填挖交界路基穩定性控制技術研究

郭 鵬， 郎志軍， 黃林超， 郜現磊， 李國琛

(中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004)

1 土工格柵加筋法

土工格柵加筋法是通過摩擦和鎖定來提高路堤土的性能，它是土工材料在巖土工程中應用最為普遍的方法之一，也算是路堤加固中行之有效的方法之一。

圖1 土工格柵現場鋪設圖

目前，常用的土工格柵有整體成型土工格柵、焊接成型土工格柵、鋼塑成型土工格柵三種。

1.1 整體成型土工格柵

整體成型土工格柵主要包括單向土工格柵、雙向土工格柵，如圖2所示。后者是各種各樣的高分子聚合物經過一系列

圖2 整體成型土工格柵

的擠壓變形、成板后沖孔、拉伸等各項操作之后制成，該材料具有非常大的拉伸強度，在實體中也能夠起到分擔力的作用，比較適用于大面積永久性承載的地基。

1.2 焊接成型土工格柵

焊接成型土工格柵主要是由具有高強抗拉特性的聚乙烯制成的塑料條帶，然后經過縱橫交錯焊接而成，如圖3所示。

圖3 焊接成型土工格柵

1.3 鋼塑成型土工格柵

鋼塑成型土工格柵主要由鋼絲和塑料合成之后，再復合成鋼塑帶，再采用焊接的方式制成，如圖4所示。

圖4 鋼塑成型土工格柵

2 土工格柵加筋機制

為了克服天然土體抗拉強度不足的缺點，把土工合成材料加入到土體之中，會起到良好的加固土體作用，這項技術就是加筋土技術。大量研究表明，在土體中按照一定方向鋪設具有較高拉伸模量和抗拉強度的土工合成材料，可以快速增強整體土體的穩定性、加強土體的強度、減小土體的不均勻沉降，可以限制土體進行水平位移。土工格柵在高填方路堤中的基本作用主要包括隔離、加筋、防護三個方面。隔離作用表現為鋪設土工格柵可將高填方路堤中的不同材料，或者是不同粒徑的填料快速隔離開；加筋作用則表現為可改善土體的整體受力條件，進一步增強路堤的整體強度與穩定性；防護作用主要表現在傳遞應力，它能起到良好的防護作用，以避免發生破壞。它具有較大的抗拉強度、耐酸堿性較強、抗老化效果顯著，這樣的話能夠延長土工格柵在土體內部的使用壽命。綜上所述，土工格柵能夠對土體產生一定的約束作用，從而減小土體發生滑移的情況，削弱應力集中的現象，進一步加強土體整體的抗拉能力，降低了路堤發生拉裂的概率。

3 土工格柵在填挖交界處的應用

3.1 臺階開挖方式對土工格柵鋪設的影響

在填挖交界處需要開挖臺階，為了確保填方與挖方有不錯的咬合力，挖方端格柵鋪設長度要大于2 m，一般來說，包含以下幾種情況：

(1) 當出現原地面坡度大于1∶2之時，如果要以臺階寬度2 m作為控制基準，臺階高度肯定要高于1 m，土工格柵鋪設間距也會隨之增大，甚至會導致出現裂縫局面，或者塌陷，一般需要立即采用強夯的方式處理；若以臺階高度1 m的話，寬度必將在2 m之下，可能會發生滑移，這將使路堤的穩定性發生變化，所以一定要快速改善錨固方案。如圖5、圖6所示。

圖5 土工格柵錨固俯視圖

(2) 當原地面坡度等于1∶2之時，可以將臺階設置寬度為2 m，高1 m，縱向坡度為4%比較合適，這樣既滿足2 m的錨固要求，土工格柵鋪設控制在1 m間距，此種情況下土工格柵的作用可以得以展現。

(3) 當原地面坡度小于1∶2之時。臺階將無法開挖成標準的形式，結合一下實際的具體情況，可以將臺階寬2 m作為控制指標，再確定好原地面坡度，并設置出適宜的臺階高度，一般情況下，可以選擇多個臺階鋪設一層土工格柵的布置方式，如圖7所示。

3.2 土工格柵在填挖交界處不同鋪設方案的有限元分析

由于填挖交界處特別容易出現各種各樣的常見問題，因此，需要盡快采取臺階法與土工格柵鋪設相結合的方式，在工程之中應用地非常普遍。大多鋪設方式為等間距鋪設，對于不同的填挖交界路基，所采取的土工格柵加筋效果也不盡相同，因此，在具體填挖交界工程中土工格柵的鋪設方案的研究非常有價值。

云南華麗高速公路段處自然邊坡坡度為1∶1.5，臺階寬度為5 m，挖方段鋪設長度為5 m，填方段采用全長鋪設方式等，可以依據具體的參數與模擬數據分析，并詳細記錄不同的鋪設方案對路堤穩定性所產生的具體影響。

3.2.1 不同鋪設層數的加筋效果

采用1 m間距，通過模擬數據，如圖8所示，可以清晰地看到鋪設第一層土工格柵時，安全系數圍繞在1.30，而最初路安全系數是1.24，這能夠充分說明土工格柵在填挖交界處的使用效果是非常顯著的。

圖8 不同鋪設層數對路堤穩定性影響

由圖8可知，不同強度的土木格柵對路堤整體的穩定性影響是有所不同的。當豎向鋪設間距保持不變之時，鋪設層數與路堤的安全系數成正比；當土工格柵鋪設超過6層時，路堤安全系數趨于平穩?？傊ㄗh在1 m鋪設間距條件下鋪設6層土工格柵。

3.2.2 不同鋪設間距的加筋效果

不同的格柵鋪設間距所發揮的加筋作用往往效果不一樣，需要對原模型進行土工格柵不同鋪設間距下的有關模擬分析。將路基頂部到H/2路基的位置之處作為鋪設范圍，鋪設間距以0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m，對填挖交界路堤進行有關模擬分析得知，格柵抗拉強度變化對路堤安全系數影響不算大，然而鋪設密度卻對其有著非常大的影響，如圖9所示。當格柵豎向間距超過之3 m時，路堤的安全系數不能夠滿足穩定安全性，因此，應該控制格柵的豎向間距在3 m范圍以內，間距在1 m之內時，加筋效果比較明顯。

圖9 鋪設密度與安全系數關系

綜上考慮，土工格柵鋪設豎向間距最好在1 m以內，以減小填挖交界路堤失穩的概率，本次采用格柵鋪設豎向間距0.5 m的施工方案，加筋效果顯著。

4 加筋對路堤壓實度的分析

通過擊實試驗發現鋪設土工格柵可以增加土體的壓實度與抗壓強度。在相同擊實能量下，未加筋土體的壓實度為82.6%時，加筋的土體的壓實度為88.7%。推廣到實際項目工程之中，在路堤中鋪設土工格柵可以通過格柵的水平傳遞作用，將壓實能量傳遞開來，在較大范圍之內能夠快速轉化為土體的內能。

當加筋土體在受到法向應力作用時，格柵會產生彎曲后變形的情況，并且會有垂直向下運動的趨勢，但兩側的格柵由于與土體之間產生摩擦，會限制其向下的運動。準確地說，土工格柵與土體相互的摩擦力的垂直分力有利于土體的壓實，水平分力會指向擊實點，這樣會有利于約束土體的側向位移。通過對加筋土體的不斷進行壓實，應力應該會逐漸擴散，慢慢地使邊緣土體也會得到有效的壓實，同時隨著邊緣土層也有向中心運動的趨勢，這在一定程度上提高了路堤的壓實度，從而增強了路堤的整體穩定性。

5 強夯法作用原理及相關應用

在填筑交界之處大多數為高陡路堤，而高陡路堤施工完工后容易發生沉降的概率較大，因此，對其壓實度要求較高，一般情況下，可以采用強夯處理填挖交界的路堤，可快速提高路堤的穩定性。強夯法處理方法由法國工程師梅納德于1969年提出，因其施工簡便、施工效果顯著，已在我國廣泛采用。

5.1 強夯機制

強夯法處理是將一定高度自由落體的重錘動能轉換為夯擊能，使土體性能發生變化，還能使土體內部更加緊密，進一步加強密實度。具體而言，強夯處理法利用動能轉換的夯擊能在振密作用的情況下，將土體液化后，通過固結排水改變土體內部的滲透性，最終形成薄膜水，從而達到加固目的。強夯法可使夯擊能在短時間內以體波和面波的形式快速進入土中，體波對堤防加固起到主要作用，體波由夯擊點沿半球形波沿路堤向下傳播，對路基土產生壓縮和剪切作用，使土體產生壓密固結。強夯處理法對不同類型土壤的作用可以分為動力加固作用與動力夯實作用。前者主要針對黏性土，一般通過使土體液化后固結，以減少土體內的孔隙最終達到加固的目的。

5.2 強夯施工參數的確定

強夯法加固效果主要與夯擊能、夯擊次數、夯擊點距離、單層夯實厚度及夯錘面積等參數息息相關。一般對于強夯處理路基不均勻沉降，土體孔隙很大，大部分與大氣相通，夯土的孔隙比較大，對于強夯用于處理路基不均勻沉降，通?？梢院雎?。

5.2.1 單點夯擊能量

研究結果表明，填筑材料可以經受得住較大的沖擊荷載，并且高能級強夯的影響深度和作用范圍遠高于低能級強夯。在選擇單點夯能時，要考慮加固填方高度、結構安全等因素，既要避免能量浪費，又要保障下方結構的安全。一般采用三腳架和門式起重機施工之時，落距可以達到25～40 m，而選擇用履帶式吊機施工之時，一般情況下，落距在8～25 m。因此，在有效加固深度大于10 m之時，應該選擇大于18 t的錘重，反之錘重宜選10～18 t。根據設計加固深度6 m的要求，該試驗段選擇了14.5 t,13.8 m，夯擊能量為2 000 kN·m，加固效果良好。

5.2.2 夯擊次數

一般夯土次數通常以夯坑壓縮量最大和夯坑周圍隆起最小為確定原則。當前，采用現場試夯的夯擊次數與夯沉量的關系曲線來確定，根據以上試驗得知，最適宜單點夯擊次數為6～7次，此時夯沉量已經趨于穩定狀態，一般以連續夯沉量與夯沉量的關系曲線確定。

5.2.3 夯擊點距離

在夯擊點間距較遠的情況下，不能確保每個夯擊點間的土體得到有效加固，而當夯擊點間距較近之時，后續強夯往往會降低前期夯擊效果。因此，通常選擇夯點布置在4～10 m。

5.2.4 單層夯實厚度

單層夯土厚度的重要依據是有效加固深度。通常選擇強夯有效加固深度作為單層夯擊厚度的選取標準。

6 抗滑樁支擋技術研究

6.1 防滑樁類型

6.1.1 半埋式和全埋式抗滑樁

為了確保填挖交界堤防的穩定性，按樁在邊坡中的埋設實際情況，抗滑樁可分為半埋式和全埋式兩種方式。前一種方式是指埋入土中的抗滑樁部分有一半樁長深，此法具有減小挖深的優點，開挖深度不深，從而對不良地質的影響很小，操作成本低；缺點是提供抗滑力不足。后一種方式是指將抗滑樁全部埋入土體內部，一般可根據樁長確定挖孔深度，并考慮經濟因素。

6.1.2 鋼樁和鋼筋混凝土樁

根據抗滑樁材料組成各不相同，抗滑樁主要包括鋼樁和鋼筋混凝土樁。鋼樁的施工費用比較高，并不適用于大范圍的施工，而鋼筋混凝土樁具有不錯的抗滑性，相對而言，算是比較經濟適用的。

6.1.3 圓樁和矩形樁

依據樁體截面形式的不同，抗滑樁可分為圓樁和矩形樁。由于矩形樁的整體性能較好，通常情況下會采用此種形式的抗滑樁。

6.2 抗滑樁受力特性及機制分析

抗滑樁由于施工簡單、操作周期短、適應性較強、抗滑能力強，在邊坡支擋工程中得到最為廣泛的應用。樁間土拱為摩擦受力，而樁前土拱則是樁身上部的滑動動力，一般情況下樁前土拱為樁身上部的滑動荷載。在樁間凈距和樁截面尺寸一定的情況之下，樁后土拱承載與樁身黏聚力呈反比關系，對基本參數而言，樁間土拱承載比例與樁身黏聚力正比。

7 結束語

綜上所述，在公路施工中應用土工格柵加筋可以更好地處理路基，增強土工格柵加筋優化處理，讓其發揮出最大的作用，從而提高整個公路工程的施工質量水平。