土工格室处理软弱路基的沉降机理与应用分析

王佳佳　胡　仲　李良吉*

(中建五局第三建设有限公司市政分公司，湖南 长沙　410000)

土工格室作为一种新型的三维土工合成材料，具有质轻、耐磨、运输方便等特点[1-3]，当在土工格室中加入填充砂、黏土、砾石等材料时，就会形成具有超强的侧向与大刚度的柔性结构层，其广泛应用于岩土工程、市政道路工程、水利工程等[4,5]。在路基工程中铺设土工格室，可将荷载扩散、动应力水平降低、路基刚度提高。

新建潇湘北路位于湘江河畔，道路规划区多为农田、沼泽等软基地带，为了改善与提高路基承载力，防止不均匀沉降，决定采用土工格室进行处理。本文以长沙市望城区一路一园项目为依托，通过对土工格室工程相关试验的总结，提出土工格室提高路基承载力的机理进行研究，从力学角度分析土工格室加筋垫层与路基之间的加固作用，并在不同因素条件下对土工格室加筋路基进行研究探讨，为现场实际施工起到一定的指导性作用。

1　试验概述

1.1　试验内容

本次模型试验是以长沙市望城区潇湘北路修建中用土工格室进行路堑软弱路基加固而开展的一项科学研究。研究内容包括：不同压实度、格室高度对土工格室加固层路基承载力及变形特征的影响。

1.2　试验方案

本次试验采用的模型槽规格为长2.0 m，宽1.25 m，高1.0 m，模型槽采用角钢进行焊接而成，为了便于观察，在模型槽两侧安装有机玻璃，而两段分层安装挡板，内层并设有隔水层，防止含水率变化，并在模型槽上装备加载装置，加载设备为油压千斤顶，模型简图如图1所示。

2　试验结果与分析

2.1　不同压实度填料对土工格室加固层路基承载力的分析

通过模型槽，采用承载板静载试验方法[6]，得到试验结果，如图2，图3所示，结果表明：当填土压实度从84%增加至93%时，路基承载力从90 kPa～100 kPa增强至270 kPa～280 kPa。这是因为不同压实度情况下的填料颗粒之间排列紧密程度有所不同，压实度越大，其颗粒间排列越紧密，颗粒分子间作用力就越大，其抵抗变形的能力就越强，从图2，图3中还可看出，随着沉降的继续，承载力就越大。曲线斜率越来越平缓，路基承载力趋近于某一值，但随着压实度的增大，这种曲线斜率趋于某一值越不明显，这表明，随着压实度的逐渐增大，路基承载力增大，而路基承载力趋于某一值越不明显。这是由于在土工格室与填料形成的加筋复合结构层当中，填料压实度越高，将提高结构层的抗剪强度，从而加强了土工格室侧向约束力、格室侧壁与填料之间的摩擦力，增大了路基土与填料间摩擦力、黏聚力，防止加筋复合结构层中滑动面的形成和发展，因此促进了土工格室筏形基础的作用，提高了其路基承载力。

2.2　不同格室高度对土工格室加固层路基承载力的分析

为了研究格室高度对土工格室加固层路基承载力的影响，试验控制在同一压实度93%，同一填土情况下，依据试验模型尺寸选择了土工格室尺寸2 m(长)×1.25 m(宽)，同一焊距，格室高度H分别为50 mm,100 mm,150 mm，200 mm,250 mm的土工格室进行试验分析，试验结果如图4所示。

从图4可知，同一条件下，土工格室的格室高度越大，同一荷载下其路基发生沉降越小，即土工格室加固层路基承载力随格室高度的增大而增大。这是因为土工格室高度越高，同一格室内土体与格室接触面积就越大，格室对软弱层土体的侧向约束力就越大，因而加固层路基承载效果越好。

但从图4中，还可发现格室高度从100 mm增加至150 mm时，其路基承载力增加较大，而超过150 mm之后随着格室高度的继续增加其路基承载力依然增大，但增大幅度减小，说明格室高度为150 mm加固层路基承载力的“性价比”最高。这是因为，当格室高度增大到一定值时，虽然路基土体与接触面积增大，承载效果也增强，但因压实效果随土层厚度的增加有所降低，所以导致其他格室高度的加固层路基承载力“性价比”反而不如格室高度150 mm的加固层路基。

2.3　不同格室焊距对土工格室加固层路基承载力的分析

本文2.2节得到的“高性价比”格室高度150 mm，而为了进一步探讨焊距对土工格室加固层路基承载力的影响，试验同样控制在同一压实度93%，同一填土情况下，依据试验模型尺寸选择了土工格室尺寸2 m(长)×1.25 m(宽)，格室高度150 mm，格室焊距L分别为300 mm,400 mm,450 mm,500 mm,550 mm,600 mm的土工格室进行试验分析，试验结果如图5所示。

从图5可以看出，同一条件下，焊距在350 mm～600 mm之间时，土工格室加固层路基在同一荷载作用下，焊距越小，产生沉降变形越小，即焊距越大，土工格室加固层路基承载力越小。

图5中随着沉降的增大对应的荷载值趋于平稳，而为了更好的描述焊距影响土工格室路基承载力的情况，现取沉降S=35 mm所对应的承载荷载值为分析对象，绘制出图6，从图6中可以看出，焊距与路基承载力呈非线性关系，即随着焊距的增大，路基承载力先呈线性降低，而在焊距500 mm增大至550 mm时，路基承载力降低较快，说明焊距500 mm为曲线的临界值，其“性价比”与其他焊距相比更高。

综上试验得到，同一压实度、格室尺寸、填土材料条件下，格室高度150 mm，焊距500 mm加固后的路基承载力“性价比”最高，最能达到节约经济效果。

3　土工格室现场实际工程应用分析

通过试验模型得到最佳“性价比”的格室高度与焊距，而为了探讨土工格室处理后的路基实际强度特性是否能达到设计要求，将通过现场压实度、沉降检测试验进行检验。

现以潇湘北路K12+280处大面积软弱路基为对象，根据《公路路基设计规范》[7]及设计要求：压实度需不小于93%、路基沉降不得超过30 cm。通过现场试验对焊距×高度为500 mm×150 mm,550 mm×150 mm,500 mm×100 mm,450 mm×150 mm,500 mm×200 mm处理后的软弱路基压实度、沉降量进行检测对比，试验检测结果如表1，表2所示。

表1　不同焊距、高度处理后的路基压实度检测表

表2　不同焊距、高度处理后的路基沉降检测表

通过表1，表2分析可知,不同焊距、高度处理后的软弱路基压实度、沉降值当中焊距×高度为500 mm×150 mm检测点数全部合格，且平均压实度达到94.05%、平均沉降19.61 cm；而焊距×高度为550 mm×150 mm与500 mm×100 mm均存在压实度不合格的点。焊距×高度为450 mm×150 mm与500 mm×200 mm压实度、沉降值均合格，但与500 mm×150 mm相比，其压实度与沉降值满足要求的效果不明显。

综合考虑经济效益、规范及设计要求，综上所述，得到本工程实际施工中最佳格室高度与焊距，并且对土工格室处理软弱路基施工具有一定的推广与指导意义，同时对相似工程起到借鉴作用。

4　结语

本文通过不同压实度、格室高度、焊距对土工格室加固路基承载力进行模型试验研究，得出相关结论，并通过现场实际试验检测进行验证，得到主要结果如下：

1)同一条件下，土工格室加固层中填土压实度从84%增加至93%时，路基承载力从90 kPa～100 kPa增强至270 kPa～280 kPa，得到在土工格室加固层中压实度对路基承载力影响较大。

2)研究格室高度、焊距对土工格室加固层影响时，得到格室高度越大、焊距越小，土工格室处理后的软弱路基承载力越大，但格室高度为150 mm时、焊距为500 mm时，其“性价比”最高。

3)通过现场不同格室高度、焊距处理后的路基实际压实度、沉降值进行检测发现，焊距×高度为500 mm×150 mm时处理过的软弱路基满足压实度不小于93%、沉降量小于30 cm的实际要求，且又能达到经济节约的效果。

参考文献:

[1]韩明.高速公路软土地基土工格室加筋路堤研究[D].南京：东南大学,2004.

[2]张秀江.土工格室边坡绿化施工技术在岩质边坡的应用[J].工程技术(文摘版),2015(31):47.

[3]郝文锐,梁森,韦利明,等.一种质轻、高强度复合材料阻尼仪表板的设计[J].兵器装备工程学报,2015,36(2):21-24.

[4]赵宏静,钟余娜.浅谈土工格室在公路建设中的作用[J].中国科技博览,2015(44):160.

[5]杨晓华.土工格室加固饱和黄土路基性状及承载力[J].长安大学学报(自然科学版),2004,24(3):5-8.

[6]管伟.土工格室对级配碎石基层的加固效果[J].中国市政工程,2010(4):14-16.

[7]JTG D30—2015，公路路基设计规范[S].