鋼塑格柵在高速公路拓寬工程中的應用研究

宋 軍，賈衛東，劉軍霞，張 咪

（1.中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710000；2.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇 南京 211816）

0 引言

交通量的日益增長使得早期建成的高速公路無法滿足其通行需求，對老路進行拓寬改建是一種有效處理方式[1]。在老路的基礎上修建新路，由于老路經過多年運營，沉降變形趨于穩定，新老路基固結步調不一致，容易在其交接處產生不協調變形，導致路面裂縫、邊坡坍塌等病害的發生[2]。鋼塑格柵是由高強鋼絲與高分子材料復合成的網狀加筋材料，抗拉強度高且蠕變小，可與土體共同受力[3]，減小土體的沉降變形，增強新老路基間的銜接性能[4]。為達到理想的鋪設效果，需要根據改擴建工程的實際情況確定鋼塑格柵的施工工藝[5]，基于此，本文結合京滬高速公路改擴建工程，利用ABAQUS 模擬分析鋼塑格柵的加筋作用機理與應用效果，為鋼塑格柵處治拼接路基不協調變形提出施工建議。

1 工程概況

京滬高速公路新沂至淮安段改擴建工程路線起自京滬高速公路蘇魯省界，路線全長約106.9 km。主線路段原有道路標準橫斷面寬28 m，現在原路基基礎上對兩側進行加寬7 m 處理，新老路基采用開挖臺階方式拼接，路基邊坡比為1∶1.5，路段填高2～6.5 m。

2 鋼塑格柵加筋拓寬路基有限元分析

2.1 有限元模型建立

由于道路采用雙側加寬方式，關于其中心線對稱，為簡化計算，選取該拓寬路段典型斷面的右半部分為研究對象，建立了新老路基拼接的三維有限元模型，模擬不同加筋方案下拓寬路基工后位移與應力變化情況。圖1 為鋼塑格柵加筋4 層時拓寬路基的計算幾何模型，拓寬路基模型不同加筋方案的計算工況見表1。

圖1 計算模型簡圖

表1 計算模型工況

模型中對地基底部X、Y、Z 方向位移進行全部約束，右側面對水平位移進行約束,左側對稱面采用XXSYMM 對稱邊界條件，地基頂面設為排水邊界條件。為方便計算，路面簡化為一層線彈性材料，工程竣工后路表面車輛荷載的施加可采用等效靜力荷載代替，Han[6]等人通過研究將路面等效均布荷載確定為10 kPa，根據本工程交通量的增長初步預測將交通荷載定為20 kPa 的靜力荷載。

2.2 計算參數選取

該拓寬路段以粉質黏土為主，土體本構關系選用Mohr-Coulomb 模型，鋼塑格柵選用線性薄膜單元模擬[7]，根據工程路段地勘報告和土工試驗報告確定各模型材料參數取值見表2、表3。

表2 道路結構層材料參數取值

表3 鋼塑格柵參數取值

2.3 計算結果分析

2.3.1 路基土體變形特性分析

拓寬路基在不同工況條件下路表面工后豎向和水平位移見圖2，可知在新路荷載作用下，路面沉降的變化規律呈“勺”型，新路表面的沉降較大，加筋對新路基土體的沉降變形有限制作用，加筋5 層時路表面最大差異沉降由6.77 cm 降至5.63 cm，路拱橫坡變化率由0.32%降至0.26%。路表面水平位移最大值出現在新老路基拼接處附近，鋪設鋼塑格柵可以明顯約束路基土體的側向滑移。通過模擬不同加筋方案下的路面位移曲線可知，在拓寬路基底部鋪設鋼塑格柵限制路基土體變形效果最明顯，隨著加筋層數的增加，鋼塑格柵對拓寬路基土體變形的限制效果逐漸減弱。

圖2 路表面豎向位移與水平位移（單位:cm）

2.3.2 路基土體應力分析

鋼塑格柵對拓寬路基差異沉降與水平位移的限制作用主要是由于改善了路基土內的應力分布。拓寬路基在工況1 和工況4 下新老路基內部土體水平應力分布見圖3，可知新老路基拼接部位存在拉應力集中現象，新路基有向外滑動的趨勢，鋪設鋼塑格柵對老路基有拉拽作用，增強了新老路基間的銜接性，降低了路基頂面的最大拉應力，使路基土體應力分布更均衡。

圖3 新老路基內部水平應力分布（單位：kPa）

2.3.3 鋼塑格柵應力與變形分析

圖4 為鋼塑格柵加筋5 層時，每層格柵拉應力沿其長度方向分布曲線。新路基與老路基拼接的2 m范圍內格柵所產生的拉應力較大，說明格柵與路基填土相互作用產生摩阻力，增強了新老路基填土間的粘結力。路基底部格柵拉力明顯大于其上層格柵，說明在路基底部鋪設一層鋼塑格柵可以充分發揮其抗拉性能。靠近新路邊坡處格柵拉力逐漸降低至0，說明新路邊坡處鋼塑格柵的作用不大，可將本工程鋼塑格柵鋪設寬度定為6 m。

圖4 鋼塑格柵沿其長度方向拉應力分布（單位：kPa）

3 鋼塑格柵加筋拓寬路基施工工藝

3.1 施工準備

3.1.1 結合面臺階處理

鋼塑格柵鋪設前需對新老路基結合面進行處理，清除清除老路邊坡表面草皮、腐殖質土，沿老路坡面開挖臺階。為確保鋼塑格柵得到有效錨固，同時考慮施工量大小，確定鋪設鋼塑格柵的老路臺階寬2 m，中部臺階寬度不小于1 m，臺階高寬比按1∶1.5控制。

3.1.2 鋼塑格柵質量檢驗

為確保鋼塑格柵的產品質量，鋪設前需檢驗每批格柵性能，合格后方可鋪設。本工程選用GSGS80-80 雙向型鋼塑格柵，其極限抗拉強度不小于80 kN/m，屈服延伸率不大于3%，產生較高抗拉強度的同時格柵自身的變形較小。

3.2 鋼塑格柵鋪設

3.2.1 鋪設層位與寬度

通過有限元分析可知，本改擴建工程中，鋪設在拓寬路基底部的鋼塑格柵所產生的拉應力最大，中部格柵較小，并且隨著格柵鋪設層數的增加，加筋效果減弱，因此，確定在拓寬路基底部過渡層中間鋪設一層格柵。同時為改善路基頂部受力狀況，在路床頂部以下40 cm 處鋪設一層鋼塑格柵，對路基頂面荷載起到擴散作用。由于格柵拉應力沿格柵長度方向逐漸減小，新老路基拼接處拉應力最大，靠近新路邊坡處拉應力減小到0，可將格柵鋪設寬度定為6 m。

3.2.2 鋼塑格柵鋪設注意事項

鋼塑格柵需鋪設的土層表面需壓實平整，防止有碎、塊石等堅硬凸出物刺破鋼塑格柵。鋪設時應沿垂直于路基軸線方向鋪設，格柵需緊貼下承層，拉直平順，不得有折皺[8]。當采用搭接法連接時，為保證鋼塑格柵的整體性，橫向搭接長度宜不小于20 cm。最后采用U 型鋼釘將其固定于填土下承層表面，以增強鋼塑格柵搭接處的抗拉強度和穩定性，防止因錨固不牢、路基滑移導致的格柵從路基中扯出等問題。

3.3 攤鋪填料和碾壓

為避免受到陽光過長時間暴曬，鋼塑格柵鋪設完成后需立即用填料填筑，一般間隔時間不超過2 d，以免長時間暴曬導致格柵的性能發生變化，影響施工質量與效果。所選填料及其壓實度、平整度均應滿足設計要求，且填料的粒徑不得超過1/2 的碾壓層厚度。填筑時應分層攤鋪、分層碾壓，鋼塑格柵上的第一層填料攤鋪應采用輕型推土機或裝載機按滾填的方式進行填筑，碾壓時應從外側向老路堤方向碾壓，每層碾壓完畢后，應抽檢其壓實度，在靠近臺階附近1 m 寬附近區域內可用夯實機補充夯實，一切大型車輛、施工機械禁止直接在鋼塑格柵上行駛，以免將鋼塑格柵拉起或產生褶皺。

4 結語

（1）新老路基的拼接處是高速公路拓寬工程中的薄弱部位，最容易沿其結合面出現破裂面，采用鋼塑格柵加筋技術處治拓寬路基能夠有效限制土體的豎向和水平位移，改善路基土體應力分布，增強新老路基的銜接性。

（2）鋼塑格柵應用于高速公路改擴建工程中時需結合實際工況確定其施工工藝，合理鋪設鋼塑格柵，嚴格控制工程質量。