道路改擴建工程土工格室參數優化設計的有限元分析

馬 莉

（甘肅會方工程設計咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

在市政道路工程中面對舊路基沉降問題，通常以鋪設土工格加固的方式予以處理。不同的研究者提出了不同的解決方案，有的提出從筋材性質和形狀角度解決問題，也有提出針對土工格室不同層級加固不同數量筋材角度解決問題，更多研究者提出了從土工格填充物角度試用沖擊碾壓方法來處理填充土，這些辦法都取得了很好的經濟和質量效果[1]。然而，土工格室的設計還有優化空間，本文建立ABAQUS有限元分析模型，試圖利用先進的計算機技術對土工格室高度、層數、間距等參數進行優化設計，為工程應用提供理論支撐。

1 工程概況

某市內道路需加寬擴建，初始道路橫向寬度10m，雙向兩車道，路基高度5m，路旁邊坡比例為1:1.5。經研究后，加寬工程初步設計為：對道路一側路基進行拓寬，其臺階被挖掘暴露，挖掘深度為4層，每層1.2m。挖掘外圍臺階距離為1.5m，回填物是黏性土，每層臺階回填30d。回填工作完成后設置土工格柵以穩固臺階，并用黏性土回填土工格柵并碾牢回填物。工程改擴建完畢后，道路橫向寬度從10m加寬為18m，雙車道升級為4車道，而道路路基高度從5m升到6m，路旁邊坡還是1:1.5。具體拓寬工程橫截面示意圖如圖1所示。

圖1 路基橫截面工程示意圖

2 土工格柵施工流程

土工格柵施工流程為：施工前準備—土工格柵布置和掛網—填充物填充—壓實平整充填物—檢查整理[2]。

2.1 施工前準備

施工場地中臺階被挖掘暴露后要盡量平整土面，剔除大塊物體或尖刺狀物品，臺階中土質物要壓實。在施工前要先選取土工格材料以及確定尺寸，并檢查土工格質量，通過拉伸進行強度測試，該工程中要求土工格的極限拉伸強度和抗剪強度為16kN。制作直徑d≥2.5mm的U形釘子，釘子要做好防水銹蝕和鋅度工藝。

2.2 土工格柵布置和掛網

首先要把土工格柵展開并確保拉伸勻稱并無冗余，確定每一部分土工格柵寬度后，用U 形釘子進行固定，在填充物回填后要確保完全覆蓋土工格柵和U形釘，避免其與外界環境接觸。另外，橫向鋪設過程中兩部分土工格柵需要用8號鐵絲銜接固定。即土工格柵底部應平鋪不卷曲重疊，橫向由鐵絲銜接，頂部由U型釘固定。

2.3 填充物填充并壓實

首先要確定土工格柵無損壞，檢查完畢后開始填充黏性土，土工格柵上部填料最少要覆蓋10cm 以上。填充30cm高，用填土機平整填充物后再壓實，先檢查上一工作環節的填充效果，符合要求后開始平整碾壓，按照先外圍后中部順著公路方向碾壓，一邊碾壓一邊平整，先慢后快的速度來進行，壓實度控制在90%上下。

2.4 檢查驗收

工程施工完畢后，要檢驗其施工質量是否符合工程相關規范要求。

3 實驗模型建立與分析

根據土工格柵施工流程，建立實驗模型，分析土工格室高度、層數、間距等參數對地基層的加固強化效果。

3.1 模型建立

運用工程模擬軟件ABAQUS 來建立市政道路改擴建的模型，舊路基和新加路基在軟件中用四節點單元節點來代替，模型一共涵蓋282個單元和313個節點，具體模型如圖2所示。

圖2 改擴建道路有限元實驗模型

在實際工程中，影響土工格柵施工效果的因素很多，為了驗證各因素對施工效果的影響關系，在模型設計時，對相關因素作理想化的設定。假設環境溫度及濕度固定不變，道路路堤為理想平面模型；新設路基和舊地基為理想彈塑狀態；各施工材料質地均勻且填充粘合度理想；新路基與舊路基完美銜接且平整無斷裂。在新路基底部存在前后移動限制和上下移動限制，舊新路基兩側也存在平移限制[3]。因此，計算參數主要考慮舊路路基、新增路基、結構表層、填充土層、路基部分及土工格室內等類別[4]，其物理力學參數如表1所示。

表1 模型參數

3.2 模型分析

3.2.1 土工格室高度與加固效果

在ABAQUS軟件模型里，如果把土工格室高度分別設定為5cm、10cm、15cm，觀察并統計新路基水平方向偏移幅度和豎直方向改變幅度，如圖3所示。由圖3可以看出，如果土工格室高度變高，新路基水平方向偏移幅度降低了9.8%、15.6%、23.1%；豎直方向偏移幅度分別降低了9.2%、13.1%、18.6%。這說明土工格室越高，路基穩固性能越好。但土工格室不能無限加高，要結合工程實際情況和施工材料材質以及造價等進行具體選擇。一般來說，若填充物體積偏大，土工格室高度應增加；填充物體積偏小，土工格室高度應縮小[5]。

圖3 不同土工格室高度對路基偏移度的影響

本次實驗以底部方格30cm 土工格室為研究對象，土工格的高度設定為12cm、18cm 和24cm，分析不同土工格高度下的地基承重力變化情況，見表2。

表2 不同土工格室高度與新地基承重能力對比

表2中，無土工格室是指不構建土工格室采取直接夯實施工工藝，模型中設置土工格室高度為0cm；未優化土工格室按施工標準的最低高度執行，模型設置土工格室高度為8cm；由表2可見，假設軟土層新路基的安全系數是3.0，在黏土作為填充物的情況下，未對土工格室結構進行優化之前，其底部極限承重為305.92kPa，一般承重為101.98kPa。

如果使用高度為12cm 的土工格室，黏土填充物的極限承重為458.86kPa，一般承重為128.47kPa。和軟土新路基層（無土工格室）相比，其抗壓能力提升了216.8%和252.2%；與使用未優化的土工格室相比，分別提升了50.2%和26.3%。

若使用土工格高度為18cm 時，黏土結構底部極限承壓是555.74kPa，一般承重為185.58kPa，與采用未優化的土工格室的情況相比，分別提升了81.6%和82.1%。

當土工格高度提升到24cm 時，底部極限承壓力達到了611.82kPa，與無土工格結構的軟土基層相比提升了322.4%，與用未優化的土工格室相比提升了100%；礫石填充物若使用未優化的土工格結構作業，則底部極限承壓值和一般承壓值分別為640.37kPa和182.52kPa，而礫石填充物在土工格室高度為12cm、18cm、24cm時，結構層底部極限承壓值分別為1019.71kPa、1131.85kPa、1223.65kPa，與無土工格室加固的情況相比，分別提升了59.1%、76.7%、91.2%。從以上數據分析可知，土工格室高度對于結構抗壓能力的提升效果極其顯著。

由表2分析可知，在經過土工格室加固后，兩種填充材料底部的極限承壓能力和一般承受壓力都隨著土工格室高度的提升而提升，可見土工格室加固效果明顯。當土工格室高度達到一定程度時（20cm），提升抗壓能力效果變弱；而不同填充物的質地和屬性卻上升為主要影響因素，因為土工格室高度提升可以幫助細膩質地的填充物摩擦力和相互作用能力增強，土工格室變得更凝結和緊固。但若高度持續提升，其抗壓能力的提升空間越來越小，則實際意義不大。

3.2.2 土工格室層數與加固效果

在ABAQUS軟件模型里，如果把土工格室設定為1層、2層、3層，觀察并匯總新路基水平方向和豎直方向的偏移結果，如圖4所示。由圖4分析可知，當層數為1時，水平偏移降低16.3%，豎直偏移降低13.6%；當層數為2時，水平偏移降低25.9%，豎直偏移降低20.2%；當層數為3時，水平偏移降低33.8%，豎直降低27.4%。由此可見，隨著土工格室層數的增加，可以幫助新路更穩固且效果明顯。但是，層數也要符合工程實際需求，在允許的情況下設置更多的層數。

圖4 不同層數土工格室層數對新路基偏移量影響

3.2.3 相鄰土工格室距離與加固分析

在ABAQUS軟件模型里，假定相鄰土工格室的距離為20cm、40cm、60cm三種情況，分析新路基水平方向和豎直方向移動數據，結果如圖5所示。由圖5分析可知，與前面高度、層數效果不同的是，當2個土工格室間距為20cm 時，水平偏移和垂直偏移量降低了10.1% 和18.2%；而當間距增加為40cm 時，水平偏移和垂直偏移量降低了11.2%和13.6%；當間距再次增加到60cm 時，水平偏移和垂直偏移數值降低了11.7%和9.5%。這說明相鄰土工格室距離在20~40cm 時，加固效果比較明顯；而距離增加到60cm 時，加固效果反而一般。因此，建議土工格室相鄰距離在20~40cm之間。

圖5 相鄰土工格距離變化與最大偏移量關系示意圖

4 結束語

本文通過ABAQUS有限元分析模型，模擬了土工格室對地基層的加固強化效果。在假設理想實驗條件下對土工格室的各種參數和新路基的偏移量（水平和垂直）進行了模擬，經過實驗得出了土工格室高度變化、層數變化和相鄰土工格室距離改變對新路基最大偏移量之間的數據關系，并計算了高度變化對新路基承壓能力的影響情況。結論如下：

（1）土工格室高度提升可以幫助細膩質地的填充物摩擦力和相互作用能力增強，土工格室變得更凝結和緊固。但若高度持續提升，其抗壓能力的提升空間越來越小，則實際意義不大。

（2）隨著土工格室層數的增加，可以提升新路的穩固性。但是，層數也要符合工程實際需求，在允許的情況下設置更多的層數。

（3）相鄰土工格室距離在20~40cm 時，加固效果比較明顯；而距離增加到60cm時，加固效果反而一般。因此，建議土工格室相鄰距離在20~40cm之間。