道路改扩建工程土工格室参数优化设计的有限元分析

马 莉

（甘肃会方工程设计咨询有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

在市政道路工程中面对旧路基沉降问题，通常以铺设土工格加固的方式予以处理。不同的研究者提出了不同的解决方案，有的提出从筋材性质和形状角度解决问题，也有提出针对土工格室不同层级加固不同数量筋材角度解决问题，更多研究者提出了从土工格填充物角度试用冲击碾压方法来处理填充土，这些办法都取得了很好的经济和质量效果[1]。然而，土工格室的设计还有优化空间，本文建立ABAQUS有限元分析模型，试图利用先进的计算机技术对土工格室高度、层数、间距等参数进行优化设计，为工程应用提供理论支撑。

1 工程概况

某市内道路需加宽扩建，初始道路横向宽度10m，双向两车道，路基高度5m，路旁边坡比例为1:1.5。经研究后，加宽工程初步设计为：对道路一侧路基进行拓宽，其台阶被挖掘暴露，挖掘深度为4层，每层1.2m。挖掘外围台阶距离为1.5m，回填物是黏性土，每层台阶回填30d。回填工作完成后设置土工格栅以稳固台阶，并用黏性土回填土工格栅并碾牢回填物。工程改扩建完毕后，道路横向宽度从10m加宽为18m，双车道升级为4车道，而道路路基高度从5m升到6m，路旁边坡还是1:1.5。具体拓宽工程横截面示意图如图1所示。

图1 路基横截面工程示意图

2 土工格栅施工流程

土工格栅施工流程为：施工前准备—土工格栅布置和挂网—填充物填充—压实平整充填物—检查整理[2]。

2.1 施工前准备

施工场地中台阶被挖掘暴露后要尽量平整土面，剔除大块物体或尖刺状物品，台阶中土质物要压实。在施工前要先选取土工格材料以及确定尺寸，并检查土工格质量，通过拉伸进行强度测试，该工程中要求土工格的极限拉伸强度和抗剪强度为16kN。制作直径d≥2.5mm的U形钉子，钉子要做好防水锈蚀和锌度工艺。

2.2 土工格栅布置和挂网

首先要把土工格栅展开并确保拉伸匀称并无冗余，确定每一部分土工格栅宽度后，用U 形钉子进行固定，在填充物回填后要确保完全覆盖土工格栅和U形钉，避免其与外界环境接触。另外，横向铺设过程中两部分土工格栅需要用8号铁丝衔接固定。即土工格栅底部应平铺不卷曲重叠，横向由铁丝衔接，顶部由U型钉固定。

2.3 填充物填充并压实

首先要确定土工格栅无损坏，检查完毕后开始填充黏性土，土工格栅上部填料最少要覆盖10cm 以上。填充30cm高，用填土机平整填充物后再压实，先检查上一工作环节的填充效果，符合要求后开始平整碾压，按照先外围后中部顺着公路方向碾压，一边碾压一边平整，先慢后快的速度来进行，压实度控制在90%上下。

2.4 检查验收

工程施工完毕后，要检验其施工质量是否符合工程相关规范要求。

3 实验模型建立与分析

根据土工格栅施工流程，建立实验模型，分析土工格室高度、层数、间距等参数对地基层的加固强化效果。

3.1 模型建立

运用工程模拟软件ABAQUS 来建立市政道路改扩建的模型，旧路基和新加路基在软件中用四节点单元节点来代替，模型一共涵盖282个单元和313个节点，具体模型如图2所示。

图2 改扩建道路有限元实验模型

在实际工程中，影响土工格栅施工效果的因素很多，为了验证各因素对施工效果的影响关系，在模型设计时，对相关因素作理想化的设定。假设环境温度及湿度固定不变，道路路堤为理想平面模型；新设路基和旧地基为理想弹塑状态；各施工材料质地均匀且填充粘合度理想；新路基与旧路基完美衔接且平整无断裂。在新路基底部存在前后移动限制和上下移动限制，旧新路基两侧也存在平移限制[3]。因此，计算参数主要考虑旧路路基、新增路基、结构表层、填充土层、路基部分及土工格室内等类别[4]，其物理力学参数如表1所示。

表1 模型参数

3.2 模型分析

3.2.1 土工格室高度与加固效果

在ABAQUS软件模型里，如果把土工格室高度分别设定为5cm、10cm、15cm，观察并统计新路基水平方向偏移幅度和竖直方向改变幅度，如图3所示。由图3可以看出，如果土工格室高度变高，新路基水平方向偏移幅度降低了9.8%、15.6%、23.1%；竖直方向偏移幅度分别降低了9.2%、13.1%、18.6%。这说明土工格室越高，路基稳固性能越好。但土工格室不能无限加高，要结合工程实际情况和施工材料材质以及造价等进行具体选择。一般来说，若填充物体积偏大，土工格室高度应增加；填充物体积偏小，土工格室高度应缩小[5]。

图3 不同土工格室高度对路基偏移度的影响

本次实验以底部方格30cm 土工格室为研究对象，土工格的高度设定为12cm、18cm 和24cm，分析不同土工格高度下的地基承重力变化情况，见表2。

表2 不同土工格室高度与新地基承重能力对比

表2中，无土工格室是指不构建土工格室采取直接夯实施工工艺，模型中设置土工格室高度为0cm；未优化土工格室按施工标准的最低高度执行，模型设置土工格室高度为8cm；由表2可见，假设软土层新路基的安全系数是3.0，在黏土作为填充物的情况下，未对土工格室结构进行优化之前，其底部极限承重为305.92kPa，一般承重为101.98kPa。

如果使用高度为12cm 的土工格室，黏土填充物的极限承重为458.86kPa，一般承重为128.47kPa。和软土新路基层（无土工格室）相比，其抗压能力提升了216.8%和252.2%；与使用未优化的土工格室相比，分别提升了50.2%和26.3%。

若使用土工格高度为18cm 时，黏土结构底部极限承压是555.74kPa，一般承重为185.58kPa，与采用未优化的土工格室的情况相比，分别提升了81.6%和82.1%。

当土工格高度提升到24cm 时，底部极限承压力达到了611.82kPa，与无土工格结构的软土基层相比提升了322.4%，与用未优化的土工格室相比提升了100%；砾石填充物若使用未优化的土工格结构作业，则底部极限承压值和一般承压值分别为640.37kPa和182.52kPa，而砾石填充物在土工格室高度为12cm、18cm、24cm时，结构层底部极限承压值分别为1019.71kPa、1131.85kPa、1223.65kPa，与无土工格室加固的情况相比，分别提升了59.1%、76.7%、91.2%。从以上数据分析可知，土工格室高度对于结构抗压能力的提升效果极其显著。

由表2分析可知，在经过土工格室加固后，两种填充材料底部的极限承压能力和一般承受压力都随着土工格室高度的提升而提升，可见土工格室加固效果明显。当土工格室高度达到一定程度时（20cm），提升抗压能力效果变弱；而不同填充物的质地和属性却上升为主要影响因素，因为土工格室高度提升可以帮助细腻质地的填充物摩擦力和相互作用能力增强，土工格室变得更凝结和紧固。但若高度持续提升，其抗压能力的提升空间越来越小，则实际意义不大。

3.2.2 土工格室层数与加固效果

在ABAQUS软件模型里，如果把土工格室设定为1层、2层、3层，观察并汇总新路基水平方向和竖直方向的偏移结果，如图4所示。由图4分析可知，当层数为1时，水平偏移降低16.3%，竖直偏移降低13.6%；当层数为2时，水平偏移降低25.9%，竖直偏移降低20.2%；当层数为3时，水平偏移降低33.8%，竖直降低27.4%。由此可见，随着土工格室层数的增加，可以帮助新路更稳固且效果明显。但是，层数也要符合工程实际需求，在允许的情况下设置更多的层数。

图4 不同层数土工格室层数对新路基偏移量影响

3.2.3 相邻土工格室距离与加固分析

在ABAQUS软件模型里，假定相邻土工格室的距离为20cm、40cm、60cm三种情况，分析新路基水平方向和竖直方向移动数据，结果如图5所示。由图5分析可知，与前面高度、层数效果不同的是，当2个土工格室间距为20cm 时，水平偏移和垂直偏移量降低了10.1% 和18.2%；而当间距增加为40cm 时，水平偏移和垂直偏移量降低了11.2%和13.6%；当间距再次增加到60cm 时，水平偏移和垂直偏移数值降低了11.7%和9.5%。这说明相邻土工格室距离在20~40cm 时，加固效果比较明显；而距离增加到60cm 时，加固效果反而一般。因此，建议土工格室相邻距离在20~40cm之间。

图5 相邻土工格距离变化与最大偏移量关系示意图

4 结束语

本文通过ABAQUS有限元分析模型，模拟了土工格室对地基层的加固强化效果。在假设理想实验条件下对土工格室的各种参数和新路基的偏移量（水平和垂直）进行了模拟，经过实验得出了土工格室高度变化、层数变化和相邻土工格室距离改变对新路基最大偏移量之间的数据关系，并计算了高度变化对新路基承压能力的影响情况。结论如下：

（1）土工格室高度提升可以帮助细腻质地的填充物摩擦力和相互作用能力增强，土工格室变得更凝结和紧固。但若高度持续提升，其抗压能力的提升空间越来越小，则实际意义不大。

（2）随着土工格室层数的增加，可以提升新路的稳固性。但是，层数也要符合工程实际需求，在允许的情况下设置更多的层数。

（3）相邻土工格室距离在20~40cm 时，加固效果比较明显；而距离增加到60cm时，加固效果反而一般。因此，建议土工格室相邻距离在20~40cm之间。