淺探鋪設(shè)土工格柵技術(shù)在軟土路基加固處理中的運(yùn)用

謝虎

（益陽市赫山區(qū)公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心，湖南 益陽 413000）

在改擴(kuò)建現(xiàn)有道路時(shí)往往會(huì)遇到路基結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、開裂等問題。為了保證道路改擴(kuò)建工程施工質(zhì)量，施工安全，避免路基質(zhì)量問題，國內(nèi)外學(xué)者均針對路基的加固問題進(jìn)行了廣泛而深入的研究。土工格柵鋪設(shè)技術(shù)在路基拓寬加固處治方面應(yīng)用廣泛，經(jīng)過鋪設(shè)土工格柵處治的路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，且加固效果持續(xù)時(shí)間長。借助MIDAS/GTS 進(jìn)行建模分析發(fā)現(xiàn)土工格柵加筋層數(shù)與路基加固效果有直接關(guān)系，主要對位移、穩(wěn)定系數(shù)、應(yīng)力等參數(shù)有直接影響，因此，在鋪設(shè)土工格柵時(shí)需通過試驗(yàn)確定最佳加筋層數(shù)。本文對此進(jìn)行重點(diǎn)研究，為類似的道路改擴(kuò)建工程施工和研究提供借鑒。

1 工程概況

某高速公路改擴(kuò)建工程，原有路基頂層表面高8m，寬12m，位于軟土路基區(qū)域，擬對路基進(jìn)行加固。由于道路左側(cè)不便開展施工作業(yè)，因此選擇在道路右側(cè)進(jìn)行道路拓寬改造施工，擬將現(xiàn)有路基拓寬至20m，加高到9m。該高速公路改擴(kuò)建施工方案總結(jié)如下：

（1）在路基右側(cè)開始自下而上開挖臺階，再用粘性土回填；

（2）通過鋪設(shè)土工格柵加固路基，加筋層設(shè)為5 層，該高速公路工程路段改擴(kuò)建施工示意圖見圖1。

圖1 工程路段加寬示意

2 有限元軟件分析模型建立

2.1 本次研究基于MIDAS/GTS 進(jìn)行有限元軟件，首先建立路基改擴(kuò)建有限元模型，模型設(shè)計(jì)高35m，設(shè)計(jì)寬65m，總計(jì)1363 個(gè)單元、1858 個(gè)節(jié)點(diǎn)，路基改擴(kuò)建有限元模型見圖2。

圖2 路基改擴(kuò)建有限元模型示意圖

2.2 根據(jù)各種材料的物理化學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)分別對土工材料、加筋材料展開應(yīng)力約束建模分析，分析基于以下假設(shè)。

2.2.1 土工格柵是均勻分布在四個(gè)方向的網(wǎng)格狀，視為各向同性線彈性體。

2.2.2 調(diào)整后的土體材料為彈塑性。

2.2.3 與其他回填材料相比，巖土材料的強(qiáng)度更高。

2.3 基于該高速公路改擴(kuò)建工程實(shí)踐以及有限元分析需要規(guī)定邊界條件：路基模型頂部為自由界面；通過固定約束分析路基模型底部；進(jìn)行路基模型左右兩側(cè)位移限制。表1 列出了模型中四種土體的關(guān)鍵參數(shù)。

表1 路基加寬及加固土體材料物理參數(shù)表

3 有限元軟件分析結(jié)果

在施工規(guī)劃環(huán)節(jié)，擬鋪設(shè)五層土工格柵以確保高速公路改擴(kuò)建工程中路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為有效降低工程施工成本和施工難度，本次研究重點(diǎn)分析計(jì)算土工格柵加筋層數(shù)，通過調(diào)整加筋層數(shù)分析其與路基位移、位移、文檔系數(shù)的關(guān)系，基于施工設(shè)計(jì)要求、施工成本等因素確定最合理的加筋層數(shù)。

3.1 土工格柵加筋層數(shù)對路基位移的影響

3.1.1 在進(jìn)行路基工程回填作業(yè)過程中可以調(diào)整土工格柵加筋層數(shù)，設(shè)置多個(gè)加筋層數(shù)，分析各個(gè)加筋層數(shù)下軟土路基位移參數(shù)的變化情況，經(jīng)過計(jì)算分析數(shù)據(jù)繪制出關(guān)系曲線，具體見圖3。

圖3 土工格柵加筋層數(shù)與路基位移的變化

3.1.2 根據(jù)圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，路基表面各點(diǎn)的水平位移在加筋層數(shù)為0 時(shí)最大，水平位移與加筋層數(shù)成反比。由此可見，通過加筋層數(shù)增加能控制路基的水平位移，從而減少路基結(jié)構(gòu)變形，最終達(dá)到加固軟土路基的目的。

3.1.3 當(dāng)土工格柵加筋層數(shù)在1-3 之間時(shí)，隨著層數(shù)增加，水平位移顯著降低。當(dāng)層數(shù)增加到4 層以上時(shí)，水平位移雖會(huì)降低，但降低數(shù)值很小。事實(shí)表明，當(dāng)土工格柵加筋層數(shù)大于3 層時(shí)，進(jìn)一步增加加筋層數(shù)已經(jīng)無法顯著降低路基水平位移，也就無法有效控制路基結(jié)構(gòu)變形。

3.1.4 由上圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，路基頂部表面各點(diǎn)垂直位移在加筋層數(shù)為0 時(shí)最大。當(dāng)土工格柵加筋層數(shù)在1-3 之間遞增時(shí)，垂直位移值顯著降低，當(dāng)層數(shù)大于4 層時(shí)，垂直位移的降低數(shù)值很小，路基加固效應(yīng)不再明顯。由此可見，層數(shù)在1-3 層之間遞增可以起到降低路基垂直應(yīng)力的作用，從而有效減少路基沉降，提高路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

綜上所述，綜合考慮加固效果、施工難度和造價(jià)，土工格柵加固層數(shù)最佳為3 層。

3.2 土工格柵加固層數(shù)對路基受力的影響

3.2.1 土工格柵加固層數(shù)對軟土路基水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的影響，基于模型計(jì)算分析可繪制加筋層數(shù)與應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，具體見圖4。

圖4 土工格柵加筋層數(shù)與路基應(yīng)力的變化

3.2.2 根據(jù)圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，路基頂部表面任意一點(diǎn)的水平位移在未加筋狀態(tài)下均達(dá)到最大值。隨著加筋層數(shù)的增加，路基頂部表面上各點(diǎn)的水平位移值逐漸降低，由此可見，合理增加加筋層，起到加固軟土路基的作用，從而有效提高路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2.3 當(dāng)土工格柵加筋層數(shù)在1-3 之間時(shí)，路基上表面各點(diǎn)的水平應(yīng)力值隨著層數(shù)增加明顯下降。增加到4層以上時(shí)，隨著加筋層數(shù)的不斷增加，水平應(yīng)力大幅降低。事實(shí)證明，繼續(xù)增加土工格柵的加筋層數(shù)能夠有效降低路基水平應(yīng)力，從而提高路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.2.4 根據(jù)圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，軟土路基頂部表面任一點(diǎn)的垂直應(yīng)力在加筋層數(shù)為0 時(shí)達(dá)到最大值。隨著層數(shù)的增加，路基頂部表面各點(diǎn)的垂直應(yīng)力值逐漸減小，由此可見，增加土工格柵加筋層數(shù)是消除新舊路基沉降對路基結(jié)構(gòu)負(fù)面影響的有效途徑。

3.2.5 在加筋層數(shù)從一層增加到三層的過程中，路基頂部表面各點(diǎn)的垂直位移明顯減小，且垂直位移的減小幅度呈下降趨勢。當(dāng)加筋層數(shù)增加到四層以上時(shí)，軟土路基的垂直位移變化趨勢明顯變小，減小幅度很小，加固效果趨于穩(wěn)定，由此可見，土工格柵加筋層數(shù)為三層時(shí)，路基加固效果最佳。

綜合考慮軟土路基的加固要求、加固處治難度和作業(yè)成本，確定土工格柵最佳加筋層數(shù)為三層。

3.3 土工格柵加固層數(shù)對路基穩(wěn)定性的影響

3.3.1 土工格柵加固層數(shù)的變化也會(huì)對軟土路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)產(chǎn)生較大影響。通過模型分析計(jì)算可以得出兩者的關(guān)系曲線，如圖5 所示。

圖5 土工格柵加固層數(shù)變化與路基穩(wěn)定性

3.3.2 由圖5 可知，在加筋層數(shù)為0 時(shí)，路基的穩(wěn)定系數(shù)最小，且隨著土工格柵加筋層數(shù)的增加而增大。可以看出，增加土工格柵加筋層數(shù)可提高道路路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3.3 當(dāng)加筋層數(shù)從一層增加到三層時(shí)，路基的穩(wěn)定系數(shù)顯著增加，但當(dāng)加筋層數(shù)達(dá)到四層以上時(shí)，路基穩(wěn)定系數(shù)雖會(huì)增加，但增加幅度很小，路基機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性提升不明顯。加筋層數(shù)三層時(shí)對應(yīng)的路基穩(wěn)定系數(shù)為1.35，符合施工設(shè)計(jì)要求。綜上所述，鋪設(shè)土工格柵的最佳加筋層數(shù)為三層。

4 結(jié)論

在改擴(kuò)建現(xiàn)有道路時(shí)經(jīng)常會(huì)面臨路基結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、開裂等問題。為了確保道路改擴(kuò)建工程施工質(zhì)量，施工安全，避免路基質(zhì)量問題，需要采取有效的加固處治措施增強(qiáng)路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本次研究基于MIDAS/GTS 進(jìn)行建模分析，對不同土工格柵加筋層數(shù)與路基參數(shù)的變化趨勢的關(guān)系進(jìn)行分析計(jì)算，繪制土工格柵加筋層數(shù)與軟土路基位移、應(yīng)力、穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系曲線，基于假設(shè)。

（1）土工格柵是均勻分布在四個(gè)方向的網(wǎng)格狀，視為各向同性線彈性體。

（2）調(diào)整后的土體材料為彈塑性。

（3）與其他回填材料相比，巖土材料的強(qiáng)度更高。結(jié)合關(guān)系曲線進(jìn)行分析得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

在采用土工格柵加固軟土路基的過程中，當(dāng)土工格柵加筋層在3 層以內(nèi)時(shí)，加筋層數(shù)與軟土路基位移、位移、應(yīng)力、穩(wěn)定系數(shù)都出現(xiàn)了顯著減少。當(dāng)土工格柵加筋層數(shù)在1-3 層范圍內(nèi)遞增時(shí)，上述各參數(shù)的降低非常明顯，當(dāng)土工格柵加筋層數(shù)增加到4 層以上時(shí)，上述各參數(shù)均有變化，但變化幅度很小。同時(shí)，當(dāng)土工格柵加筋層數(shù)1-3 層范圍內(nèi)遞增時(shí)，路基的穩(wěn)定系數(shù)已經(jīng)滿足施工設(shè)計(jì)要求?？梢钥闯?，當(dāng)土工格柵加層數(shù)達(dá)到四層以上時(shí)，就算再次增加土工格柵加筋層數(shù)也不能起到明顯的路基加固作用，因此，采用3 層加筋是土工格柵加固軟土地基的最佳層數(shù)。