鋼塑土工格柵加固拓寬路基優化設計研究

周莉莉

（湖南城建職業技術學院，湖南 湘潭 411100）

0 引言

在市場經濟繁榮、城建事業興盛的背景之下，我國居民生活品質明顯改善，旅游出行內需急劇擴大，帶動區域經濟發展的同時也造成了極大的交通壓力，很多公路工程為應對交通量激增問題，紛紛加入了改建拓寬隊列，相應的改建工藝、技術也在不斷完善。鋼塑土工作為加固拓寬路基工程中極為常用的施工材料，得到了眾多施工單位的青睞，有必要對其方案優化、施工優化措施進行深入探究。

1 鋼塑土工格柵主要技術特性

土工格柵是工程建設過程中較為常見的合成類材料，通常用聚乙烯等高分子聚合物制成，主要工藝為熱塑、模壓，最終成品以二維或三維網格呈現。對于路基加固拓寬工程來說，鋼塑土工格柵適用性極好，能夠滿足的應用需求較多，因此也獲得了諸多單位的青睞，綜合來講其技術特性主要表現在以下幾個方面：一是摩擦系數較大，其次其抗拉模量較高，再次是其抗腐蝕、抗老化性能極佳[1]。

2 案例工程概況及幾何模型搭建

本文引入的案例中，原有公路全長為226.47km，共有雙向4 條車道，近年來城建事業推進、生活品質改善，公路面臨交通環境愈發復雜，交通壓力倍增，擬開展改建工程將之拓寬至8 條車道。從已有拓寬工程經驗來看，公路老路基、地基之間受車輛載荷長期作用，通常能夠表現出較好的吻合度，而拓寬部分土體尚未完全固結，在外部多重因素作用下很容易出現差異沉降問題，進而造成縱向裂縫的出現，因此引入鋼塑土工格柵材料對拓寬部分進行加固，以減少差異沉降出現概率，提升工程總體質量。同時，已有研究通常聚焦于拓寬工程病害發生機理、防治手段等，對于土工格柵的設計優化卻關注甚少，相關的設置層數、位置等細節描述也很少，難以為具體的方案設計提供指引，亟需探究和優化。考慮到現實拓寬工程施工規模較大，路基沉降時間較長，很難在短期內提供充足、可靠的試驗數據，因此采用室內模擬試驗方式，輔以現場試驗操作展開研究，實踐環節主要借用FLAC 軟件對案例工程進行建模，模型中老路基寬度為28m，拓寬環節兩側各增加7.5m，工程路基總寬度為42m，深度為35m，借助軟件內部功能細化地基土參數，規定了變形模量、粘聚力等數值。模擬開始后使用Geogrid 單元執行拉拔試驗[2]。

3 鋼塑土工格柵加固拓寬路基方案優化

3.1 土工格柵設置層數分析

模型中路基高度設為4m，引入5 種不同工況對鋼塑土工格柵設置層數進行分析，其中不設土工格柵時，老路堤、新路堤沉降差異為2.6754cm，設置一層時沉降差異有所下降，總量為2.4795cm，以此類推后面的試驗組中差異沉降量均出現了不同程度的下降。這說明伴隨鋼塑土工格柵設置層數的增加，新老路堤差異沉降量會明顯下降，可以通過該種方式緩解拓寬工程縱向裂縫問題，實現設計方案的優化。同時，從圖1 鋼塑土工格柵層數與差異沉降關系曲線圖中還可以發現，這種沉降差異的變化是有規律可循的，在0～1 層之間斜率最大，變化最為急劇，后期層數的增加雖然同樣可以壓縮沉降差異，但整體變化趨緩，因此綜合經濟成本角度分析時，設置一層鋼塑土工格柵即可達到較好的加固效果，如圖1 所示。

圖1 鋼塑土工格柵層數與差異沉降關系

確定最佳設置層數之后，模擬試驗中還對拓寬工程填筑高度進行了展開研究，設置填筑高度為2m 時，差異沉降達到1.5426cm；填筑高度為3m 時，差異沉降達到1.5973cm，后期伴隨填筑高度的增加，差異沉降量逐漸增大，4m 之后變化較為顯著，沉降差異明顯擴大。因此，對于加寬工程中填筑高度在4m 以下的對象，設置單層鋼塑土工格柵即可滿足使用需求，填筑高度超過4m 時，整體沉降系數會受到自重作用，產生異常變大情況，此時可以適當增加鋼塑土木格柵層數，以緩和沉降差異擴大問題，達到經濟效益和質量效益的統一。

3.2 土工格柵布設位置分析

當工程填筑高度超過4m 后，通常推薦增設鋼塑土工格柵層數達到加固緩和目的，但實踐環節不同的設置位置也會對工程質量產生影響，經過模擬試驗發現，第二層土工格柵布設環節，將其放置于路基高度的1/3達到的效果最佳，分析后發現該種情況的出現是有一定機理可循的。主要是由于填筑環節土體重量載荷逐漸增加，格柵、地基土之間正壓力上升，此時車輛等載荷作用給格柵材料施加水平方向的外力，格柵輕微挪移產生抗滑摩擦力，其表面紋路還能起到提升摩擦系數的作用，此時水平變形壓力越大，產生的連接能力也就越強，能夠較好地避免縱向裂紋的出現。而模型試驗中發現，路基高度1/3 處對于水平拉力的反應最為敏感，鋼塑土工格柵可以在外力作用下產生水平變形現象，因此設置于此處是最為恰當的。

3.3 土工格柵布設長度分析

綜合前述試驗結果后，將模型填筑高度設置為4m，鋼塑土工格柵布設層數設置為一層，進一步研究格柵間距、展布長度對加固質量的影響，分別選取4m、4.5m、5m、5.5m、6m、6.5m 以及7m 的設置參數，與路基的錨固長度均設置為2m，分析后發現伴隨長度的增加，差異沉降數值呈現下降趨勢，分別為1.5827cm、1.5814cm、1.5792cm、1.5783cm、1.5769cm、1.5748cm 和1.5731cm，整體的變化情況比較緩和，說明其對加固工程的改善和影響并不明顯。拉拔試驗中還發現，材料受力分布具有一定的內在規律，通常在結合部兩側達到最大值，向外延伸時逐漸衰減，拼接布4m 以內范圍內，這種衰減是極為迅速和明顯的，直到6m 左右的位置，拉拔力量分布逐漸減弱，整體數值已經不足以對穩固度造成影響，因此選擇6m 作為展布長度。此外，鋼塑土工格柵加固拓寬路基工程中，還應結合現場地質條件、實際情況等進行綜合分析，以分析結果為依據把控加固細節，防止風險產生。案例工程中公路土質較為特殊，其結構中路床變形模量可以達到50.6MPa，上、下路堤變形模量分別為26.7MPa 以及14.2MPa，車輛等外力作用于路面時，更傾向于彈性變形，因此在模型底部施加位移邊界條件并觀測水平應力情況，結果發現，模型經過拓寬改造之后，舊有路基邊坡坡腳、新路基結合處受到了極為明顯的拉應力，當這種拉應力持續作用，并超過可承載上限值后，路基將會面臨被拉裂的風險，且拉裂紋一旦出現，公路運行過程中產生的拉應力將會集中至該薄弱處，形成更加嚴重的裂紋，最終表現為路面開裂病害。基于此，實踐中還應重點關注此處的加固工作，額外布設一層鋼塑土工格柵進行防護。

4 鋼塑土工格柵加固拓寬路基施工優化

4.1 施工準備及測量放樣

路基拓寬加固工程施工擾動較大，對地質條件、環境溫度等均有著較高要求，正式施工之前應當展開細致的調查，充分掌握沿線地形、水文等情況，確定路基土成分、性質等，若拓寬部分路基土質穩定性較差，為軟土或淤泥等性質，則需要全面開挖并換土填筑，案例工程中使用了中粗砂材質進行換土，厚度設定為0.2～0.3cm，鋪設完畢后借助壓路機械壓平整，壓實度達到95%以上，注意避開高溫期、雨季等時間段。建立起完善的材料復核、驗收機制，用于加固鋼塑土工格柵應當符合工程強度指標，對于同廠家、批次的格柵材料，以10000m2為標準進行組別劃分，結合需求確定每組抽檢數量，除出廠合格證外，還應對各項指標參數進行核校。現場還應開展載荷試驗，選取3 個以上的試驗點組織作業，承壓板面積維持在1m2以上。土工格柵進場之后做好防護與存儲，避免過長時間的暴曬，防止發生性能變化[3]。

根據設計圖紙開展放樣測量工作，路基邊坡線劃線時，需要適當加寬距離，通常以0.5m 為佳。若現場有舊路拆除需求，則要提前探明地下管線分布情況，結構層拆下之后裝車運送至指定地點，嚴禁在鋼塑土工格柵施工現場堆放。施工范圍內雜物提前清理干凈，使用水泵等工具抽排地面積水，同時設置排水溝降低地下水位[4]。

4.2 鋼塑土工格柵鋪設

路基拓寬加固工程中，填挖交界處差異沉降是造成裂縫病害的主要誘因，實踐中通過鋼塑土木格柵的鋪設可以較好緩解，但施工環節容易造成擾動，工藝技術上還是需要多加關注。開挖環節可以采用臺階法，上臺階高度一般為2.5m，坡度向內并且不超過4%。格柵鋪設之前細致檢查土層表面情況，如果平整度不夠或存在堅硬雜物，則必須進行處理，為防止路堤填料損傷鋼塑土工格柵，還應當規定一定范圍內不準使用大粒徑填料，緩沖區域通常空出8cm 即可，防止格柵被刺破，影響整體施工成效。下承層表面還應盡可能保持干燥，提前設置明渠等排水設施，堅決禁止在泥濘、翻漿的路基表面開展作業，當施工環境溫度較低時，鋼塑土工格柵可能會發生性能上的改變，表層硬度可能有所提升，施工時要多加注意防止割傷[5]。

4.3 填土及壓實施工

鋼塑土工格柵鋪設完畢之后，要及時開展填筑壓實工作，開始時間不能超過48h，推薦采用分層施工方法，一般情況下每層松鋪厚度不能超過30cm，逐層壓實、逐層檢測，通過反復碾壓和高頻次監控確保施工質量，通常來講每100m2的施工范圍內，至少應當選取1 個點檢測壓實度，確認壓實系數滿足要求后方可開展下層施工。注意結合基層土質情況等選擇適宜的碾壓方式，一般情況下禁止使用羊角壓實機械，因為該種機械表面分布有較多的羊角狀突出物，很容易損傷鋼塑土木格柵，必要時可以選用人力機械相結合的方式提升作業效果，通過碾壓試驗等確認最佳碾壓次數、碾壓速度等，試驗路段另行開辟，通常長度控制在200m 左右，對收集回的數據進行審慎分析，最大限度保障壓實質量。案例工程中采用多種機械結合的方式開展施工，初壓環節采用雙鋼輪壓路機，裝設光碾對不平整部位進行碾壓，復壓環節使用機動性較好的膠輪壓路機，多次碾壓提升路基整體的均勻密實程度，最后用鋼輪終壓，整個過程中行進速度保持在合理區間內，檢測壓實度能夠滿足需求[6]。

5 結語

綜上所述，鋼塑土工格柵綜合性能優良，常被用于路基加固拓寬工程之中，實踐時要正視其內在價值，通過細致入微的分析確定最佳布設層數、位置等，協調好格柵長度及間距細節，最大限度促進設計方案的優化。施工過程中則要把控好測量放樣誤差，對選定的鋼塑土工格柵強度指標進行審慎分析，確定其破斷拉力等能夠滿足工程需求，同時做好填土壓實、過渡段處理工作，為路基加固拓寬工程質量的提升奠定穩固基礎。