公路改擴建工程中土工格室加固效果及影響參數分析

薛洋

作者簡介：薛 洋（1985—），工程師，主要從事路橋設計工作。

摘要：為研究土工格室的加固效果以及設計參數對路基變形及沉降的影響，文章采用有限元軟件建立拓寬路基數值模型，針對土工格室的加固效果、鋪設層數、鋪設寬度以及筋材模量對路基變形的影響進行對比分析。結果表明：鋪設土工格室可有效改善新舊路基的水平變形和差異沉降，使得應力分布更為均勻;路基的水平位移和差異沉降均隨著土工格室鋪設層數的增加而減小;增大鋪設寬度可降低路基的水平位移和差異沉降;增大筋材模量可以降低新路基的水平變形和差異沉降，但同時也會增大老路基的差異沉降。綜合來看，土工格室鋪設層數選擇3層、鋪設寬度控制在50%左右、筋材模量選擇20 GPa的經濟性和處治效果更好。

關鍵詞：公路改擴建;土工格室;加固效果;設計參數

中國分類號：U412.22+2A260964

0 引言

近年來，土工格室因具有抗沖蝕、材質輕、耐磨損及施工簡便等特點，逐漸替代傳統土工材料應用在我國公路改擴建工程中[1]。但早期的土工格室由于設計偏于保守，導致部分拓寬工程出現新舊路基拼接質量問題，給公路的安全運營帶來了風險[2]。因此，如何有效解決土工格室設計缺陷以及提升其處治效果，已成為當下學者研究的重要課題[3-4]。

目前，國內外學者對土工格室的應用展開了大量研究，如王選倉等[5]通過離心模型試驗，分析了未加筋及不同加筋情況對路基沉降和穩定性的影響;彭賢清等[6]針對不同高度、不同彈性模量以及不同形狀的土工格室擋墻進行不同的工況設計，提出了一種最優的土工格室選型;趙明華等[7]發現在一定范圍內改變加筋體的復合彈性模量、樁土剛度比、上下界面摩阻系數比等因素可以起到調節雙向增強復合地基網下樁土應力比和降低格室體沉降的作用;邱毅等[8]研究了土工格柵和土工格室在公路拓寬工程中的應用技術，并提出了土工格柵-格室組合加筋方案。土工格室作為一種新型土工材料，在公路改擴建工程中的應用研究正處于不斷完善的階段，而關于土工格室的設計參數還缺乏系統性的研究。基于此，本文針對土工格室加固拓寬路基的效果進行了分析，并進一步討論了土工格室鋪設層數、鋪設寬度以及筋材模量對拓寬路基水平變形和差異沉降的影響，提出了相對合理的參數設計值，以期為類似改擴建工程提供參考。

1 工程概括

某公路改擴建工程原道路為二級公路，車道設計為雙向兩車道，最高行駛速度為80 km/h，路基寬度為12 m，路線長度約為37.472 km。現由于交通流量的日益增長，原道路設計標準已無法滿足通行需求，部分路段頻繁出現車轍、裂縫，甚至塌陷等嚴重病害，給該道路的安全運營帶來了較大風險。為解決原通路各種病害和通行壓力大等問題，計劃對原道路進行升級改造，將道路二級公路設計標準提升為一級公路設計標準，路基寬度由原設計值12 m增至24.5 m，車道由雙向兩車道增至雙向四車道，設計速度為100 km/h，路基高度由5 m增至6 m，邊坡比保持1∶1.5不變。該項目拓寬方式主要采用雙側等寬度加寬，兩側各加寬6.25 m，部分路段受地形限制采用單側加寬12.5 m方式。公路擴建新舊路基搭接問題采用鋪設土工格室方案，土工格室與臺階搭接長度為2 m，共鋪設4層。拓寬路基截面如圖1所示。

2 數值建模

運用ABAQUS軟件建立拓寬路基有限元分析模型，模型中路基采用平面應變單元CPE4模擬，地基土采用流固耦合單元模擬，計算高度取26.5 m，寬度取50 m，共包含1 328個單元和1 512個節點。其有限元模型如圖2所示。

在計算模型中，地基可視為半無限空間體，同時對模型底部進行水平和豎直向約束，兩側進行水平位移約束，上部為自由界面。為更好地模擬路基實際變形情況及保證計算結果的精準性，對模型做出以下假定：（1）路基可視為平面應變問題處理;（2）新舊路基搭接良好，接觸面完全連續;（3）路基和地基均視為均質且各向同性的理想彈塑體;（4）地基土自重應力作為地基初始應力;（5）地表為透水邊界，地基變形采用孔壓單元計算;（6）路面結構層均等效為1 m填土;（7）土工格室與內部填料視為一個整體，均視為線彈性結構層，且滿足線彈性條件。拓寬路基土體包括原路基和新路基填土，地基土層主要包括2.5 m厚軟土層、8 m厚軟黏土層和10 m厚基巖層。其計算參數如表1所示。土工格室計算參數如表2所示。

3 土工格室加固效果分析

為驗證土工格室對拓寬路基的加固效果，運用有限元軟件分別建立未鋪設及鋪設4層土工格室加固的拓寬路基計算模型，并針對拓寬路基的位移及應力變化規律進行對比分析。

3.1 位移分析

經計算，得到未加固和加固模型路基頂面的水平位移與沉降最大、最小值（如表3所示）。

根據表3可知，拓寬路基鋪設土工格室后，路基頂面的最大水平位移值減小了20%，說明土工格室對于處治新舊路基的水平變形具有優良效果。原因是土工格室的鋪設增強了路基水平向的受力，限制了路基的側向位移。未鋪設土工格室的路基頂面差異沉降為3.51 cm，鋪設了土工格室的路基頂面差異沉降為3.16 cm，最大差異沉降減小約10%，說明土工格室對于改善新舊路基的差異沉降同樣具有優良效果。

3.2 應力分析

經計算，得到未加固和加固模型路基頂面的水平應力與豎向應力最大、最小值（如表4所示）。

根據表4可知，拓寬路基鋪設土工格室后，路基頂面最大水平應力降低了23%左右，水平應力差減小了近37%，說明土工格室的鋪設可以有效消除新舊路基間的水平應力差，使得路基頂面的水平應力分布更為均勻。未鋪設土工格室的路基頂面豎向應力差為8.5 kPa，鋪設了土工格室的路基頂面豎向應力差為14.4 kPa，最大豎向應力差減小了40%左右，說明土工格室可有效改善新舊路基的豎向應力分布情況，從而降低了路基由于應力集中而產生破壞的可能性。

4 土工格室影響參數分析

土工格室的鋪設層數、鋪設寬度及筋材模量等設計參數均會對其加固效果產生影響。為確定合理的參數設計值，分別建立不同土工格室參數設計的拓寬路基計算模型，并針對拓寬路基的變形及沉降變化規律進行對比分析。

4.1 鋪設層數

為確定拓寬路基土工格室合理的鋪設層數，分別選取鋪設0、1、2、3、4層土工格室的拓寬路基進行變形及沉降分析，結果如圖3所示。

根據圖3知，隨著土工格室鋪設層數的增加，路基頂面的水平位移和豎向沉降均呈減小趨勢變化，說明增加土工格室鋪設層數可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降。其中，鋪設3層和4層土工格室的路基最大水平位移分別減小了20%和23%，最大沉降分別減小了3%和3.6%，說明土工格室鋪設層數超過3層后，其處治效果不大。同時，綜合經濟性的考慮，建議拓寬路基選擇鋪設3層土工格室的加筋效果相對較優。

4.2 鋪設寬度

為確定拓寬路基土工格室合理的鋪設寬度，分別選取鋪設0、25%、50%、75%、100%土工格室的拓寬路基進行變形及沉降分析，結果如圖4所示。

根據圖4可知，隨著土工格室鋪設寬度的增大，路基頂面的水平位移和豎向沉降均呈減小趨勢變化，說明增大土工格室鋪設寬度可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降。其中，土工格室鋪設寬度由0增至50%時，路基頂面的最大水平位移值和沉降值減幅較大，而鋪設寬度超過50%后，路基頂面的最大水平位移值和沉降值減幅逐漸平緩，說明土工格室鋪設寬度控制在50%的處治效果最好。同時，結合施工成本的考慮，建議拓寬路基選擇鋪設50%拓寬寬度的土工格室加筋效果相對較優。

4.3 筋材模量

為確定拓寬路基土工格室合理的筋材模量，分別選取筋材模量為5 GPa、10 GPa、20 GPa、30 GPa的拓寬路基模型進行變形及沉降分析，結果如圖5所示。

根據圖5可知，隨著土工格室筋材模量的增大，新路基的水平位移和豎向沉降均逐漸減小，整體減幅較小，而原路基的豎向沉降會隨之增大，但原路基的水平位移基本保持不變。由此說明，增大筋材模量可以降低新路基的水平變形和差異沉降，但同時也會增大原路基的差異沉降，且筋材模量越大，工程造價也會越高。因此，從施工經濟性和處治效果兩個方面考慮，土工格室的筋材模量不必太高，滿足工程強度設計要求即可，而拓寬路基建議選取土工格室筋材模量為20 GPa的處治效果最佳。

5 結語

本文通過運用軟件模擬分析了土工格室的加固效果，以及不同鋪設層數、鋪設寬度和筋材模量對拓寬路基變形及沉降的影響規律，得到以下主要結論：

（1）拓寬路基鋪設土工格室后，路基頂面的最大水平變形降低了20%，最大差異沉降降低了10%，水平應力差減小了近37%，最大豎向應力差減小了40%左右。

（2）增加土工格室鋪設層數可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降，建議拓寬路基選擇鋪設3層土工格室的加筋效果相對較優。

（3）增大土工格室鋪設寬度可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降，建議土工格室鋪設寬度控制在50%的處治效果最好。

（4）增大筋材模量可以降低新路基的水平變形和差異沉降，但同時也會增大原路基的差異沉降，且筋材模量越大，工程造價也會越高，建議選取筋材模量為20 GPa的土工格室。

參考文獻：

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