謝虎

（益陽市赫山區(qū)公路建設養(yǎng)護中心，湖南 益陽 413000）

在改擴建現(xiàn)有道路時往往會遇到路基結構不穩(wěn)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(jīng)過鋪設土工格柵處治的路基結構強度高，穩(wěn)定性好，且加固效果持續(xù)時間長。借助MIDAS/GTS 進行建模分析發(fā)現(xiàn)土工格柵加筋層數(shù)與路基加固效果有直接關系，主要對位移、穩(wěn)定系數(shù)、應力等參數(shù)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(shù)。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(qū)域，擬對路基進行加固。由于道路左側不便開展施工作業(yè)，因此選擇在道路右側進行道路拓寬改造施工，擬將現(xiàn)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(jié)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(jù)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(wǎng)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(guī)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(shù)。

表1 路基加寬及加固土體材料物理參數(shù)表

3 有限元軟件分析結果

在施工規(guī)劃環(huán)節(jié)，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(wěn)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(shù)，通過調整加筋層數(shù)分析其與路基位移、位移、文檔系數(shù)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(shù)。

3.1 土工格柵加筋層數(shù)對路基位移的影響

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

圖3 土工格柵加筋層數(shù)與路基位移的變化

3.1.2 根據(jù)圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，路基表面各點的水平位移在加筋層數(shù)為0 時最大，水平位移與加筋層數(shù)成反比。由此可見，通過加筋層數(shù)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(shù)在1-3 之間時，隨著層數(shù)增加，水平位移顯著降低。當層數(shù)增加到4 層以上時，水平位移雖會降低，但降低數(shù)值很小。事實表明，當土工格柵加筋層數(shù)大于3 層時，進一步增加加筋層數(shù)已經(jīng)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(fā)現(xiàn)，路基頂部表面各點垂直位移在加筋層數(shù)為0 時最大。當土工格柵加筋層數(shù)在1-3 之間遞增時，垂直位移值顯著降低，當層數(shù)大于4 層時，垂直位移的降低數(shù)值很小，路基加固效應不再明顯。由此可見，層數(shù)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(wěn)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(shù)最佳為3 層。

3.2 土工格柵加固層數(shù)對路基受力的影響

3.2.1 土工格柵加固層數(shù)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(shù)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(shù)與路基應力的變化

3.2.2 根據(jù)圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，路基頂部表面任意一點的水平位移在未加筋狀態(tài)下均達到最大值。隨著加筋層數(shù)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(wěn)定性。

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

3.2.4 根據(jù)圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，軟土路基頂部表面任一點的垂直應力在加筋層數(shù)為0 時達到最大值。隨著層數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(wěn)定，由此可見，土工格柵加筋層數(shù)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(yè)成本，確定土工格柵最佳加筋層數(shù)為三層。

3.3 土工格柵加固層數(shù)對路基穩(wěn)定性的影響

3.3.1 土工格柵加固層數(shù)的變化也會對軟土路基結構的穩(wěn)定系數(shù)產(chǎn)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(shù)變化與路基穩(wěn)定性

3.3.2 由圖5 可知，在加筋層數(shù)為0 時，路基的穩(wěn)定系數(shù)最小，且隨著土工格柵加筋層數(shù)的增加而增大?？梢钥闯?，增加土工格柵加筋層數(shù)可提高道路路基結構的穩(wěn)定性。

3.3.3 當加筋層數(shù)從一層增加到三層時，路基的穩(wěn)定系數(shù)顯著增加，但當加筋層數(shù)達到四層以上時，路基穩(wěn)定系數(shù)雖會增加，但增加幅度很小，路基機構穩(wěn)定性提升不明顯。加筋層數(shù)三層時對應的路基穩(wěn)定系數(shù)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(shù)為三層。

4 結論

在改擴建現(xiàn)有道路時經(jīng)常會面臨路基結構不穩(wěn)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(wěn)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(shù)與路基參數(shù)的變化趨勢的關系進行分析計算，繪制土工格柵加筋層數(shù)與軟土路基位移、應力、穩(wěn)定系數(shù)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(wǎng)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(shù)與軟土路基位移、位移、應力、穩(wěn)定系數(shù)都出現(xiàn)了顯著減少。當土工格柵加筋層數(shù)在1-3 層范圍內遞增時，上述各參數(shù)的降低非常明顯，當土工格柵加筋層數(shù)增加到4 層以上時，上述各參數(shù)均有變化，但變化幅度很小。同時，當土工格柵加筋層數(shù)1-3 層范圍內遞增時，路基的穩(wěn)定系數(shù)已經(jīng)滿足施工設計要求?？梢钥闯?，當土工格柵加層數(shù)達到四層以上時，就算再次增加土工格柵加筋層數(shù)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(shù)。