土工格栅和土工格室加筋在公路拓宽工程中的应用对比分析

邱 毅，余 强，陈 强，王 东

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041； 2.中国华西工程设计建设有限公司，成都 610031)

公路建设的高速发展有效缓解了我国公共交通的紧张状况，但随着交通量的快速增长，依然存在运输能力不足的问题。公路拓宽工程由于投资小、占地少，逐渐成为提升公路运输能力的有效措施，而新老路基的拼接质量是公路拓宽工程的关键。在既有道路边坡开挖台阶、铺设土工合成材料等是减小新老路基差异沉降的常用方案。土工格栅和土工格室是目前应用较为广泛且具代表性的加筋材料[1-2]，如表1所示。

相关学者也对土工合成材料加筋技术开展了大量研究。晏莉等[3]介绍了桩承土工合成材料加筋垫层法的作用机理、设计方法和工程应用，指出土工合成材料加筋垫层能提高桩的应力分担，降低桩间土的差异沉降；王协群等[4]指出土工合成材料能够保证结构层的完整性，增强结构层刚度，有效抵抗反射裂缝；张占领等[5]结合高速公路拓宽工程现场试验，研究了不同的土工格栅铺设方式对筋材中拉伸力以及拉伸率的影响，并建议在新老路基拼接处2 m范

表1 我国部分高速公路拓宽工程中的加筋材料

围内铺设土工格栅；傅珍等[6]通过离心机试验，分析了多组土工格室为主的加筋方案对拓宽工程中差异沉降的影响，认为对拼接段进行加筋能够有效控制差异沉降；谢永利等[7]结合高速公路路基不均匀沉降处治工程实际，采用数值仿真、室内试验和现场测试多种方法进行研究，发现土工格室柔性结构层能有效协调差异沉降，并建议选取高模量的填料配合加筋。

土工格栅的应用比较广泛，相关研究也较成熟[8-10]，土工格室的应用研究正处于不断发展完善阶段[11-13]，而有关土工格栅和土工格室加筋对比研究较少，李广信[14]认为人们对筋-土之间相互作用的机理认识不够深入，故目前设计偏于保守。本文系统地研究土工格栅、土工格室加筋对路基差异沉降的影响，讨论不同位置处土工格栅和土工格室的加筋效果，并进一步分析其机理，以期能够为相关工程提供参考。

1 工程概况

本文以京港澳高速公路路基拓宽工程的代表性断面为例，拓宽方案为原双向4车道两侧拓宽为双向8车道，老路基高度为6 m，边坡坡比为1∶1.5，原路面半幅宽度为12 m，拓宽后宽度为19.5 m。拓宽后的典型断面设计如图1所示。

将路床以及台阶开挖面作为土工合成材料铺设面，充分发挥土工合成材料的加筋作用。其中，高速公路布置Ⅰ级车道荷载，其中均布荷载标准值为qk= 10.5 kN/m，集中荷载Pk= 270 kN。拓宽后为双向8车道，横向分布系数取0.50。

单位：m

2 数值模拟

2.1 路基和地基土体模拟

采用摩尔-库伦模型模拟新老路基以及地基土体，如图2所示，地基取计算深度30 m，宽85 m。

单位：m

本文重点研究路基中不同位置的土工格栅和土工格室加筋对路基差异沉降的控制效果，故假设地基弹性模量与路基相同，减少因为地基的过大变形对加筋效果的干扰。由于考虑集中荷载Pk的作用，故在路基顶部添加一层厚0.26 m的线弹性结构层，以防止路基顶部发生塑性破坏。

数值模拟求解精度与模型网格的划分息息相关，老路模型进行不同网格密度划分的测试结果如图3所示，最终选取8 055个网格点进行网格划分，如图4所示。

2.2 土工合成材料模拟

使用FLAC3D[15]软件中内置的Geogrid单元模拟

(a) 地基附加沉降最大值

(b) 地基附加沉降曲线

图4 网格划分

Fig.4 Mesh generation

土工格栅和土工格室。Geogrid单元是FLAC3D内置的3节点18个自由度的三角形单元，其在局部坐标系x、y方向(剪切面方向)与土体zone单元理想弹塑性连接，模拟土工格栅与土体间的剪切摩擦作用；在局部坐标系z方向(法方向)与土体单元刚性连接，模拟土工格栅对土体的加筋作用。

应用内嵌的Fish语言编程生成多片Geogrid单元，再排列组合生成土工格室，如图5(a)所示；土工格栅则直接使用Geogrid单元进行模拟，如图5(b)所示；具体计算参数如表2、表3所示。

(a) 土工格室

(b) 土工格栅

表2 路基及地基计算参数

表3 土工材料计算参数

2.3 加筋方案模拟

笔者查阅了我国部分高速公路拓宽工程设计资料(表1)，实际工程中有关土工合成材料的应用主要分为3大类。

1) 铺设在路床中，提高路面结构的拼接质量，抑制反射裂缝。相关研究较多，已成普遍共识，故不作研究。

2) 铺设在碎石、砂砾、石灰土垫层中，配合碎石桩、预应力管桩、高压旋喷桩，以降低新路基沉降。该应用中桩起主导作用，土工合成材料起辅助作用，故不作研究。

3) 铺设在路基顶部、底部和台阶开挖面上，对路基进行加筋，增强路基稳定性，降低差异沉降。

各工程中土工合成材料路基加筋方式差异很大，没有明确的加筋准则，故将重点研究。结合工程实际，选择5个台阶开挖面、路基顶部和路基底部，共7个加筋位置；加筋材料选用土工格栅和土工格室，共2种材料。分别在7个加筋位置铺设单层土工格栅和单层土工格室，共2×7=14种加筋方案。比较不同加筋材料和不同加筋位置对加筋效果的影响。

3 结果与分析

3.1 加筋位置对差异沉降的影响

分别在7个加筋位置铺设单层土工格栅/土工格室进行计算，结果如图6所示。在位置1、7铺设土工格栅对路基达不到加筋效果，无法减小路基的差异沉降；相反，在位置1、7铺设土工格室能够达到一定加筋效果，但路基差异沉降依然很大。在位置2铺设土工格栅，能够发挥其加筋作用，因为铺设在台阶开挖面上的格栅起着锚固作用，限制了土工格栅和新路基的变形；在位置2铺设土工格室，加筋效果比位置1更好一些，但略差于土工格栅加筋。土工格栅铺设在位置5加筋效果最优，其次分别是在位置4、3、6。土工格室加筋具有相同的规律。

通过对比发现，在拼接路基的顶部和底部铺设土工格室，能一定程度减小路基沉降，但铺设土工格栅效果甚微；而在其中偏下部铺设土工格栅和土工格室，均能显著减小路基沉降，相比较而言土工格栅加筋效果优于土工格室。

3.2 加筋机理分析

3.2.1 加筋对路基剪切应变的影响

公路拓宽工程中老路基的固结沉降已经基本完成，故在老路基重力及车道荷载作用下，沉降变形较小。而新路基沉降变形较大、稳定性差，这使得在新老路基界面、新路基与地基界面上易产生较大的剪切变形而发生塑性破坏，并使得路基沉降量过大，如图7所示。

(a) 地基附加沉降最大值

(b) 在位置3、4、5、6加筋

图7 未加筋路基剪应变分布云图

不同位置加筋后路基的剪切变形分布如图8所示。由图8(a)、(b)可以看出，在位置4铺设土工格室，格室加筋层与路基底层之间集中分布有较大的剪切应变；在同样的位置铺设土工格栅，同样集中分布较大的剪切应变；相比土工格室，在位置4铺设土工格栅能够更有效地均化新路基剪切应变集中现象；由图8(c)、(d) 可知，在位置5铺设土工格栅和土工格室，路基中无明显剪切应变集中现象。

综上可知，在位置5铺设土工格栅，新路基剪切应变更小，路基稳定性更好。

(a) 土工格室铺设在位置4

(b) 土工格栅铺设在位置4

(c) 土工格室铺设在位置5

(d) 土工格栅铺设在位置5

3.2.2 加筋对路基应力的影响

在位置1、7分别铺设土工格栅和土工格室，通过计算路基中的竖向应力，分析二者对路基沉降的影响。新路基中竖向应力云图分布如图9所示。

比较图9(b)、(e)可知，土工格栅分别铺设在位置1、7，路基中竖向应力分布相似，进一步与图9(c)进行对比，发现在位置1、7铺设土工格栅作用不大；比较图9(a)、(b)可知，在位置1铺设土工格室使得老路基中竖向应力有所增大，而新路基中竖向应力有所减小；比较图9(d)、(e)可知，在位置7铺设土工格室，虽然对新路基竖向应力分布改变不大，但老路基竖向应力有所均化。

通过对比发现，在路基顶部和底部铺设土工格栅无法改善路基中竖向应力的分布，故加筋效果差，无法减小新路基的沉降。在路基顶部铺设土工格室可均化路基中竖向应力，增大老路基中竖向应力，同时还能减小新路基中竖向应力。在路基底部铺设土工格室，能够均化老路基拼接段竖向应力，从而减小新路基沉降。

(a) 土工格室铺设在位置1

(b) 土工格栅铺设在位置1

(c) 未加筋路基

(d) 土工格室铺设在位置7

(e) 土工格栅铺设在位置7

3.3 土工格栅-格室组合加筋技术

在路基顶部和底部铺设土工格室，能够均化新老路基中竖向应力的分布，而铺设土工格栅效果甚微。在路基中偏下部铺设土工格栅比土工格室更能有效控制新路基中剪切应变，提高路基稳定性，从而减小新路基沉降。根据土工格栅和土工格室在不同位置加筋效果的不同，同时考虑到二者的施工难易程度及经济性(相较土工格室，土工格栅施工方便且单价较低)，建议在路基中偏下部铺设2层土工格栅，以提高新路基的稳定性，在路基顶部和底部铺设2层土工格室，以均化新老路基中应力的分布。

通过计算土工格栅-格室组合加筋方案(铺3层)、7个位置全铺设土工格栅加筋方案(铺7层)及7个位置全铺设土工格室加筋方案(铺7层)的新路基沉降，研究不同加筋组合方案对路基沉降的影响，计算结果如图10所示。由图10可以看出，土工格栅加筋与土工格室加筋差异不大，因为7层全加筋时，路基的稳定性及应力分布良好，其变形是由自身沉降不完全所引起，这与傅珍等[6]所得结果一致；组合加筋方案使用了较少的土工格栅和土工格室材料，但加筋效果足以媲美7层全加筋，即合理选择土工合成材料及铺设位置，可提高加筋效果且更具经济效应。

图10 加筋组合方式对路基沉降的影响

4 结论与建议

通过在路基中合理埋设土工合成材料，发挥其加筋作用，可有效扩散应力集中、传递拉应力、限制土体的侧向位移、增加土体模量并增加土体和其他材料之间的摩阻力，进而整体提高路基及上部结构物的稳定性。

1) 当路基稳定性较差时，土工合成材料的铺设位置对新路基差异沉降有很大影响。在路基中偏下部加筋效果良好，在路基顶部和底部加筋效果较差。

2) 在路基中偏下部铺设土工合成材料能够显著提高路基的稳定性，控制新路基沉降，且土工格栅加筋效果优于土工格室。

3) 在路基顶部和底部铺设土工格室能够均化新路基应力的分布，从而控制新路基沉降；而土工格栅对路基应力均化效应甚微。

4) 土工格栅-格室组合加筋可提高加筋效果，且更具经济性。

5) 在进行老路拓宽时应优先在新路基中偏下部铺设土工格栅，以提高路基的稳定性；在路基顶部和底部加筋时，应优先选择土工格室。