淺探鋪設土工格柵技術在軟土路基加固處理中的運用

謝虎

（益陽市赫山區公路建設養護中心，湖南 益陽 413000）

在改擴建現有道路時往往會遇到路基結構不穩定、開裂等問題。為了保證道路改擴建工程施工質量，施工安全，避免路基質量問題，國內外學者均針對路基的加固問題進行了廣泛而深入的研究。土工格柵鋪設技術在路基拓寬加固處治方面應用廣泛，經過鋪設土工格柵處治的路基結構強度高，穩定性好，且加固效果持續時間長。借助MIDAS/GTS 進行建模分析發現土工格柵加筋層數與路基加固效果有直接關系，主要對位移、穩定系數、應力等參數有直接影響，因此，在鋪設土工格柵時需通過試驗確定最佳加筋層數。本文對此進行重點研究，為類似的道路改擴建工程施工和研究提供借鑒。

1 工程概況

某高速公路改擴建工程，原有路基頂層表面高8m，寬12m，位于軟土路基區域，擬對路基進行加固。由于道路左側不便開展施工作業，因此選擇在道路右側進行道路拓寬改造施工，擬將現有路基拓寬至20m，加高到9m。該高速公路改擴建施工方案總結如下：

（1）在路基右側開始自下而上開挖臺階，再用粘性土回填；

（2）通過鋪設土工格柵加固路基，加筋層設為5 層，該高速公路工程路段改擴建施工示意圖見圖1。

圖1 工程路段加寬示意

2 有限元軟件分析模型建立

2.1 本次研究基于MIDAS/GTS 進行有限元軟件，首先建立路基改擴建有限元模型，模型設計高35m，設計寬65m，總計1363 個單元、1858 個節點，路基改擴建有限元模型見圖2。

圖2 路基改擴建有限元模型示意圖

2.2 根據各種材料的物理化學性質特點分別對土工材料、加筋材料展開應力約束建模分析，分析基于以下假設。

2.2.1 土工格柵是均勻分布在四個方向的網格狀，視為各向同性線彈性體。

2.2.2 調整后的土體材料為彈塑性。

2.2.3 與其他回填材料相比，巖土材料的強度更高。

2.3 基于該高速公路改擴建工程實踐以及有限元分析需要規定邊界條件：路基模型頂部為自由界面；通過固定約束分析路基模型底部；進行路基模型左右兩側位移限制。表1 列出了模型中四種土體的關鍵參數。

表1 路基加寬及加固土體材料物理參數表

3 有限元軟件分析結果

在施工規劃環節，擬鋪設五層土工格柵以確保高速公路改擴建工程中路基結構的穩定性。為有效降低工程施工成本和施工難度，本次研究重點分析計算土工格柵加筋層數，通過調整加筋層數分析其與路基位移、位移、文檔系數的關系，基于施工設計要求、施工成本等因素確定最合理的加筋層數。

3.1 土工格柵加筋層數對路基位移的影響

3.1.1 在進行路基工程回填作業過程中可以調整土工格柵加筋層數，設置多個加筋層數，分析各個加筋層數下軟土路基位移參數的變化情況，經過計算分析數據繪制出關系曲線，具體見圖3。

圖3 土工格柵加筋層數與路基位移的變化

3.1.2 根據圖3(a)可以發現，路基表面各點的水平位移在加筋層數為0 時最大，水平位移與加筋層數成反比。由此可見，通過加筋層數增加能控制路基的水平位移，從而減少路基結構變形，最終達到加固軟土路基的目的。

3.1.3 當土工格柵加筋層數在1-3 之間時，隨著層數增加，水平位移顯著降低。當層數增加到4 層以上時，水平位移雖會降低，但降低數值很小。事實表明，當土工格柵加筋層數大于3 層時，進一步增加加筋層數已經無法顯著降低路基水平位移，也就無法有效控制路基結構變形。

3.1.4 由上圖3(b)可以發現，路基頂部表面各點垂直位移在加筋層數為0 時最大。當土工格柵加筋層數在1-3 之間遞增時，垂直位移值顯著降低，當層數大于4 層時，垂直位移的降低數值很小，路基加固效應不再明顯。由此可見，層數在1-3 層之間遞增可以起到降低路基垂直應力的作用，從而有效減少路基沉降，提高路基結構的穩定性。

綜上所述，綜合考慮加固效果、施工難度和造價，土工格柵加固層數最佳為3 層。

3.2 土工格柵加固層數對路基受力的影響

3.2.1 土工格柵加固層數對軟土路基水平應力和垂直應力的影響，基于模型計算分析可繪制加筋層數與應力之間的關系曲線，具體見圖4。

圖4 土工格柵加筋層數與路基應力的變化

3.2.2 根據圖4(a)可以發現，路基頂部表面任意一點的水平位移在未加筋狀態下均達到最大值。隨著加筋層數的增加，路基頂部表面上各點的水平位移值逐漸降低，由此可見，合理增加加筋層，起到加固軟土路基的作用，從而有效提高路基結構的穩定性。

3.2.3 當土工格柵加筋層數在1-3 之間時，路基上表面各點的水平應力值隨著層數增加明顯下降。增加到4層以上時，隨著加筋層數的不斷增加，水平應力大幅降低。事實證明，繼續增加土工格柵的加筋層數能夠有效降低路基水平應力，從而提高路基結構穩定性。

3.2.4 根據圖4(b)可以發現，軟土路基頂部表面任一點的垂直應力在加筋層數為0 時達到最大值。隨著層數的增加，路基頂部表面各點的垂直應力值逐漸減小，由此可見，增加土工格柵加筋層數是消除新舊路基沉降對路基結構負面影響的有效途徑。

3.2.5 在加筋層數從一層增加到三層的過程中，路基頂部表面各點的垂直位移明顯減小，且垂直位移的減小幅度呈下降趨勢。當加筋層數增加到四層以上時，軟土路基的垂直位移變化趨勢明顯變小，減小幅度很小，加固效果趨于穩定，由此可見，土工格柵加筋層數為三層時，路基加固效果最佳。

綜合考慮軟土路基的加固要求、加固處治難度和作業成本，確定土工格柵最佳加筋層數為三層。

3.3 土工格柵加固層數對路基穩定性的影響

3.3.1 土工格柵加固層數的變化也會對軟土路基結構的穩定系數產生較大影響。通過模型分析計算可以得出兩者的關系曲線，如圖5 所示。

圖5 土工格柵加固層數變化與路基穩定性

3.3.2 由圖5 可知，在加筋層數為0 時，路基的穩定系數最小，且隨著土工格柵加筋層數的增加而增大。可以看出，增加土工格柵加筋層數可提高道路路基結構的穩定性。

3.3.3 當加筋層數從一層增加到三層時，路基的穩定系數顯著增加，但當加筋層數達到四層以上時，路基穩定系數雖會增加，但增加幅度很小，路基機構穩定性提升不明顯。加筋層數三層時對應的路基穩定系數為1.35，符合施工設計要求。綜上所述，鋪設土工格柵的最佳加筋層數為三層。

4 結論

在改擴建現有道路時經常會面臨路基結構不穩定、開裂等問題。為了確保道路改擴建工程施工質量，施工安全，避免路基質量問題，需要采取有效的加固處治措施增強路基結構的穩定性。本次研究基于MIDAS/GTS 進行建模分析，對不同土工格柵加筋層數與路基參數的變化趨勢的關系進行分析計算，繪制土工格柵加筋層數與軟土路基位移、應力、穩定系數的關系曲線，基于假設。

（1）土工格柵是均勻分布在四個方向的網格狀，視為各向同性線彈性體。

（2）調整后的土體材料為彈塑性。

（3）與其他回填材料相比，巖土材料的強度更高。結合關系曲線進行分析得到以下幾點結論：

在采用土工格柵加固軟土路基的過程中，當土工格柵加筋層在3 層以內時，加筋層數與軟土路基位移、位移、應力、穩定系數都出現了顯著減少。當土工格柵加筋層數在1-3 層范圍內遞增時，上述各參數的降低非常明顯，當土工格柵加筋層數增加到4 層以上時，上述各參數均有變化，但變化幅度很小。同時，當土工格柵加筋層數1-3 層范圍內遞增時，路基的穩定系數已經滿足施工設計要求。可以看出，當土工格柵加層數達到四層以上時，就算再次增加土工格柵加筋層數也不能起到明顯的路基加固作用，因此，采用3 層加筋是土工格柵加固軟土地基的最佳層數。