土工格柵對填挖交界路基的影響分析

■楊相如

（福建船政交通職業學院，福州 350007）

對于山嶺地區的公路，路基施工中經常出現同一路基橫斷面上，一半填方一半挖方的情況，也即半填半挖。由于填挖交界處路基和路面結構層厚度、強度不一，造成承載力和地基沉降存在差異。如果處置不合理，會導致路基出現不均勻沉降，路面開裂破壞、錯臺，進而產生跳車現象，嚴重還可能導致路基穩定性問題。因而填挖交界路基的病害問題成為了公路建設中常見難題之一。

現有對填挖交界路基的處理方案包括橋梁、半路半橋、高程不同的分離式路基、路肩墻或其他形式的擋土墻、土釘或土工合成材料加筋等。其中土工合成材料安裝方便，易于施工，可大幅度縮短工期，降低工程建設成本；另外土工合成材料對環境影響有限，施工過程不易產生噪音，符合環保理念，因而在道路路基的設計施工中得到了廣泛應用。

土工合成材料種類繁多，其中土工格柵與土體之間具有較高的粘結作用，與土體相互嵌固，具有較高的抗拉性能，可以很好的改善路堤橫斷面的沉降狀況，減少填挖交界處的差異沉降，提高路基的穩定性能。本文將結合實際工程，采用Plaxis有限元軟件分析填挖交界處土工格柵對路基沉降、差異沉降，及邊坡穩定性的影響。

1 工程概況

分析邊坡所處位置附近無河流通過，無常年性河流侵蝕作用。水源屬于降雨補給型。地下水類型主要是第四紀孔隙潛水。根據工程地質勘察報告，場區出露地層為約3m厚的強風化砂巖，紫灰色、灰黃色，巖芯碎塊狀，局部砂土狀，裂隙發育，錘擊易碎，夾中風化團塊。下部為中風化至微風化砂巖，巖體紫灰色、黃灰色，巖石碎塊狀或短柱狀，錘擊聲脆，細粒結構，層狀構造，層理發育。區域有史記載以來，未發生過強烈地震。

某公路路線經過原地表坡度較陡的地段，局部為半填半挖路基。施工過程中將上部的挖方坡體材料經粉碎后與砂和碎石混合作為路基擋墻的填料（圖1）。為保證填方路基與挖方路基土之間緊密結合，減少差異沉降，并確保邊坡的穩定，在填挖交界面開挖高1m、寬2m、坡度為4%的臺階，在路床底面及每臺階處設置土工格柵。土工格柵的寬度為設置處路基全寬，橫向土工格柵邊緣距路基邊坡坡面的距離為0.5m。

圖1 半填半挖公路邊坡示意圖

2 計算模型及材料參數

計算采用Plaxis有限元軟件，該軟件是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的功能強大的通用巖土有限元計算軟件，現在已廣泛應用于各種復雜巖土工程項目的有限元分析中，如邊坡開挖及加固后穩定性分析等。PLAXIS系列程序以其專業、高效、強大、穩定等特點得到世界各地巖土工程專業人員的廣泛認可，日漸成為其日常工作中不可或缺的數值分析工具。

對路基、路面這類無現場帶狀結構體進行計算時，通常認為不會產生沿延伸方向的變形，因此可以將模型簡化為平面應變問題進行計算，分析模型如圖1。其中路基頂面寬7.5m，D、E兩點高程差為5.5m。

荷載標準參考《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）中的規定，考慮到路面的荷載擴散作用，計算可采用均布荷載形式。雙排汽車按距路基1.5m布置，計算中將車輛荷載近似換算成條形均布荷載，取值為19kN/m。

路面結構簡化為各向同性彈性板結構，軸向剛度為2.5×105kN/m，抗彎剛度為 500kN·m。

填料及土層采用摩爾-庫倫模型模擬，物理力學參數如表1。Plaxis軟件中自帶土工格柵模型，假定為彈性體，力學參數見表2。

表1 土體參數

表2 土工格柵參數

地下水位面處于距離底部10m處。模型左右水平位移為零，底部固定且不透水。

對模型進行網格劃分時，需對填土部分網格進行細化，具體如圖2所示。

圖2 網格劃分

計算中以原山坡的初始應力場為初始階段，并計算初始階段的安全系數。在此基礎上依次考慮開挖、填土（分為加土工格柵和不加土工格柵兩種情況）、施工路面、施加交通荷載，并計算施加交通荷載后的邊坡的安全系數。

3 路面沉降分析

土工格柵對土的加固機理存在于格柵與土的相互作用之中，這種相互作用可歸納為三種情況：格柵表面與土的摩擦作用；土對格柵的被動阻抗作用；格柵孔眼對土的鎖定作用。這三種作用均能充分約束土顆粒的側向位移，從而較大程度地增加土體的自身穩定性，達到提高地基承載力和減少沉降的目的。

計算路基沉降變形時，認為路基在施工過程中由于自重引起的沉降已經完成，所以只需要考慮交通荷載對地基變形的影響。因此下述路面沉降分析中涉及的變形及應力均是指交通荷載對應的附加變形和附加應力。將圖1中的B點設為路面橫斷面的0點，路面橫斷面的沉降如圖3所示。

由圖3可知，由于受路基邊坡臨空面影響，以及不同性質的土層厚度不均的影響，交通荷載作用下，開挖坡腳B點產生的沉降小于路基外緣D點。

圖3 路面橫斷面沉降

同時受半填半挖材料力學性質差異、及土層厚度不均等因素的影響，素土路基即未添加土工格柵時，沉降最大值發生在填挖交界位置。由于路基在該位置強風化層厚度最大，由表1可知，相比回填料和中風化-微風化層，強風化層強度最低。在路基中埋設土工格柵后，最大沉降值減小（圖3）。由此可知，半填半挖路基中埋設土工格柵可以明顯減少路基沉降及差異沉降。

4 邊坡穩定性分析

軟件中邊坡安全系數的計算基于強度折減法。該方法將強度儲備安全系數與邊坡的整體穩定系數統一起來，而且在有限元數值分析中無需事先確定滑動面形狀與位置，因此在實際中逐漸得到廣泛應用。有限元強度系數折減法的基本原理是將坡體強度參數 （粘聚力和內摩擦角值）同時除以一個折減系數F，得到一組新的值，然后作為新的材料參數輸入，再進行試算，利用相應的穩定判斷準則，確定相應的F值為坡體的最小穩定安全系數，此時坡體達到極限狀態，發生剪切破壞，同時又可通過塑性區的發展確定最危險滑動面位置（圖3～5中的亮色區域）。

對施工前原始山坡進行穩定性分析，天然情況下安全系數為1.195，潛在滑動面處在強風化巖層與中風化-微風化巖層交界處（圖4）。

對邊坡進行開挖回填但是回填路基中不埋設土工格柵（圖5），由于受交通荷載的影響，相比原始邊坡安全系數降低，為1.182。由于填料的力學性質與天然地層性質差異較大，潛在滑動面處在填土與巖層交界處，且穿過路堤邊坡的坡腳E點。

埋設土工格柵，路基邊坡的安全系數提高到1.600。同時潛在滑動面深度稍有增加（圖6），處在路堤邊坡坡腳E點一下。深度增加幅度與土工格柵進入挖方段的長度有關。

由此可知增設土工格柵對于提高填挖交界處路基邊坡穩定性效果良好。

圖4 原始山坡（ks=1.195）

圖5 未加筋路基（ks=1.182）

圖6 加筋路基（ks=1.600）

5 填挖交界加筋路堤施工要求

5.1 土工格柵的鋪設

（1）鋪設土工格柵時，其縱軸應與主要受力方向一致，一般指向路堤的橫斷面；

（2）由于土工格柵縱軸是主要受力方向，因此沿縱軸方向不宜設置接頭縫，如避免不開，搭接長度不宜小于0.3m，且用鉛絲綁扎牢固；

（3）土工格柵的鋪設應平順無扭曲，且與下層土體密貼。

5.2 土工格柵的連接和固定

（1）土工格柵沿橫軸向的接縫，可采用塑料帶綁扎，無搭接要求，綁扎間距1.0m；

（2）鋪好的土工格柵每隔1.5～2.0m用勾頭釘固定在地面，以確保鋪好的土工格柵平順，并且與地面密貼。

5.3 回填

（1）為了防止土工格柵被太陽長時間暴曬造成老化，應及時對其進行回填覆蓋。回填料的顆粒粒徑不得大于碾壓層距的一半；

（2）為防止行車荷載對土工格柵造成施工破壞，回填時車輛不能直接行走在鋪好的格柵上；

（3）填土順序應先填土工格柵的兩端，并形成縱向站臺或交通道，然后再依次擴大；

（4）回填土料的表面應用機械或人工找平，局部高差不大于5cm；

（5）回填料碾壓順序應由路堤兩端向中心碾壓，嚴禁出現反向順序，壓路機應順路堤縱向行使，嚴禁出現橫向行使碾壓。碾壓過程中應及時進行壓實度檢測。

6 結論

（1）本項目中，在交通荷載作用下，路基土體力學性質差異、土層厚度不均等因素的影響，路面最大沉降出現在填挖交界處。填方段埋設土工格柵可以減小路基沉降和差異沉降。

（2）與未加筋路基相比，在填挖交界路基中鋪設土工格柵，可顯著提高路堤邊度的穩定性。

（3）天然邊坡常見的最危險滑動面存在于軟硬巖層交界面。路堤邊坡最危險滑動面所在位置與土層及填料性質密切相關。路基中鋪設土工格柵后，最危險滑動面的深度相比未鋪設有所增加。

（4）為確保填挖交界加筋路堤質量，土工格柵的鋪設、連接、固定及回填均應符合設計施工要求。