土工格室處理軟弱路基的沉降機理與應用分析

王佳佳　胡　仲　李良吉*

(中建五局第三建設有限公司市政分公司，湖南 長沙　410000)

土工格室作為一種新型的三維土工合成材料，具有質輕、耐磨、運輸方便等特點[1-3]，當在土工格室中加入填充砂、黏土、礫石等材料時，就會形成具有超強的側向與大剛度的柔性結構層，其廣泛應用于巖土工程、市政道路工程、水利工程等[4,5]。在路基工程中鋪設土工格室，可將荷載擴散、動應力水平降低、路基剛度提高。

新建瀟湘北路位于湘江河畔，道路規劃區多為農田、沼澤等軟基地帶，為了改善與提高路基承載力，防止不均勻沉降，決定采用土工格室進行處理。本文以長沙市望城區一路一園項目為依托，通過對土工格室工程相關試驗的總結，提出土工格室提高路基承載力的機理進行研究，從力學角度分析土工格室加筋墊層與路基之間的加固作用，并在不同因素條件下對土工格室加筋路基進行研究探討，為現場實際施工起到一定的指導性作用。

1　試驗概述

1.1　試驗內容

本次模型試驗是以長沙市望城區瀟湘北路修建中用土工格室進行路塹軟弱路基加固而開展的一項科學研究。研究內容包括：不同壓實度、格室高度對土工格室加固層路基承載力及變形特征的影響。

1.2　試驗方案

本次試驗采用的模型槽規格為長2.0 m，寬1.25 m，高1.0 m，模型槽采用角鋼進行焊接而成，為了便于觀察，在模型槽兩側安裝有機玻璃，而兩段分層安裝擋板，內層并設有隔水層，防止含水率變化，并在模型槽上裝備加載裝置，加載設備為油壓千斤頂，模型簡圖如圖1所示。

2　試驗結果與分析

2.1　不同壓實度填料對土工格室加固層路基承載力的分析

通過模型槽，采用承載板靜載試驗方法[6]，得到試驗結果，如圖2，圖3所示，結果表明：當填土壓實度從84%增加至93%時，路基承載力從90 kPa～100 kPa增強至270 kPa～280 kPa。這是因為不同壓實度情況下的填料顆粒之間排列緊密程度有所不同，壓實度越大，其顆粒間排列越緊密，顆粒分子間作用力就越大，其抵抗變形的能力就越強，從圖2，圖3中還可看出，隨著沉降的繼續，承載力就越大。曲線斜率越來越平緩，路基承載力趨近于某一值，但隨著壓實度的增大，這種曲線斜率趨于某一值越不明顯，這表明，隨著壓實度的逐漸增大，路基承載力增大，而路基承載力趨于某一值越不明顯。這是由于在土工格室與填料形成的加筋復合結構層當中，填料壓實度越高，將提高結構層的抗剪強度，從而加強了土工格室側向約束力、格室側壁與填料之間的摩擦力，增大了路基土與填料間摩擦力、黏聚力，防止加筋復合結構層中滑動面的形成和發展，因此促進了土工格室筏形基礎的作用，提高了其路基承載力。

2.2　不同格室高度對土工格室加固層路基承載力的分析

為了研究格室高度對土工格室加固層路基承載力的影響，試驗控制在同一壓實度93%，同一填土情況下，依據試驗模型尺寸選擇了土工格室尺寸2 m(長)×1.25 m(寬)，同一焊距，格室高度H分別為50 mm,100 mm,150 mm，200 mm,250 mm的土工格室進行試驗分析，試驗結果如圖4所示。

從圖4可知，同一條件下，土工格室的格室高度越大，同一荷載下其路基發生沉降越小，即土工格室加固層路基承載力隨格室高度的增大而增大。這是因為土工格室高度越高，同一格室內土體與格室接觸面積就越大，格室對軟弱層土體的側向約束力就越大，因而加固層路基承載效果越好。

但從圖4中，還可發現格室高度從100 mm增加至150 mm時，其路基承載力增加較大，而超過150 mm之后隨著格室高度的繼續增加其路基承載力依然增大，但增大幅度減小，說明格室高度為150 mm加固層路基承載力的“性價比”最高。這是因為，當格室高度增大到一定值時，雖然路基土體與接觸面積增大，承載效果也增強，但因壓實效果隨土層厚度的增加有所降低，所以導致其他格室高度的加固層路基承載力“性價比”反而不如格室高度150 mm的加固層路基。

2.3　不同格室焊距對土工格室加固層路基承載力的分析

本文2.2節得到的“高性價比”格室高度150 mm，而為了進一步探討焊距對土工格室加固層路基承載力的影響，試驗同樣控制在同一壓實度93%，同一填土情況下，依據試驗模型尺寸選擇了土工格室尺寸2 m(長)×1.25 m(寬)，格室高度150 mm，格室焊距L分別為300 mm,400 mm,450 mm,500 mm,550 mm,600 mm的土工格室進行試驗分析，試驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出，同一條件下，焊距在350 mm～600 mm之間時，土工格室加固層路基在同一荷載作用下，焊距越小，產生沉降變形越小，即焊距越大，土工格室加固層路基承載力越小。

圖5中隨著沉降的增大對應的荷載值趨于平穩，而為了更好的描述焊距影響土工格室路基承載力的情況，現取沉降S=35 mm所對應的承載荷載值為分析對象，繪制出圖6，從圖6中可以看出，焊距與路基承載力呈非線性關系，即隨著焊距的增大，路基承載力先呈線性降低，而在焊距500 mm增大至550 mm時，路基承載力降低較快，說明焊距500 mm為曲線的臨界值，其“性價比”與其他焊距相比更高。

綜上試驗得到，同一壓實度、格室尺寸、填土材料條件下，格室高度150 mm，焊距500 mm加固后的路基承載力“性價比”最高，最能達到節約經濟效果。

3　土工格室現場實際工程應用分析

通過試驗模型得到最佳“性價比”的格室高度與焊距，而為了探討土工格室處理后的路基實際強度特性是否能達到設計要求，將通過現場壓實度、沉降檢測試驗進行檢驗。

現以瀟湘北路K12+280處大面積軟弱路基為對象，根據《公路路基設計規范》[7]及設計要求：壓實度需不小于93%、路基沉降不得超過30 cm。通過現場試驗對焊距×高度為500 mm×150 mm,550 mm×150 mm,500 mm×100 mm,450 mm×150 mm,500 mm×200 mm處理后的軟弱路基壓實度、沉降量進行檢測對比，試驗檢測結果如表1，表2所示。

表1　不同焊距、高度處理后的路基壓實度檢測表

表2　不同焊距、高度處理后的路基沉降檢測表

通過表1，表2分析可知,不同焊距、高度處理后的軟弱路基壓實度、沉降值當中焊距×高度為500 mm×150 mm檢測點數全部合格，且平均壓實度達到94.05%、平均沉降19.61 cm；而焊距×高度為550 mm×150 mm與500 mm×100 mm均存在壓實度不合格的點。焊距×高度為450 mm×150 mm與500 mm×200 mm壓實度、沉降值均合格，但與500 mm×150 mm相比，其壓實度與沉降值滿足要求的效果不明顯。

綜合考慮經濟效益、規范及設計要求，綜上所述，得到本工程實際施工中最佳格室高度與焊距，并且對土工格室處理軟弱路基施工具有一定的推廣與指導意義，同時對相似工程起到借鑒作用。

4　結語

本文通過不同壓實度、格室高度、焊距對土工格室加固路基承載力進行模型試驗研究，得出相關結論，并通過現場實際試驗檢測進行驗證，得到主要結果如下：

1)同一條件下，土工格室加固層中填土壓實度從84%增加至93%時，路基承載力從90 kPa～100 kPa增強至270 kPa～280 kPa，得到在土工格室加固層中壓實度對路基承載力影響較大。

2)研究格室高度、焊距對土工格室加固層影響時，得到格室高度越大、焊距越小，土工格室處理后的軟弱路基承載力越大，但格室高度為150 mm時、焊距為500 mm時，其“性價比”最高。

3)通過現場不同格室高度、焊距處理后的路基實際壓實度、沉降值進行檢測發現，焊距×高度為500 mm×150 mm時處理過的軟弱路基滿足壓實度不小于93%、沉降量小于30 cm的實際要求，且又能達到經濟節約的效果。

參考文獻:

[1]韓明.高速公路軟土地基土工格室加筋路堤研究[D].南京：東南大學,2004.

[2]張秀江.土工格室邊坡綠化施工技術在巖質邊坡的應用[J].工程技術(文摘版),2015(31):47.

[3]郝文銳,梁森,韋利明,等.一種質輕、高強度復合材料阻尼儀表板的設計[J].兵器裝備工程學報,2015,36(2):21-24.

[4]趙宏靜,鐘余娜.淺談土工格室在公路建設中的作用[J].中國科技博覽,2015(44):160.

[5]楊曉華.土工格室加固飽和黃土路基性狀及承載力[J].長安大學學報(自然科學版),2004,24(3):5-8.

[6]管偉.土工格室對級配碎石基層的加固效果[J].中國市政工程,2010(4):14-16.

[7]JTG D30—2015，公路路基設計規范[S].