基于土工格室的山區(qū)公路路基改擴(kuò)建變形控制分析

于少博

（中國交通建設(shè)股份有限公司總承包經(jīng)營分公司,北京 100088）

0 引言

山區(qū)公路由于受地形、地質(zhì)條件及投資等因素的影響在建設(shè)初期常采用較低的設(shè)計(jì)指標(biāo)，但隨著交通量的逐年增大，原有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足發(fā)展要求，需對公路進(jìn)行改擴(kuò)建處理。目前，國內(nèi)眾多學(xué)者對公路改擴(kuò)建及控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究。黃良杰等[1]以實(shí)際工程為背景，采用數(shù)值模擬分析了公路改擴(kuò)建對路基穩(wěn)定性的影響；鄧少梅[2]等通過數(shù)值模擬對高速公路拓寬工程的變形特點(diǎn)進(jìn)行了研究；周游[3]通過現(xiàn)場試驗(yàn)和沉降監(jiān)測驗(yàn)證了高速液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)及土工格室應(yīng)用技術(shù)在公路改擴(kuò)建工程新老路基拼接中的可行性及有效性；薛洋[4]采用有限元軟件分析了土工格室的加固效果及其設(shè)計(jì)參數(shù)對拓寬路基變形的影響規(guī)律；王家全等[5]針對山區(qū)高填方新舊路基不均勻沉降問題，根據(jù)數(shù)值分析和現(xiàn)場實(shí)際情況提出土工格室的處理方案并重點(diǎn)分析了施工控制方法及施工效果。土工格室對于改擴(kuò)建公路拓寬路基沉降和變形具有很好的控制效果，但對控制變形特征還待進(jìn)一步深入研究。基于此，該文以四川某山區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程為背景，采用有限元軟件對新舊路基的沉降及變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析了土工格室對拓寬路基變形穩(wěn)定性的影響，以期為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

依托工程為四川某山區(qū)高速公路舊路基改造工程，位于四川盆地北部，處于山地與盆地的接觸地帶，地形以中低山、丘陵為主，河谷堆積地貌，巖性主要為砂泥巖。原道路為雙向兩車道二級公路，擴(kuò)建為雙向四車道一級公路，設(shè)計(jì)車速為60 km/h。路基寬度由原設(shè)計(jì)值11 m增至26 m，考慮實(shí)際施工的難易程度，該路基采用舊路基單側(cè)加寬方式，左側(cè)為擴(kuò)建部分，新路基寬約15 m，舊路基寬約11 m。路基高度有3 m 增至4 m，邊坡比保持1 ∶1.5 不變。拓寬公路新舊路基交界處采用鋪設(shè)土工格室進(jìn)行加固，共鋪設(shè)4 層。

土工格室的施工主要包括鋪設(shè)前準(zhǔn)備、鋪設(shè)及掛網(wǎng)、填筑、平整碾壓和檢查驗(yàn)收五個(gè)步驟[6]。具體施工方案如下：

（1）鋪設(shè)前準(zhǔn)備：在施工開始前，對施工現(xiàn)場進(jìn)行勘察和測量，確定土工格室的尺寸、形狀以及布置，并隨機(jī)抽取樣品測定其強(qiáng)度指標(biāo)使其滿足規(guī)范要求。同時(shí)，基于設(shè)計(jì)要求選擇合適的土壤材料和填充物，并對其進(jìn)行必要的處理和篩選。此外，確定施工所需的設(shè)備、工具和人力資源，制定施工計(jì)劃和安全措施，以確保施工順利進(jìn)行。

（2）鋪設(shè)及掛網(wǎng)：將預(yù)處理的土壤材料逐層鋪設(shè)并壓實(shí)，以形成土工格室的主體結(jié)構(gòu)。在鋪設(shè)的過程中，要注意控制土層的厚度和均勻性，以確保土工格室的穩(wěn)定性和性能。此外，在適當(dāng)?shù)奈恢脩覓煸鰪?qiáng)材料，如土工布或鋼絲網(wǎng)，以加強(qiáng)土工格室的抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（3）填筑：將預(yù)處理的土壤材料逐層填充到土工格室內(nèi)部，使其與周圍土壤緊密結(jié)合。填筑過程中需要控制土層的厚度、密實(shí)度和均勻性，以確保土工格室的整體穩(wěn)定性和性能。

（4）平整及碾壓：填筑完成后，進(jìn)行平整和碾壓工作，以進(jìn)一步提高土工格室的密實(shí)度和穩(wěn)定性。通過使用合適的振動(dòng)或壓實(shí)設(shè)備，對填筑土進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲簩?shí)處理，確保土層緊密結(jié)合，并達(dá)到設(shè)計(jì)要求的密實(shí)度和承載力。

（5）檢查驗(yàn)收：施工完成后，對土工格室的尺寸、形狀、厚度、密實(shí)度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證施工是否符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，還需要檢查土工格室與周圍土壤的連接情況，確保其在整體工程結(jié)構(gòu)中的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。如果發(fā)現(xiàn)任何問題，應(yīng)及時(shí)采取糾正措施，以確保土工格室達(dá)到預(yù)期的功能和性能。

土工格室的加固機(jī)理如下[7]：

首先，土工格室的立體結(jié)構(gòu)本身能夠有效地分散并承擔(dān)路基上的荷載，將荷載傳遞到更廣泛的土體范圍內(nèi)，從而減輕局部土體的承載壓力，降低路基的沉降和變形風(fēng)險(xiǎn)。

其次，土工格室內(nèi)部的填充材料與周圍土體相互交織，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，通過摩擦和內(nèi)聚力的作用，有效地增加土體的抗剪強(qiáng)度。這種內(nèi)部填充材料與土工格室的相互作用，使得路基整體在承受荷載時(shí)能夠更加均勻地分布荷載，降低局部應(yīng)力集中，從而提高了路基的穩(wěn)定性和耐久性。

最后，通過格室相互之間的反作用力，抵消了因荷載產(chǎn)生的橫向位移，將土工格室設(shè)置在地基表面，可有效抑制土體的側(cè)向隆起，控制土體的剪切滑移，大大提高了地基的穩(wěn)定性。

2 數(shù)值模擬

2.1 基本假定

為更好地模擬路基的實(shí)際變形情況及保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行建模分析之前做出如下假定：①假定路堤足夠長，按平面應(yīng)變問題進(jìn)行處理；②土體采用摩爾—庫倫模型進(jìn)行模擬；③新舊路基接觸面不產(chǎn)生滑移，且為完全連續(xù)接觸面；④路基和地基土均視為各向同性的均質(zhì)彈性材料；⑤地基土自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力；⑥采用逐級加載來模擬路基加寬過程；⑦土工格室與內(nèi)部填料視為一個(gè)整體，均視為線彈性結(jié)構(gòu)層，計(jì)算時(shí)用復(fù)合模量來表示土工格室與內(nèi)部填料的相互作用特性。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明[8]，復(fù)合模量的大小與其中的填料有很大關(guān)系。粘性土模量的提高在1.5 倍左右，而砂粒的模量提高在2～3 倍，該文計(jì)算土工格室復(fù)合模量取填料模量的2 倍。

2.2 模型尺寸及計(jì)算參數(shù)

采用有限元軟件Midas 建立拓寬路基數(shù)值模型，模型中路基土采用平面應(yīng)變單元模擬，地基土采用流固耦合單元模擬，路堤設(shè)計(jì)寬度26 m，舊路基寬度約11 m，高度為3 m，左側(cè)新路基寬度約15 m，高度為4 m，地基土長60 m，寬30 m，地基底面施加三個(gè)方向的完全約束，共計(jì)885 個(gè)單元和981 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模型中涉及的土層物理力學(xué)參數(shù)及土工格室的結(jié)構(gòu)參數(shù)均參考地勘報(bào)告并結(jié)合設(shè)計(jì)資料進(jìn)行確定。土工格室的計(jì)算參數(shù)采用復(fù)合模量進(jìn)行計(jì)算。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 固結(jié)沉降分析

為驗(yàn)證土工格室對拓寬路基沉降的控制效果，選取土工格室鋪設(shè)完成后路基的豎向位移進(jìn)行數(shù)值分析，如圖1 所示。可以看出，新舊路堤頂面的差異沉降并不大，路堤底面最大沉降出現(xiàn)在新填路基一側(cè)，靠近新舊路基交接部位，這是因?yàn)槭┕ね瓿珊笮侣返坦探Y(jié)沉降量較大，而舊路基固結(jié)沉降量較小。老路基沉降也受到新拓寬路基的影響，出現(xiàn)左右不對稱分布。

圖1 施工完成后路基豎向位移

鋪設(shè)完成后路面沉降量總體較小，最大值位于新拓寬路基一側(cè)，最大沉降量為0.39 cm，通車后隨著列車的動(dòng)力荷載，路面發(fā)生二次固結(jié)沉降，沉降最大值為1.09 cm，舊路基在上覆新路基及列車動(dòng)荷載的作用下也會(huì)發(fā)生再次沉降，不過總體而言新舊路基沉降量變化比較平緩，且新舊路基結(jié)合部位并沒有出現(xiàn)過大的差異沉降，路基保持在安全穩(wěn)定范圍內(nèi)。

通車后在列車動(dòng)荷載作用下，由于新老路基在填料性質(zhì)、固結(jié)度、變形穩(wěn)定性等方面的差異，在路堤底面產(chǎn)生差異沉降，新添路基一側(cè)發(fā)生較大沉降，最大沉降量為1.38 cm，舊路基由于前期固結(jié)已經(jīng)完成，路基底面沉降較小。

綜上所述，土工格室的加筋作用對于提高新舊路基結(jié)合部位的承載能力，降低新舊路基表面的不均勻沉降能起到很好的防護(hù)作用。

3.2 水平位移分析

路基的改擴(kuò)建過程，道路結(jié)構(gòu)的水平位移較為明顯，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響不容忽視。分析施工后路堤頂面的水平位移可知，路基填筑完成后路堤頂面的水平位移變化量很小，最大水平位移僅有0.66 cm，且變形較為平緩，相比于未加固前的0.91 cm 減小了27%，說明鋪設(shè)土工格室對于減小新舊路基的水平變形具有很好的控制效果。通車后在列車動(dòng)荷載作用下，路基變形增大，最大值為0.19 cm，位于新拓寬路基一側(cè)，控制在容許變形范圍之內(nèi)。綜上，土工格室可以有效改善路基的水平變形，增強(qiáng)路基的安全穩(wěn)定性。

3.3 土工格室參數(shù)優(yōu)化

為探究土工格室對拓寬路基加固效果的影響，優(yōu)化土工格室設(shè)計(jì)參數(shù)，分別選取不同鋪設(shè)寬度及不同鋪設(shè)高度土工格室后拓寬路基的沉降變化規(guī)律進(jìn)行分析。當(dāng)鋪設(shè)層數(shù)為1 層、2 層、3 層、4 層時(shí)路基的最大水平位移分別減小了5.1%、5.1%、5.1%、5.1%，最大沉降量分別減小了4.1%、8.7%、11.3%、12.3%，其中，鋪設(shè)3 層和4 層時(shí)路基頂面的加固效果變化較小，因此在考慮經(jīng)濟(jì)性的情況下選擇鋪設(shè)3 層土工格室為最佳方案。當(dāng)鋪設(shè)長度為6 m、8 m、10 m、12 m 時(shí)路基的最大沉降量分別減小了5.6%、9.8%、12.1%、13.7%。可以看出，鋪設(shè)長度超過10m后路基水平位移及沉降量的減幅逐漸減小，綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，鋪設(shè)長度選擇10 m 最優(yōu)。

綜上分析可以看出，隨著土工格室鋪設(shè)層數(shù)及鋪設(shè)長度的增加，路基頂面的沉降量逐漸減小，說明增加鋪設(shè)層數(shù)及鋪設(shè)長度可有效降低新舊路基的變形和不均勻沉降。在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性的情況下，土工格室鋪設(shè)層數(shù)和長度選擇3 層和10 m 為最優(yōu)施工方案。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 測點(diǎn)布置

根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算規(guī)律分析，為驗(yàn)證土工格室對拓寬路基沉降的控制效果，擴(kuò)建路基施工現(xiàn)場采用在新舊路基交界處鋪設(shè)土工格室降低路基沉降，在新舊路基里埋設(shè)沉降測試元件，同時(shí)，在新路基路邊線布置沉降監(jiān)測點(diǎn)，對路基豎向變形進(jìn)行監(jiān)測，共設(shè)置2 個(gè)測試斷面，每個(gè)測試斷面共設(shè)置5 個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)10 個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)測試斷面上，老路基設(shè)置1 個(gè)測點(diǎn)，其余四個(gè)分布在新路基上。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

擴(kuò)建路基施工完成后，為研究路基的沉降變形情況，選取1#、2#、3#、4#、5#五個(gè)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到路基各個(gè)位置的沉降變化曲線如圖2 所示。施工完成后在外界荷載作用下，路基頂面發(fā)生固結(jié)沉降，隨著時(shí)間的增加路堤頂面沉降量逐漸增大。可以看出，工后路基的累計(jì)沉降量總體較小，最大沉降量為0.89 cm，發(fā)生在新填路基外側(cè)，新舊路堤的不均勻沉降亦較小，最大差異值為0.56 cm，且實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律一致、相差較小，說明鋪設(shè)土工格室能夠有效提高路基的承載能力，降低新老路基的不均勻沉降。

圖2 路堤各個(gè)位置的沉降變化曲線

5 結(jié)論

依托四川某山區(qū)高速溝路改擴(kuò)建工程，采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測對土工格室加固拓寬路基的沉降及變形規(guī)律進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，擴(kuò)建路基的最大沉降發(fā)生在新拓寬路基一側(cè)，路基頂面施工后和通車后最大沉降量分別為0.39 cm 和1.09 cm，路基底面最大沉降量為1.38 cm，保持在安全穩(wěn)定范圍之內(nèi)，說明土工格室可以有效提高地基的承載能力，減小新舊路基的不均勻沉降。

（2）路基填筑完成后路基頂面的水平位移變化很小，只有0.06 cm，且變形較為平緩，通車后最大位移為0.19 cm，控制在容許變形范圍之內(nèi)，說明土工格室可以有效改善路基的水平變形，增強(qiáng)路基的安全穩(wěn)定性。

（3）增大土工格室的鋪設(shè)層數(shù)和鋪設(shè)長度可有效降低新舊路基頂面的變形和不均勻沉降，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性的情況下，土工格室鋪設(shè)層數(shù)和長度選擇3 層和10 m 為最優(yōu)施工方案。

（4）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，工后路基的累計(jì)沉降量總體較小，最大沉降量為0.89 cm，新舊路堤的不均勻沉降亦較小，且實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律一致、相差較小，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。