市政道路改扩建工程中土工格室参数优化设计研究

李康

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

近年来，随着我国城市经济的快速发展，城市交通流量增加，部分市政道路已经很难满足通行需求，道路拓宽改造逐渐成为缓解城市交通压力的有效方法之一[1-2]。对于拓宽工程中新旧路基差异沉降问题，已有学者采用铺设土工格室方式进行治理，并取得了优良效果[3-4]。如耿大新等[5]通过分析多层土工格室加筋路基内部筋材的拉应力性状，提出了一种改进的铺设方法，发现采用改进的土工格室铺设方法，在最大节约30%筋材的前提下，可取得大致相同的加筋效果。王选仓等[6]研究不同土工格室加筋情况对路基稳定性的影响，从施工质量和经济性出发，建议较低路基进行基底单层土工格室加筋处理，较高路基在基顶和基底进行两层加筋。谭练武[7]结合实际工程提出了冲击碾压与土工格室联合应用的一种软弱杂填土处理方案，发现冲击碾压与土工格室联合应用在处理软弱杂填土时具有良好的经济性和工程效果。王佳佳等[8]从不同压实度、格室高度和焊距处理后的路基进行室内模型试验，发现压实度越大，路基承载力越大，路基承载力随土工格室高度的增加而呈非线性增加。

目前，土工格室在拓宽工程的应用仍处于不断完善阶段，而关于土工格室加固拓宽路基参数优化的研究还相对较少。基于此，本文通过建立不同土工格室铺设高度、层数以及间距的拓宽路基数值模型，针对路基变形及沉降变化规律展开了对比分析，以期为土工格室加固拓宽路基的参数设计与优化研究提供参考。

1 工程概况

某市政道路改扩建项目，该道路原设计路面宽度为10m，车道设计为双向两车道，路基高度为5m，边坡比为1∶1.5。近年来，随着城市的快速发展，该路段交通流量急剧增长，原有道路逐渐无法满足通行需求，为解决交通拥堵问题，现计划对该道路进行改扩建。按照设计要求以及对该路段现场考察，路基拓宽采用单侧拓宽方式，施工先对路基右侧进行台阶开挖，开挖宽度为1.5m，分4层台阶，每层高度为1.2m。台阶开挖完成后采用黏性土对拓宽路基进行回填，填筑速率为30d/1.2m，每层台阶回填完成后铺设一层土工格栅对拓宽路基进行加固处理，并对回填土进行压实处理。拓宽完成后路基宽度增至18m，车道增至为双向四车道，路基高度增至6m，边坡比保持不变。市政道路拓宽截面如图1所示。

图1 市政道路拓宽路基示意图

2 土工格栅施工方案

土工格室施工主要包括布设前准备、布设及挂网、填筑、平整碾压和检查验收5个步骤，具体施工内容如下：

（1）布设前准备：随机抽取土工格室样品进行强度指标测试，设计要求土工格室的断裂拉力不小于16kN，抗剪切应力不低于16kN，确保样品检测结果满足规范要求。制作直径不小于2.5mm的U形钉，并做好镀锌防锈处理。

（2）布设及挂网：将连接好的土工格室进行张拉，确保格室无松弛感，铺设宽度根据设计要求设定，当土工格室张拉至规定尺寸后，采用U形钉进行固定，U形钉露出部位不超过土工格室高度，并及时填土防止暴晒。

（3）填筑：填筑前先检查土工格室是否存在破损情况，填土机填土厚度需高出土工格室10cm以上，确保土工格室不被损坏，填料初填厚度为25～30cm，先整平后碾压，填料压实度控制在93%左右。

（4）平整及碾压：碾压前检查初填厚度、平整度是否满足要求，碾压过程遵循先轻后重、先慢后快原则，由两边向中间纵向碾压，横向重叠1/3宽度碾压面，纵向重叠1～1.5m碾压面，确保无漏压现象。

（5）检查验收：根据设计要求检查填筑厚度、平整度是否符合规范标准。

3 模型建立

运用有限元软件ABAQUS建立市政道路拓宽路基数值模型，新老路基采用四节点平面应变单元模拟，地基采用平面应变孔隙水压力单元模拟，模型中共包含283个单元和312个节点，其有限元模型如图2所示。

图2 拓宽路基有限元模型

考虑到拓宽路基影响因素较多，为方便计算分析，对拓宽路基做出以下基本假设：将路堤视为平面应变问题来考虑；将路基、地基均视为理想弹塑性体，各层材料均质、连续且完全黏合；采用比奥固结理论计算地下水位以下土的固结问题；假定新路基与原路基结合良好且无滑移和脱落。在拓宽路基模型底部设置水平位移和竖向位移约束，模型两侧均限制水平方向位移，模型上部为自由界面。计算参数主要考虑新路基、原路基、表层软土、软黏土、基岩及土工格室，其物理力学参数如表1所示。

表1 土体及土工格室计算参数

4 结果与分析

4.1 土工格室高度

分别建立土工格室铺设高度为5cm、10cm及15cm的拓宽路基计算模型，并针对路基最大水平、竖向位移进行对比分析，结果如图3所示。

图3 不同格室高度-最大位移变化曲线

由图3可知，随着土工格室高度的增加，路基最大水平位移和竖向位移均不断减小，说明土工格室高度的改变一定程度可提升其加固效果。当土工格高度分别为5cm、10cm和15cm时，路基最大水平位移分别减小了9.9%、15.7%和23.2%，路基最大竖向位移分别减小了9.1%、13.2%和18.7%，以上数据说明土工格室高度越高，路基加固效果越明显。但实际工程中土工格室高度并不是越高越好，应综合考虑施工条件以及工程造价来选择格室高度，对于填土颗粒较大的工程，宜采用高度较高的土工格室加固，对于填土颗粒较小的工程，宜采用高度较低的土工格室加固。

4.2 土工格室层数

分别建立土工格室铺设层数为1层、2层及3层的拓宽路基计算模型，并针对路基最大水平、竖向位移进行对比分析，结果如图4所示。

图4 不同格室层数-最大位移变化曲线

根据图4可知，随着土工格室层数的增加，路基最大水平位移和竖向位移均不断减小，说明土工格室层数的改变一定程度可提升其加固效果。当土工格高度分别为1层、2层和3层时，路基最大水平位移分别减少了16.4%、25.8%和33.9%，路基最大竖向位移分别减少了13.6%、20.1%和27.3%，以上数据说明土工格室层数越多，路基加固效果越明显。但实际工程中应综合考虑施工条件以及工程造价来选择土工格室铺设层数，在满足施工要求的条件下，铺设适宜层数的土工格室对路基进行加固。

4.3 土工格室间距

分别建立土工格室铺设间距为20cm、40cm及60cm的拓宽路基计算模型，并针对路基最大水平、竖向位移进行对比分析，结果如图5所示。

图5 不同格室间距-最大位移变化曲线

根据图5可知，随着土工格室间距的增加，路基的最大水平位移不断减少，而路基最大竖向位移呈先减后增趋势变化，说明土工格室间距的改变一定程度可提升其加固效果。当土工格室高度分别为20cm、40cm及60cm时，路基最大水平位移分别减小了10.2%、11.1%和11.8%，水平位移减小幅度相差不大，说明土工格室间距对路基水平变形影响不大，路基最大竖向位移分别减小了18.1%、13.7%和9.4%，可以看出土工格室间距越大，路基最大竖向位移越大，路基加固效果会有所下降。综合考虑，土工格室铺设间距控制在20～40cm范围的加固效果相对较优。

5 结论

综合上述分析，可得出以下结论：

（1）不同土工格室铺设高度的路基加固效果具有一定差异性，土工格室高度越高，路基加固效果越明显，但实际工程中土工格室高度并不是越高越好，应综合考虑施工条件以及工程造价来选择格室高度。

（2）随着土工格室层数的增加，路基最大水平位移和竖向位移均不断减少，说明土工格室层数的改变一定程度可提升其加固效果，但实际工程中应综合考虑施工条件以及工程造价来选择土工格室铺设层数。

（3）随着土工格室间距的增加，路基的最大水平位移不断减少，但对路基水平变形影响不大，而路基最大竖向位移呈先减后增，且土工格室间距越大，路基最大竖向位移越大，综合考虑土工格室铺设间距控制在20～40cm相对合理。