好。

（3）土工格柵寬度為2 m時拉伸力最大，土工格柵中部拉伸力較大，離土工格柵左側1 m位置處（新老路基拼接處）拉伸力最大，離新老路基拼接位置越遠拉伸力越小。

（4）鋼塑格柵較塑料格柵拉伸率小而拉伸力大。

（5）在雙側各加寬一個車道的拓寬工程，采用2 m寬土工格柵，雙側各加寬兩個車道的拓寬工程，采用2～4 m土工格柵比較合適。

[1]陳星光.高速公路擴建工程差異沉降控制技術研究[D].陜西西安：長安大學,2006.

[2]張軍輝.軟土地基上高速公路加寬變形特性及差異沉降控制標準研究[D].江蘇南京：東南大學,2006.

[3]石海麗.拓寬路基差異沉降及土工格柵處治機理的研究[D].黑龍江哈爾濱：哈爾濱工業大學,2012.

[4]李志清,胡瑞林,付偉,等.土工格柵在加固高速公路路堤中的應用研究[J].巖土力學,2008(3)：795-799.

[5]苗英豪,王秉綱.土工格柵加筋路堤機理研究進展[J].中外公路, 2007(3)：45-49.

[6]楊廣慶,李廣信,張保儉.土工格柵界面摩擦特性試驗研究[J].巖土工程學報,2006(8)：948-952.

[7]劉文白,周健.土工格柵與土界面作用特性試驗研究[J].巖土力學,2009(4)：965-970.

[8]張永清,王選倉,王朝輝等.土工格柵處治填挖交界路基數值模擬與現場試驗[J].交通運輸工程學報,2008(3)：63-67.

[9]李首龍.黏性土中土工格柵拉拔特性試驗及數值模擬分析研究[D].遼寧大連：大連理工大學,2009.

[10]賈敏才,黃文軍,葉建忠,等.超高無面板式土工格柵加筋路堤現場試驗研究[J].巖土工程學報,2014(12)：2220-2225.

TU47

A

1009-7716（2016）05-0052-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.015

2016-01-12

程興（1984-），男，安徽池州人，工程師，從事巖土工程設計、檢測、監測等工作。