土工格柵加固綜合管廊周邊填土的性狀分析

田新潤,劉金龍,,祝 磊,肖 赟

(1.安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001；2.合肥學院 城市建設與交通學院,安徽 合肥 230022)

1 問題的提出

隨著國家現代化水平的不斷增加，基礎建設水平、規模以及所涉及到的領域得到了迅速的發展，在大力發展公路改擴建工程[1]的背景下，土工加筋技術作為一種土體加固方式日益得到完善。土工合成材料埋設在土體中形成的加筋土，可通過擴散土體應力、增加土體模量、傳遞拉應力等限制土體位移，提高陡坡的整體穩定性。

土工格柵是一種以聚乙烯、聚丙烯等高分子為基礎材料[2]而生產出來的柔性彈性材料。它因抗拉能力強、受拉狀態下蠕變小、耐腐蝕、使用壽命長、成本低以及施工方便快捷等優秀性能而被廣泛運用于公路、鐵路、橋臺、碼頭、水壩等工程領域。目前，社會上對加筋技術的相關研究主要集中在土體變形分析、穩定性分析、抗震性能等方面。

在道路改擴建工程中，國內已在有關土工格柵加固路基方面上取得較多的成果[3，4]。土體埋設土工合成材料，加筋材料及加筋方式的變化都會對土體的變形和整體穩定性產生一定的影響。王偉等[5]通過增大土工格柵的彈性模量得出，提高筋材模量對昔格達填土地基表面的水平位移有著較大的影響，能夠有效地約束土體的變形。鄧超等[6]研究高架橋下基礎承臺伸入路基上部土體邊，通過鋪設不同層數的土工格柵發現，隨著土工格柵層數的增加，產生的上部路面沉降的作用更加明顯。孫勇[7]運用有限元軟件模擬土工格柵加固軟土路基拓寬工程，結果表明，隨著土工格柵的增加，使得路基的豎向、水平變形得到約束。方詩圣等[8]針對含地下管道對路面破壞影響，有限元模擬得出，布置土工格柵在一定程度上可減少彎沉，隨著土工格柵層數的增加，效果不是相應的加倍。丁龍亭等[9]研究土工格柵處治涵洞路基差異沉降技術得出改進土工格柵鋪設在一定程度上降低路基頂面的不均勻沉降，平緩路基差異沉降曲線。

本文以某道路擴建綜合管廊工程為依托，考察埋設土工格柵對管廊周圍土體變形的影響，為類似工程提供一定的參考。

2 工程概況

某路堤改建工程道路左側臨近高邊坡，邊坡高11 m,坡率為1∶1，右側地面與道路標高一致。由于道路建設久遠，現有功能不能滿足城市化需求，隨著城市的發展進步，需要在道路下方安設綜合管廊用于鋪設各種管道線路。改建方式主要對左側邊坡段進行開挖、管廊鋪設及回填。

具體施工方法為：對土體開挖右側采取階梯式開挖，開挖完成后進行管廊的施工，完成后由下而上采用粘性土回填土進行逐層回填，加固方式采用鋪設土工格柵的形式，每鋪設一層，需要對回填土進行夯實后方可進行下一步的工序。

路段開挖深度H為7.0 m，地表開挖寬度為21.31 m。綜合管廊為預制構件，標準段管廊尺寸為8.0 m×4.0 m，兩側外墻厚度為0.35 m，內墻厚度0.25 m，左右兩艙室凈高為3.3 m，地板和頂板厚度均為0.35 m。在綜合管廊正下方鋪設100 mm素混凝土保護層。以該工程為依托建立有限元模型，進行土工格柵對綜合管廊周邊填土的影響進行優化分析。工程路段剖面示意圖1所示。圖中n為管廊左側土工格柵埋設層數，S為埋設間距。

圖1 工程路段施工后剖面示意

根據地質勘察資料，場地巖土層從上到下依次為原路基土、可塑黏土、硬塑黏土，下伏基巖為白堊系全分化、強分化和中分化砂巖。砂土狀全分化～強分化砂巖分化強烈，巖體較破碎，遇水水易軟化，使得巖體強度降低。開挖段位于原路基土和可塑黏土中。

3 模型建立

3.1 數值計算模型

采用大型有限元軟件Plaxis 建立路堤擴建綜合管廊、土工格柵加固土體的二維數值模型，進行土體-土工格柵-綜合管廊耦合作用的分析。為消除模型邊界的影響，特選取計算模型高度為25 m，寬度為54 m。在模型底部采取固定約束，模型左側豎直段和右側采取水平約束，地表、邊坡和堤腳水平處不設約束。

圖2 有限元網格劃分

表1 HSS本構模型物理力學參數

工程中安裝的預制混凝土結構綜合管廊用板單元模擬，其混凝土強度為C30，重度25 kN/m3,彈性模量設置為3×104MPa，泊松比v=0.20；土工合成材料用Plaxis軟件中自帶的土工格柵單元模擬。

針對土工格柵的有限元分析模型主要有三種模擬方法[11]：①把土工格柵和土體看成兩個部分，土工格柵與土體之間設置界面單元，通過它們之間的力學性能起到土體加固作用；②把土體及土工格柵看成整體進行分析；③把土工格柵看成外部荷載施加在土體上。此計算模型采用在土體與土工格柵之間設置界面單元進行分析。在plaxis中單元間的應力傳遞主要取決于用參數Rinter表示的界面強度[12]，它反映了單元間相互作用的強度。單向土工格柵的多孔特性，能有效地與土體相互作用，產生較大的摩擦，形成剛性較大的回填層，故此取Rinter=1。

3.2 計算工況

按照具體施工過程，對模型進行的簡化計算工況如下：

(1)初始階段。初始由于土層不是整體平面，所以用“重力加載”的方式進行初始地應力平衡。

(2)開挖階段。對開挖區進行逐層開挖。

(3)墊層激活。綜合管廊預安設位置下方鋪設100 mm素混凝土墊層,并位移清零。

(4)管廊激活。在素混凝土墊層上方安設綜合管廊。

(5)回填。回填的過程中遵守逐層回填原則每層攤鋪厚度為200 mm,每攤填一層后進行壓實，根據要求[13]管廊回填土壓實度為97%，壓實結束后再進行攤填，直至回填到原地表。

4 加筋效果分析

4.1 土工格柵間距S對土體的影響

控制加筋層數n=6及初始軸向剛度EA=1000 kN/m不變的情況下，對不設土工格柵以及加筋間距0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.2 m進行對比分析。研究筋材間距的布設變化對該工程的邊坡段和回填段的影響如圖3和圖4所示。其中邊坡段首層土工格柵布設于開挖底層0.2 m處，回填交界處土工格柵布設于管廊上方0.2 m處。

圖3 管廊左側地表豎向沉降分布

圖4 A-A豎向斷面處土體水平位移分布

圖5 無加筋豎向沉降等值線分布(單位：mm)

圖6 加筋豎向沉降等值線分布(單位：mm)

從圖3和圖4可見，管廊左側土體隨著土工格柵埋設間距的遞減，最大豎向沉降和水平位移分別從190.12 mm、52.01 mm減少到136.95 mm、26.21 mm,下降幅度分別為27.96%和49.61%。數據對比分析可得，縮小間距使得土工格柵對周圍土體的約束作用得到了明顯的加強，減小了土體的變形。

圖7 無加筋水平位移等值線分布(單位：mm)

圖8 加筋水平位移等值線分布(單位：mm)

隨著不埋設土工格柵到埋設間距1.2 m的變化過程中，管廊左側土體水平與豎向沉降曲線圖俱變成“勺”形，曲線坡度隨距管廊中心位置愈來愈緩。

圖5～8為加筋與不加筋土體變形的等值線圖，從圖中直觀的發現，土工格柵的埋設能通過改變土體變形的發展趨勢，減小回填土變形。

綜上所述，土工格柵鋪設的間距不是越小就會越安全。加筋過密會造成“超筋土”現象，產生的效果遠沒有“適筋土”效果好。充分發揮土工格柵抗拉強度的優點的同時，選用合理的鋪設層數是土工格柵研究的重點。

4.2 土工格柵剛度EA對土體的影響

設置土工格柵S=1.0 m、n=6不變，以EA=1000 kN/m為初始軸向剛度，對土工格柵軸向剛度1200 kN/m、800 kN/m、600 kN/m進行對比分析，研究單向土工格柵軸向剛度改變對綜合管廊周邊土體變形的影響。

由圖9和圖10可見，管廊左側土體最大豎向沉降從154.52 mm減少到136.46 mm，減少幅度為11.69%；最大側向位移從39.64 mm減少到34.82 mm，減少幅度為12.16%。隨著土工格柵軸向剛度的增加，可明顯的減少邊坡處土體的豎向沉降及側向位移。通過對比-3～-4 m范圍內土工格柵變形情況，可見土工格柵軸向剛度的變化對其搭接處的約束作用可忽略不計。

圖9 頂層土工格柵豎向沉降分布

圖10 頂層土工格柵水平位移分布

綜上所述，改變土工格柵模量，在宏觀上對豎向沉降起到的效果最為明顯，但是在減少幅度方面發現，改變土工格柵的模量對水平位移起到的作用優于豎向沉降。與郭銘培等[15]通過增大土工格柵模量，減少加筋路堤水平位移，提高路堤整體穩定性的結論基本一致。

4.3 土工格柵層數n對土體的影響

加筋設計時要考慮到土工格柵鋪設數量的合理性。加筋數量的增加或許可以在一定程度上可以增大土層綜合性能，可過于密集的布設，會導致部分土工格柵發揮的錨固能力較小，造成較大的資源浪費，即增加了施工的工序，延長了工期，又增大工程造價。為了探索加筋層數對該回填工程的影響，在加筋間距S=1.0 m、單向土工格柵軸向剛度EA=1000 kN/m為初始模量的前提下，對土工格柵鋪設數量n進行分析。

由圖11和圖12可知，在加筋層數遞增的過程中，管廊左側土體距離隨著距離管廊中心位置距離的增加，各點土體變形明顯減少。土體水平位移曲線呈“鼓”狀發展，隨著繼續增加土工格柵層數，水平位移減小的幅度劇降低。

圖11 管廊左側地表豎向沉降分布

圖12 A-A豎向斷面處土體水平位移分布

綜上所述，超過一定的加筋數量會使得加筋效果不再顯著。該道路改擴建項目最合適的加筋層數為5層，該鋪設方案兼顧了土工格柵的加固能力、施工難度和工程成本。

5 加筋工況對穩定性的影響

圖13為未設土工格柵的管廊左側土體潛在滑動面云圖。此時邊坡潛在滑移面位置靠近邊坡外側，安全系數為1.03，在邊坡工程規范[16]里屬于“欠穩定狀態”。

圖13 無加筋滑移

圖14～16為加筋間距、模量和層數對安全性影響的關系圖。由圖可見，管廊左側土體安全系數在隨著土工格柵的間距、模量和層數的增加而增加，安全系數最高值能夠達到1.6，有效地增加了邊坡的整體穩定性。

圖14 加筋間距對安全系數的影響

由圖16可知，土工格柵埋設層數為1、2、3時，安全系數大于1.05，處于基本穩定。層數大于3層后，處于穩定狀態，鑒于該道路的重要性及土工格柵最大錨固能力可得，土工格柵埋設5層較為合理。

圖16 加筋層數對安全系數的影響

在復雜地質條件下，無法進行分級施工，且對于安全性要求較高的邊坡，可以優化土工格柵的模量和層數的來達到整體穩定性的要求。

圖15 加筋模量對安全系數的影響

6 結論

(1)土工格柵的埋設能夠很好地抑制土體的豎向和水平變形，可埋設間距過密產生的“超筋土”并不能達到理想值。

(2)通過對加筋間距、模量和層數可以得出該道路改擴建工程采用S=0.8 m、n=5和EA=1200 kN/m的加筋工況較為合理，既能充分發揮土工格柵的抗拉力學性能，也能兼顧施工工期和工程預算。

(3)對重要程度不同的邊坡工程，可通過增加土工格柵埋設層數有針對性地提高邊坡的整體穩定性。

(4)通過對加筋工況對比分析，可知加筋模量對該工程土體變形效果較為顯著，而加筋層數對土體的約束效果較弱。