公路改扩建工程中土工格室加固效果及影响参数分析

薛洋

作者简介：薛 洋（1985—），工程师，主要从事路桥设计工作。

摘要：为研究土工格室的加固效果以及设计参数对路基变形及沉降的影响，文章采用有限元软件建立拓宽路基数值模型，针对土工格室的加固效果、铺设层数、铺设宽度以及筋材模量对路基变形的影响进行对比分析。结果表明：铺设土工格室可有效改善新旧路基的水平变形和差异沉降，使得应力分布更为均匀;路基的水平位移和差异沉降均随着土工格室铺设层数的增加而减小;增大铺设宽度可降低路基的水平位移和差异沉降;增大筋材模量可以降低新路基的水平变形和差异沉降，但同时也会增大老路基的差异沉降。综合来看，土工格室铺设层数选择3层、铺设宽度控制在50%左右、筋材模量选择20 GPa的经济性和处治效果更好。

关键词：公路改扩建;土工格室;加固效果;设计参数

中国分类号：U412.22+2A260964

0 引言

近年来，土工格室因具有抗冲蚀、材质轻、耐磨损及施工简便等特点，逐渐替代传统土工材料应用在我国公路改扩建工程中[1]。但早期的土工格室由于设计偏于保守，导致部分拓宽工程出现新旧路基拼接质量问题，给公路的安全运营带来了风险[2]。因此，如何有效解决土工格室设计缺陷以及提升其处治效果，已成为当下学者研究的重要课题[3-4]。

目前，国内外学者对土工格室的应用展开了大量研究，如王选仓等[5]通过离心模型试验，分析了未加筋及不同加筋情况对路基沉降和稳定性的影响;彭贤清等[6]针对不同高度、不同弹性模量以及不同形状的土工格室挡墙进行不同的工况设计，提出了一种最优的土工格室选型;赵明华等[7]发现在一定范围内改变加筋体的复合弹性模量、桩土刚度比、上下界面摩阻系数比等因素可以起到调节双向增强复合地基网下桩土应力比和降低格室体沉降的作用;邱毅等[8]研究了土工格栅和土工格室在公路拓宽工程中的应用技术，并提出了土工格栅-格室组合加筋方案。土工格室作为一种新型土工材料，在公路改扩建工程中的应用研究正处于不断完善的阶段，而关于土工格室的设计参数还缺乏系统性的研究。基于此，本文针对土工格室加固拓宽路基的效果进行了分析，并进一步讨论了土工格室铺设层数、铺设宽度以及筋材模量对拓宽路基水平变形和差异沉降的影响，提出了相对合理的参数设计值，以期为类似改扩建工程提供参考。

1 工程概括

某公路改扩建工程原道路为二级公路，车道设计为双向两车道，最高行驶速度为80 km/h，路基宽度为12 m，路线长度约为37.472 km。现由于交通流量的日益增长，原道路设计标准已无法满足通行需求，部分路段频繁出现车辙、裂缝，甚至塌陷等严重病害，给该道路的安全运营带来了较大风险。为解决原通路各种病害和通行压力大等问题，计划对原道路进行升级改造，将道路二级公路设计标准提升为一级公路设计标准，路基宽度由原设计值12 m增至24.5 m，车道由双向两车道增至双向四车道，设计速度为100 km/h，路基高度由5 m增至6 m，边坡比保持1∶1.5不变。该项目拓宽方式主要采用双侧等宽度加宽，两侧各加宽6.25 m，部分路段受地形限制采用单侧加宽12.5 m方式。公路扩建新旧路基搭接问题采用铺设土工格室方案，土工格室与台阶搭接长度为2 m，共铺设4层。拓宽路基截面如图1所示。

2 数值建模

运用ABAQUS软件建立拓宽路基有限元分析模型，模型中路基采用平面应变单元CPE4模拟，地基土采用流固耦合单元模拟，计算高度取26.5 m，宽度取50 m，共包含1 328个单元和1 512个节点。其有限元模型如图2所示。

在计算模型中，地基可视为半无限空间体，同时对模型底部进行水平和竖直向约束，两侧进行水平位移约束，上部为自由界面。为更好地模拟路基实际变形情况及保证计算结果的精准性，对模型做出以下假定：（1）路基可视为平面应变问题处理;（2）新旧路基搭接良好，接触面完全连续;（3）路基和地基均视为均质且各向同性的理想弹塑体;（4）地基土自重应力作为地基初始应力;（5）地表为透水边界，地基变形采用孔压单元计算;（6）路面结构层均等效为1 m填土;（7）土工格室与内部填料视为一个整体，均视为线弹性结构层，且满足线弹性条件。拓宽路基土体包括原路基和新路基填土，地基土层主要包括2.5 m厚软土层、8 m厚软黏土层和10 m厚基岩层。其计算参数如表1所示。土工格室计算参数如表2所示。

3 土工格室加固效果分析

为验证土工格室对拓宽路基的加固效果，运用有限元软件分别建立未铺设及铺设4层土工格室加固的拓宽路基计算模型，并针对拓宽路基的位移及应力变化规律进行对比分析。

3.1 位移分析

经计算，得到未加固和加固模型路基顶面的水平位移与沉降最大、最小值（如表3所示）。

根据表3可知，拓宽路基铺设土工格室后，路基顶面的最大水平位移值减小了20%，说明土工格室对于处治新旧路基的水平变形具有优良效果。原因是土工格室的铺设增强了路基水平向的受力，限制了路基的侧向位移。未铺设土工格室的路基顶面差异沉降为3.51 cm，铺设了土工格室的路基頂面差异沉降为3.16 cm，最大差异沉降减小约10%，说明土工格室对于改善新旧路基的差异沉降同样具有优良效果。

3.2 应力分析

经计算，得到未加固和加固模型路基顶面的水平应力与竖向应力最大、最小值（如表4所示）。

根据表4可知，拓宽路基铺设土工格室后，路基顶面最大水平应力降低了23%左右，水平应力差减小了近37%，说明土工格室的铺设可以有效消除新旧路基间的水平应力差，使得路基顶面的水平应力分布更为均匀。未铺设土工格室的路基顶面竖向应力差为8.5 kPa，铺设了土工格室的路基顶面竖向应力差为14.4 kPa，最大竖向应力差减小了40%左右，说明土工格室可有效改善新旧路基的竖向应力分布情况，从而降低了路基由于应力集中而产生破坏的可能性。

4 土工格室影响参数分析

土工格室的铺设层数、铺设宽度及筋材模量等设计参数均会对其加固效果产生影响。为确定合理的参数设计值，分别建立不同土工格室参数设计的拓宽路基计算模型，并针对拓宽路基的变形及沉降变化规律进行对比分析。

4.1 铺设层数

为确定拓宽路基土工格室合理的铺设层数，分别选取铺设0、1、2、3、4层土工格室的拓宽路基进行变形及沉降分析，结果如图3所示。

根据图3知，随着土工格室铺设层数的增加，路基顶面的水平位移和竖向沉降均呈减小趋势变化，说明增加土工格室铺设层数可有效控制新旧路基的水平变形及改善路基的不均匀沉降。其中，铺设3层和4层土工格室的路基最大水平位移分别减小了20%和23%，最大沉降分别减小了3%和3.6%，说明土工格室铺设层数超过3层后，其处治效果不大。同时，综合经济性的考虑，建议拓宽路基选择铺设3层土工格室的加筋效果相对较优。

4.2 铺设宽度

为确定拓宽路基土工格室合理的铺设宽度，分别选取铺设0、25%、50%、75%、100%土工格室的拓宽路基进行变形及沉降分析，结果如图4所示。

根据图4可知，随着土工格室铺设宽度的增大，路基顶面的水平位移和竖向沉降均呈减小趋势变化，说明增大土工格室铺设宽度可有效控制新旧路基的水平变形及改善路基的不均匀沉降。其中，土工格室铺设宽度由0增至50%时，路基顶面的最大水平位移值和沉降值减幅较大，而铺设宽度超过50%后，路基顶面的最大水平位移值和沉降值减幅逐渐平缓，说明土工格室铺设宽度控制在50%的处治效果最好。同时，结合施工成本的考虑，建议拓宽路基选择铺设50%拓宽宽度的土工格室加筋效果相对较优。

4.3 筋材模量

为确定拓宽路基土工格室合理的筋材模量，分别选取筋材模量为5 GPa、10 GPa、20 GPa、30 GPa的拓宽路基模型进行变形及沉降分析，结果如图5所示。

根据图5可知，随着土工格室筋材模量的增大，新路基的水平位移和竖向沉降均逐渐减小，整体减幅较小，而原路基的竖向沉降会随之增大，但原路基的水平位移基本保持不变。由此说明，增大筋材模量可以降低新路基的水平变形和差异沉降，但同时也会增大原路基的差异沉降，且筋材模量越大，工程造价也会越高。因此，从施工经济性和处治效果两个方面考虑，土工格室的筋材模量不必太高，满足工程强度设计要求即可，而拓宽路基建议选取土工格室筋材模量为20 GPa的处治效果最佳。

5 结语

本文通过运用软件模拟分析了土工格室的加固效果，以及不同铺设层数、铺设宽度和筋材模量对拓宽路基变形及沉降的影响规律，得到以下主要结论：

（1）拓宽路基铺设土工格室后，路基顶面的最大水平变形降低了20%，最大差异沉降降低了10%，水平应力差减小了近37%，最大竖向应力差减小了40%左右。

（2）增加土工格室铺设层数可有效控制新旧路基的水平变形及改善路基的不均匀沉降，建议拓宽路基选择铺设3层土工格室的加筋效果相对较优。

（3）增大土工格室铺设宽度可有效控制新旧路基的水平变形及改善路基的不均匀沉降，建议土工格室铺设宽度控制在50%的处治效果最好。

（4）增大筋材模量可以降低新路基的水平变形和差异沉降，但同时也会增大原路基的差异沉降，且筋材模量越大，工程造价也会越高，建议选取筋材模量为20 GPa的土工格室。

参考文献：

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[4]夏帅帅，王引平.截面型式对土工格室挡墙稳定性影响研究[J].公路，2019，64（6）：27-32.

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[6]彭贤清，夏帅帅.土工格室选型对挡土墙边坡稳定性的影响研究[J].公路，2020，65（10）：11-17.

[7]赵明华，郑 [HTXH1]玥，刘 猛，等.考虑纵横耦合变形的土工格室加筋体变形分析[J].湖南大学学报（自然科学版），2019，46（9）：89-99.

[8]邱 毅，余 强，陈 强，等.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[J].公路交通技术，2020，36（3）：7-13.

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