土工格柵在高陡路基應用中的探討

李鳳嶺

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

隨著我國基礎設施建設的逐步完善，高等級公路項目得到了大力發展。在山區高速公路的建設中，為滿足公路線型的要求，不可避免地會出現一些陡坡路段的高填方路基。確保高陡路基的穩定與安全，是高速公路項目建設中不容忽視的關鍵內容。自20世紀80年代開始，經過數十年的研究應用，土工合成材料因其具有高強、耐磨、適應力強等特點，被廣泛用于公路、鐵路、港口等各類土建工程中。通過對某高速公路中加鋪土工格柵的高陡路基進行計算分析，得到了一些結論，結果表明土工格柵對減小路堤沉降變形提高坡體整體穩定起到了積極作用，但過密地加鋪土工格柵對增強加固效果作用不明顯，盲目增加鋪設層數會造成不必要的工程浪費。

1 土工格柵特性

土木工程中所使用的格柵一般是指用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物經熱塑或模壓而成的二維網格狀或具有一定高度的三維立體網格。由其自身的材料及結構特性，決定了土工格柵具有高強度、低延伸率、與土咬合力強、耐久性好、不易蠕變等優點。

在高陡路基中加鋪格柵材料，利用土與格柵之間的摩擦作用，使加筋土路堤成為穩定的復合結構體，能有效防止路堤滑移、變形過大、不均勻沉降等不良現象的發生。土工合成材料的剛度遠大于路基填筑土，具有均布力特性，能降低路堤的不均勻沉降差異，減小變形量，增加土體強度，提高安全系數，確保高陡路基的整體穩定[1]。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

2.1.1 路堤斷面型式

該路堤左側依靠于陡峭的黃土坡體，右側進行路基填筑，最大坡高37.4 m。路基頂面寬度26 m，邊坡采用折線式，1～8 m邊坡坡率采用1∶1.5，8～20 m邊坡坡率為1∶1.75，20～37.4 m邊坡按坡率1∶2進行路基填筑。在填土20 m及30 m處設置2 m寬平臺，由坡腳排水溝、平臺排水溝、陡坡急流槽、攔水帶等排水設施組成坡體排水系統，坡面采用拱形骨架護坡防護，詳見圖1。

圖1 高陡路基典型斷面圖（單位：cm）

2.1.2 地形地貌

高陡路堤段落位于黃土殘垣與沖溝組合區，地面標高420.0～487.2 m，自然坡度為15°～340°，路堤區交通條件較差，植被較少。

2.1.3 地層巖性

與工程有關的地層主要有新生界第四系中更新統（Q2al）粉土、粉質黏土。

a）Q2al粉土 褐紅色，稍濕、稍密，由絹云母和黏土礦物組成，含有鐵質，含1 mm的蟲孔。

b）Q2al粉土 褐紅色，稍濕、稍密-中密，由絹云母和黏土礦物組成，含有鐵質，含1 mm的蟲孔。

c）Q2al粉質黏土 褐紅色，可塑-硬塑，由絹云母和黏土礦物組成，含鐵質成分，含有1 cm鈣質結核，見有白色菌斑。

根據上述條件建立二維模型如圖2所示。

圖2 計算模型示意圖

2.2 模型建立及參數選取

傳統的極限平衡理論，無法考慮土體應力應變的非線性關系，難以反映土體與土工格柵之間的相互作用。運用有限元分析方法可以很好地克服以上不足，更加準確地反映加筋土路堤的應力應變狀況[2]。有限元分析軟件Midas GTS NS根據土工格柵只受拉、不受壓、且抗彎剛度小的特點，設置了“土工格柵”屬性單元，進行單元屬性選擇時比較方便，文中通過該軟件進行數值模擬分析。

首先建立土體的平面應變二維模型，為保證網格之間的有效連接，通過“析取”的方式在土體網格的基礎上，建立“土工格柵”單元。由于土工格柵的抗拉強度和模量較大，拉伸曲線在應變較小的情況下（一般小于5%）呈直線，考慮到土工格柵在填土中所受的拉力遠小于其抗拉強度，則可以將格柵單元的本構關系近似地看作線彈性，土體單元采用摩爾-庫倫本構關系。為了能更好地反映出加筋材料與土體之間的相互作用關系，本次分析中將土體單元與土工格柵單元按各自特性分開考慮，然后在二者之間建立“接觸單元”。通過對接觸單元的屬性設置，可以實現土體與格柵的接觸界面在法線方向上近似剛性連接，而在切線方向上進行黏結、滑移等情況的模擬，從而通過接觸單元來反映土體與土工合成材料間的界面特性[3]。主要計算參數如表1、表2所示。

表1 土體及土工格柵主要參數

表2 界面單元主要參數 kN/m2

2.3 分析總結

根據上述土體力學參數，首先對未加筋狀態下的高陡路基進行計算，得出邊坡安全性系數為1.56，坡體變形量最大值為37.41 cm。對加入土工格柵的路堤模型計算時按路堤基底固定鋪設一層土工格柵，然后通過調整格柵間距的方式改變土體內加筋材料的鋪設層數。格柵間距最小值設定為1 m，此時鋪設層數達最大值46層，格柵間距遞增梯度按1 m計算，鋪設間距增加為2 m時，土體內格柵層數為24層，依此類推，直至間距為24 m，坡體內僅設置一層土工格柵時為止，該情況下坡體內格柵布置情況為基底鋪設一層，坡體內鋪設一層，共兩層土工格柵。

2.3.1 土工格柵對路堤安全系數的影響

對路堤內按不同間距布設土工格柵的相應情況分別建立模型進行分析計算，得到的坡體安全系數如圖3所示。

圖3 安全系數比較圖

由圖3可知加入土工格柵后路堤的安全系數明顯提高，當鋪設間距為24 m，僅在基底及坡體內各鋪設一層土工格柵時，安全系數提高為1.68，較原始安全系數1.56提高幅度為7.69%。隨著土工格柵間距變小，鋪設層數增加，安全系數繼續加大，土工格柵間距為6 m，鋪設層數為8層時，路堤安全系數為1.98，提高幅度為26.92%。在此基礎上進一步減小間距，土體中土工格柵的鋪設層數增加速度較快，安全系數的提高趨勢并不明顯，當鋪設間距為1 m時，格柵層數達46層，安全系數為2.06，此時與間距6 m時相比，坡體的安全系數僅提高了4.04%，但鋪設層數增長超過了5倍，在滿足實際要求的情況下，初步確定6 m為該項工程中格柵鋪設的合理間距。

2.3.2 土工格柵對變形量最大值的影響

對路堤內按不同間距布設土工格柵的相應情況分別建立模型進行分析計算，得到的坡體變形量數值如圖4所示。

圖4 變形量最大值比較圖

通過圖4得知，路堤按不同加筋間距處理后，坡體最大變形量較原始狀態下37.41 cm均有所減小。當鋪設間距為24 m，僅在基底及坡體內各鋪設一層土工格柵時，最大變形量為36.12 cm，隨著鋪設間距減小，鋪設層數增加，最大變形量減小幅度逐步增大，當鋪設間距為4～7 m范圍時，變形量最大值縮減幅度最大，減小為28.52 cm左右。在此基礎上進一步減小間距，增加鋪設層數時，坡體內局部范圍出現應力集中現象，變形量最大值反而有所增加。結合安全系數計算時得出的合理鋪設間距，確定該段陡坡路堤土工格柵鋪設間距為6 m，鋪筑8層，此時坡體變形量最大值為28.52 cm，縮減幅度為23.76%。

2.3.3 土工格柵對路堤不均勻變形的影響

按間距6 m鋪設8層土工格柵方案建立模型，在路堤變形量較大位置填土高度30 m處截取橫向剖面，以填筑土與自然陡坡交匯處為“0”點，向路基外側邊坡方向每隔5 m提取一處變形量數值，詳見圖5、圖6。

圖5 橫向剖面示意圖

圖6 填土30 m處不均勻變形比較圖

由圖6可知未加筋時邊坡外側的11號點變形量為9.25 cm，坡體內側1號點變形量為37.33 cm，坡體變形由外向內呈線性增大趨勢，趨勢線傾角約為28.25°，斜率K=0.54，路堤不均勻變形明顯。陡坡路堤進行加筋處理后，剖面上4～11號點處路基變形仍然呈線性增長趨勢，趨勢線傾斜角度約為24.52°，斜率K=0.46，較原增長趨勢明顯變緩，而位于坡體內部的0～4號點變形趨勢近乎直線狀態，變形協調穩定。路基內設置土工格柵后變形稍小的11號點，變形量由原來的9.25 cm縮小為9.12 cm，變形最大處的1號點，變形量由37.33 cm減小為26.21 cm，縮減幅度達29.79%，從以上數據不難看出經過加筋處理后坡體變形越大的位置，變形量縮減幅度也相應越大，加入土工格柵可以有效控制路堤不均勻變形。

3 結語

通過上述工程案例的計算分析，證明了土工格柵可以減小高陡路堤變形，有效控制不均勻沉降，提高坡體的安全系數，對保障高陡路堤工程的整體安全穩定起到了積極作用。但在實際施工應用中為避免不必要的工程浪費，應根據實際情況確定最佳的鋪設方案，才能達到經濟有效的加固效果。