土工格柵加筋路基性能分析與優化研究

摘要：文章以某高速公路填方路基試驗段為背景，利用有限元軟件建立數值分析模型，分析土工格柵加筋路基的性能，并通過調整加筋間距、布置方式，對路基加筋方案進行優化，提出合理的施工方案。研究結果表明：土工格柵可較好地改善路基承載能力和路基邊坡的側向變形，但對路基沉降控制改善效果較小；下密上疏、淺表空置的土工格柵布置方案是更優選擇，建議格柵布置間距為60～90 cm。

關鍵詞：土工格柵；路基；數值模擬；變形控制；優化參數

中圖分類號：U416.212 A 17 054 4

0 引言

土工格柵是一種性能優異的土工合成材料，廣泛用于路基土石方填筑工程的加筋處理［1］。目前，國內外對土工格柵加固路基性能展開了大量研究，李袁昊等［2］針對拓寬道路路基變形特性及土工格柵處治措施展開研究，發現采取土工格柵加筋處治后路基和地基水平位移減小明顯；胡衛國等［3］開展加筋填土室內試驗研究，結果表明土工格柵加筋土樣的承載能力明顯大于未加筋的情況，隨著加筋層數的增加，土工格柵的側向約束作用越大；楊慶等［4］進行了土工格柵加筋路堤的室內小比尺模型試驗，研究了土工格柵加筋參數對路堤邊坡結構性能的影響，結果表明，加筋能大幅提高邊坡的穩定性和承載能力；Montanelli Filippo等［5］對某土工格柵加筋鐵路路基工程進行試驗研究，結果證明加入土工格柵能減小循環荷載下基床底層應力以及垂直變形和延長路基的使用壽命。

本文以某高速公路土工格柵加筋路基為研究對象，運用Midas GTS有限元軟件建立路基模型，并與工程實際進行對比，分析土工格柵加筋路基的性能改善效果，并通過調整土工格柵加筋間距和布置方式進行方案優化，為合理運用土工格柵在類似路基中的設計和施工提供依據。

1 工程背景

1.1 項目概述

本文依托項目為某高速公路軟土路基處理。項目段工程地質分區屬構造、剝蝕殘丘區，丘陵地貌。淺部分布有 0.3～0.5 m厚的有機質土，其下為厚度約為 4 m的殘積紅色黏土層，黏土層以下為深厚中等風化頁巖。表層土密實度差、結構松散、工程性質差、均勻性較差、因其厚度較小，故工程上對其進行清除處理。

設計路基填筑高度為 4 m，分層填筑，單層填筑厚度為 0.3 m。為提高路基承載能力和控制路基變形，擬在填筑時鋪設土工格柵進行路基增強。為更好地確定施工參數，現場開展試驗測試。采用TGSG50型雙向塑料土工格柵，其參數如表1所示。現場采用間隔為 0.6 m，橫向滿鋪。

1.2 路基模型的建立

根據路基的實際情況，采用Midas GTS有限元軟件建立如圖1所示的全幅路基模型。其中，路基寬度為 15 m，填筑高度為 4 m，單層填筑厚度為 0.3 m，最后2層填土厚度為 0.2 m。

路基下部基礎地層分為2層，上層為紅黏土層，下層為風化巖層。根據現場勘察數據，黏土層厚度約為 4 m，風化巖層約為 13 m（簡化計算，模型取 10 m）。

1.3 模擬參數

數值模型中，各層土體采用平面應變單元建立Mohr-Coulomb模型，土工格柵采用軟件自帶的土工格柵單元。根據試驗檢測數據，各土層的力學參數如表2所示。

土工格柵材料本身的應力、應變是非線性的，參考相關文獻［6］，在實際應用中選取縱向2%拉伸率時抗拉強度對應的初始切向模量作為材料的模量值。根據土工格柵現場檢測結果，材料參數具體取值見表3。

2 加筋路基性能分析

2.1 路基位移

根據現場試驗段采用豎向 60 cm間隔的土工格柵滿鋪進行測試，建立對應的數值分析模型。對采用土工格柵增強的路基有限元模型進行計算后，其位移云圖如圖2所示。

從圖2可以看出，路基的水平位移區域最大位于路基坡腳以下，其最大值為 5.94 mm，其中路基坡腳處的水平位移為 3.4 mm。填筑完成后兩坡腳點現場監測的平均水平位移為 3.64 mm，相差較小，考慮到現場監測點位的布置有一定的深度，兩者之間存在較好的一致性。路基的豎向位移的最大點位于路基上部中線位置，這與現場監測結論相符合，數值模型中路基沉降最大值為 4.23 cm，這一數值與現場實測的路基最大沉降 4.42 cm也基本一致，說明數值模型與現場試驗段的變形規律具有較好的一致性。

2.2 格柵內力

加筋路基中土工格柵的軸力云圖如圖3所示。

從圖3可以看出，由于路基填筑通鋪土工格柵，隨著上覆填土厚度的增加，土工格柵的軸力相應增加，土工格柵的軸力最大值位于第一層格柵上，為 5.24 kN，格柵應力未達到土工格柵的拉伸極限強度。從單層土工格柵上看，通鋪土工格柵軸力呈對稱分布，沿坡面向中心先增大后減小。

2.3 路基承載力

為分析土工格柵加筋對路基的承載能力提升的影響，在路基中間設計了采用 1 m寬度荷載試驗，通過調整荷載，獲得土工格柵加筋路基豎向壓力P與坡頂沉降值s的關系曲線，如圖4所示。由圖4可知，經過格柵加固的路基承載能力明顯提高。從豎向壓力來看，無格柵加筋路基在豎向壓力達到 800 kPa時出現剪切破壞，而 60 cm格柵加筋路基則在豎向壓力達到 1 300 kPa時才出現剪切破壞，加筋路基較無加筋路基承載力提升60%以上。

3 土工格柵加筋路基優化

在上述模型的基礎上，通過調整土工格柵的加筋間距、布置形式，建立不同的數值模型，分析并優化土工格柵加筋路基施工方案。

3.1 加筋間距

在原模型的基礎上，分別設計了豎向 30 cm間距、 60 cm間距、 90 cm間距、 120 cm間距滿鋪土工格柵加筋路基的數值模型，提取計算結果。不同間隔土工格柵下地基的最大沉降量和最大水平位移如圖5所示。

從圖5可以看出，土工格柵對路基的沉降控制有一定的作用，但作用較小。 30 cm間隔布置格柵加筋路基與無格柵加筋路基相比，沉降減少量約為3%。

但從坡腳水平位移來看，格柵加筋可以顯著地改善路基的水平位移， 30 cm間距時路基坡腳的水平位移為 3.14 mm，較無加筋路基坡腳水平位移減小了45.3%。隨著格柵加筋密度的增加，坡腳最大水平位移不斷減小，說明土工格柵加筋密度增大可以更好地改善路基的穩定性。從坡腳水平位移變化可以看出，隨著土工格柵加筋密度的增大，加筋路基的水平約束力逐漸降低。若以路基水平位移為控制指標，建議格柵布置間距為 60～90 cm，并根據填土施工厚度而定。

不同的布設密度情況下，土工格柵的最大軸力如圖6所示。從圖6可以看出，在土工格柵加筋路基中，由頂向下土工格柵的最大軸力逐步增大。隨著土工格柵上覆土體厚度的逐漸增大，格柵承受的土壓力不斷增加，在豎向沉降和側向土壓力作用下格柵發生拉伸，軸力逐漸增大。這個過程中格柵逐步發揮其加筋作用，水平向土體的摩擦和嵌固效應限制路基的側向變形。而埋深（覆土厚度）較淺的土工格柵的軸力較小，對路基性能提升的貢獻較小。因此，在實際施工中淺層可采用不布設或局部布設的形式，以提升土工格柵的利用效率。

此外，隨著土工格柵布設密度的增大，各土工格柵分擔了上部土體的側向土壓力，最大軸力均有所降低。填方完成后各土工格柵最大軸力所在空間位置如圖7所示。從圖7可以看出，各層土工格柵的最大軸力位置并不一致，從頂向下，各層土工格柵的軸力最大值位置逐步向中間移動。

3.2 布置形式

就土工格柵的布置形式，可從豎向不等距布設和橫向不通長布設兩個方面考慮。

根據對土工格柵的軸力分析，可知淺層的土工格柵軸力較小，埋深 1 m以下的通長格柵上的最大軸力 ＜0.5 kN。結合土工格柵軸力和最大軸力位置的分析，提出了兩種改進的格柵布置形式，布置的形式如表4所示。其中方案2中的中間層（ 1.8 m、 2.4 m、 3 m處）格柵左右對稱，單側布置長度取格柵最大軸力位置到坡邊線距離的2倍，分別是 9.8 m、 7.2 m、 4.6 m。

從表5可知，在路基的變形控制上，方案1在水平位移和沉降控制效果方面與原方案基本一致，方案2與原方案相比坡腳水平位移及沉降均有所增大。這說明在施工過程中路基上部埋深較淺處不布設土工格柵，對路基變形控制影響較小。以公路路基的位移作為控制指標，在綜合考慮安全性和施工經濟性的情況下，下密上疏、淺表空置的土工格柵布置方案是更優選擇。

從圖8可以看出，方案1與方案2中土工格柵的軸力最大值均出現在第一層，分別是 5.31 kN和 5.27 kN。兩種方案底層各土工格柵軸力分布形式與原方案一致，最大軸力均有少量增加。方案2中中層各土工格柵最大軸力大于方案1中中層格柵的最大軸力，這說明合理的橫向不通長布設土工格柵有利于更好地發揮格柵的作用。

4 結語

本文通過對某高速公路土工格柵加筋路基進行數值模擬，分析了加筋路基的性能，并通過調整土工格柵間距和布置方式，探討了土工格柵加筋路基的最佳方式，結論如下：

（1）土工格柵對填土路基的性能有較好的改善作用，可以較大地提升路基的承載能力，在一定程度上約束路基的水平位移，但對路基的沉降變形控制效果較小。

（2）隨著土工格柵加筋密度增大，路基的水平位移逐漸降低，但加筋路基的水平約束力逐漸降低。以路基水平位移為控制指標，建議格柵布置間距約為 60～90 cm。

（3）埋深較淺的土工格柵的軸力較小，路基上部埋深較淺處不布設土工格柵，對路基整體的變形控制影響較小。

（4）以公路路基的位移作為控制指標，在綜合考慮安全性和施工經濟性的情況下，下密上疏、淺表空置的土工格柵布置方案是更優選擇。

參考文獻

［1］張 震，郭小鵬.土工格柵和土工織物加筋地基研究綜述［J］.路基工程，2021（2）：1-8.

［2］李袁昊，王 寧.拓寬道路路基變形特性及土工格柵處治措施研究［J］.礦業研究與開發，2016，36（11）：89-93.

［3］胡衛國，何橋敏.土工格柵在填方路堤中的加筋作用試驗研究［J］.中外公路，2018，38（1）：38-42.

［4］楊 慶，季大雪，欒茂田，等.土工格柵加筋路堤邊坡結構性能模型試驗研究［J］.巖土力學，2005（8）： 1 243-1 246， 1 252.

［5］Montanelli Filippo，Recalcati Piergiorgio.土工格柵在提高鐵路路基承載力中的應用［J］.鐵道建筑，2006（7）：64-66.

［6］楊廣慶，龐 巍，呂 鵬，等.塑料土工格柵拉伸特性試驗研究［J］.巖土力學，2008（9）： 2 387-2 391.

收稿日期：2022-10-12