邱 毅，余 強(qiáng)，陳 強(qiáng)，王 東

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610041； 2.中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，成都 610031)

公路建設(shè)的高速發(fā)展有效緩解了我國(guó)公共交通的緊張狀況，但隨著交通量的快速增長(zhǎng)，依然存在運(yùn)輸能力不足的問題。公路拓寬工程由于投資小、占地少，逐漸成為提升公路運(yùn)輸能力的有效措施，而新老路基的拼接質(zhì)量是公路拓寬工程的關(guān)鍵。在既有道路邊坡開挖臺(tái)階、鋪設(shè)土工合成材料等是減小新老路基差異沉降的常用方案。土工格柵和土工格室是目前應(yīng)用較為廣泛且具代表性的加筋材料[1-2]，如表1所示。

相關(guān)學(xué)者也對(duì)土工合成材料加筋技術(shù)開展了大量研究。晏莉等[3]介紹了樁承土工合成材料加筋墊層法的作用機(jī)理、設(shè)計(jì)方法和工程應(yīng)用，指出土工合成材料加筋墊層能提高樁的應(yīng)力分擔(dān)，降低樁間土的差異沉降；王協(xié)群等[4]指出土工合成材料能夠保證結(jié)構(gòu)層的完整性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層剛度，有效抵抗反射裂縫；張占領(lǐng)等[5]結(jié)合高速公路拓寬工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了不同的土工格柵鋪設(shè)方式對(duì)筋材中拉伸力以及拉伸率的影響，并建議在新老路基拼接處2 m范

表1 我國(guó)部分高速公路拓寬工程中的加筋材料

圍內(nèi)鋪設(shè)土工格柵；傅珍等[6]通過離心機(jī)試驗(yàn)，分析了多組土工格室為主的加筋方案對(duì)拓寬工程中差異沉降的影響，認(rèn)為對(duì)拼接段進(jìn)行加筋能夠有效控制差異沉降；謝永利等[7]結(jié)合高速公路路基不均勻沉降處治工程實(shí)際，采用數(shù)值仿真、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試多種方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土工格室柔性結(jié)構(gòu)層能有效協(xié)調(diào)差異沉降，并建議選取高模量的填料配合加筋。

土工格柵的應(yīng)用比較廣泛，相關(guān)研究也較成熟[8-10]，土工格室的應(yīng)用研究正處于不斷發(fā)展完善階段[11-13]，而有關(guān)土工格柵和土工格室加筋對(duì)比研究較少，李廣信[14]認(rèn)為人們對(duì)筋-土之間相互作用的機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠深入，故目前設(shè)計(jì)偏于保守。本文系統(tǒng)地研究土工格柵、土工格室加筋對(duì)路基差異沉降的影響，討論不同位置處土工格柵和土工格室的加筋效果，并進(jìn)一步分析其機(jī)理，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本文以京港澳高速公路路基拓寬工程的代表性斷面為例，拓寬方案為原雙向4車道兩側(cè)拓寬為雙向8車道，老路基高度為6 m，邊坡坡比為1∶1.5，原路面半幅寬度為12 m，拓寬后寬度為19.5 m。拓寬后的典型斷面設(shè)計(jì)如圖1所示。

將路床以及臺(tái)階開挖面作為土工合成材料鋪設(shè)面，充分發(fā)揮土工合成材料的加筋作用。其中，高速公路布置Ⅰ級(jí)車道荷載，其中均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk= 10.5 kN/m，集中荷載Pk= 270 kN。拓寬后為雙向8車道，橫向分布系數(shù)取0.50。

單位：m

2 數(shù)值模擬

2.1 路基和地基土體模擬

采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬新老路基以及地基土體，如圖2所示，地基取計(jì)算深度30 m，寬85 m。

單位：m

本文重點(diǎn)研究路基中不同位置的土工格柵和土工格室加筋對(duì)路基差異沉降的控制效果，故假設(shè)地基彈性模量與路基相同，減少因?yàn)榈鼗倪^大變形對(duì)加筋效果的干擾。由于考慮集中荷載Pk的作用，故在路基頂部添加一層厚0.26 m的線彈性結(jié)構(gòu)層，以防止路基頂部發(fā)生塑性破壞。

數(shù)值模擬求解精度與模型網(wǎng)格的劃分息息相關(guān)，老路模型進(jìn)行不同網(wǎng)格密度劃分的測(cè)試結(jié)果如圖3所示，最終選取8 055個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

2.2 土工合成材料模擬

使用FLAC3D[15]軟件中內(nèi)置的Geogrid單元模擬

(a) 地基附加沉降最大值

(b) 地基附加沉降曲線

圖4 網(wǎng)格劃分

Fig.4 Mesh generation

土工格柵和土工格室。Geogrid單元是FLAC3D內(nèi)置的3節(jié)點(diǎn)18個(gè)自由度的三角形單元，其在局部坐標(biāo)系x、y方向(剪切面方向)與土體zone單元理想彈塑性連接，模擬土工格柵與土體間的剪切摩擦作用；在局部坐標(biāo)系z(mì)方向(法方向)與土體單元?jiǎng)傂赃B接，模擬土工格柵對(duì)土體的加筋作用。

應(yīng)用內(nèi)嵌的Fish語(yǔ)言編程生成多片Geogrid單元，再排列組合生成土工格室，如圖5(a)所示；土工格柵則直接使用Geogrid單元進(jìn)行模擬，如圖5(b)所示；具體計(jì)算參數(shù)如表2、表3所示。

(a) 土工格室

(b) 土工格柵

表2 路基及地基計(jì)算參數(shù)

表3 土工材料計(jì)算參數(shù)

2.3 加筋方案模擬

筆者查閱了我國(guó)部分高速公路拓寬工程設(shè)計(jì)資料(表1)，實(shí)際工程中有關(guān)土工合成材料的應(yīng)用主要分為3大類。

1) 鋪設(shè)在路床中，提高路面結(jié)構(gòu)的拼接質(zhì)量，抑制反射裂縫。相關(guān)研究較多，已成普遍共識(shí)，故不作研究。

2) 鋪設(shè)在碎石、砂礫、石灰土墊層中，配合碎石樁、預(yù)應(yīng)力管樁、高壓旋噴樁，以降低新路基沉降。該應(yīng)用中樁起主導(dǎo)作用，土工合成材料起輔助作用，故不作研究。

3) 鋪設(shè)在路基頂部、底部和臺(tái)階開挖面上，對(duì)路基進(jìn)行加筋，增強(qiáng)路基穩(wěn)定性，降低差異沉降。

各工程中土工合成材料路基加筋方式差異很大，沒有明確的加筋準(zhǔn)則，故將重點(diǎn)研究。結(jié)合工程實(shí)際，選擇5個(gè)臺(tái)階開挖面、路基頂部和路基底部，共7個(gè)加筋位置；加筋材料選用土工格柵和土工格室，共2種材料。分別在7個(gè)加筋位置鋪設(shè)單層土工格柵和單層土工格室，共2×7=14種加筋方案。比較不同加筋材料和不同加筋位置對(duì)加筋效果的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 加筋位置對(duì)差異沉降的影響

分別在7個(gè)加筋位置鋪設(shè)單層土工格柵/土工格室進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。在位置1、7鋪設(shè)土工格柵對(duì)路基達(dá)不到加筋效果，無(wú)法減小路基的差異沉降；相反，在位置1、7鋪設(shè)土工格室能夠達(dá)到一定加筋效果，但路基差異沉降依然很大。在位置2鋪設(shè)土工格柵，能夠發(fā)揮其加筋作用，因?yàn)殇佋O(shè)在臺(tái)階開挖面上的格柵起著錨固作用，限制了土工格柵和新路基的變形；在位置2鋪設(shè)土工格室，加筋效果比位置1更好一些，但略差于土工格柵加筋。土工格柵鋪設(shè)在位置5加筋效果最優(yōu)，其次分別是在位置4、3、6。土工格室加筋具有相同的規(guī)律。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在拼接路基的頂部和底部鋪設(shè)土工格室，能一定程度減小路基沉降，但鋪設(shè)土工格柵效果甚微；而在其中偏下部鋪設(shè)土工格柵和土工格室，均能顯著減小路基沉降，相比較而言土工格柵加筋效果優(yōu)于土工格室。

3.2 加筋機(jī)理分析

3.2.1 加筋對(duì)路基剪切應(yīng)變的影響

公路拓寬工程中老路基的固結(jié)沉降已經(jīng)基本完成，故在老路基重力及車道荷載作用下，沉降變形較小。而新路基沉降變形較大、穩(wěn)定性差，這使得在新老路基界面、新路基與地基界面上易產(chǎn)生較大的剪切變形而發(fā)生塑性破壞，并使得路基沉降量過大，如圖7所示。

(a) 地基附加沉降最大值

(b) 在位置3、4、5、6加筋

圖7 未加筋路基剪應(yīng)變分布云圖

不同位置加筋后路基的剪切變形分布如圖8所示。由圖8(a)、(b)可以看出，在位置4鋪設(shè)土工格室，格室加筋層與路基底層之間集中分布有較大的剪切應(yīng)變；在同樣的位置鋪設(shè)土工格柵，同樣集中分布較大的剪切應(yīng)變；相比土工格室，在位置4鋪設(shè)土工格柵能夠更有效地均化新路基剪切應(yīng)變集中現(xiàn)象；由圖8(c)、(d) 可知，在位置5鋪設(shè)土工格柵和土工格室，路基中無(wú)明顯剪切應(yīng)變集中現(xiàn)象。

綜上可知，在位置5鋪設(shè)土工格柵，新路基剪切應(yīng)變更小，路基穩(wěn)定性更好。

(a) 土工格室鋪設(shè)在位置4

(b) 土工格柵鋪設(shè)在位置4

(c) 土工格室鋪設(shè)在位置5

(d) 土工格柵鋪設(shè)在位置5

3.2.2 加筋對(duì)路基應(yīng)力的影響

在位置1、7分別鋪設(shè)土工格柵和土工格室，通過計(jì)算路基中的豎向應(yīng)力，分析二者對(duì)路基沉降的影響。新路基中豎向應(yīng)力云圖分布如圖9所示。

比較圖9(b)、(e)可知，土工格柵分別鋪設(shè)在位置1、7，路基中豎向應(yīng)力分布相似，進(jìn)一步與圖9(c)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在位置1、7鋪設(shè)土工格柵作用不大；比較圖9(a)、(b)可知，在位置1鋪設(shè)土工格室使得老路基中豎向應(yīng)力有所增大，而新路基中豎向應(yīng)力有所減??；比較圖9(d)、(e)可知，在位置7鋪設(shè)土工格室，雖然對(duì)新路基豎向應(yīng)力分布改變不大，但老路基豎向應(yīng)力有所均化。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在路基頂部和底部鋪設(shè)土工格柵無(wú)法改善路基中豎向應(yīng)力的分布，故加筋效果差，無(wú)法減小新路基的沉降。在路基頂部鋪設(shè)土工格室可均化路基中豎向應(yīng)力，增大老路基中豎向應(yīng)力，同時(shí)還能減小新路基中豎向應(yīng)力。在路基底部鋪設(shè)土工格室，能夠均化老路基拼接段豎向應(yīng)力，從而減小新路基沉降。

(a) 土工格室鋪設(shè)在位置1

(b) 土工格柵鋪設(shè)在位置1

(c) 未加筋路基

(d) 土工格室鋪設(shè)在位置7

(e) 土工格柵鋪設(shè)在位置7

3.3 土工格柵-格室組合加筋技術(shù)

在路基頂部和底部鋪設(shè)土工格室，能夠均化新老路基中豎向應(yīng)力的分布，而鋪設(shè)土工格柵效果甚微。在路基中偏下部鋪設(shè)土工格柵比土工格室更能有效控制新路基中剪切應(yīng)變，提高路基穩(wěn)定性，從而減小新路基沉降。根據(jù)土工格柵和土工格室在不同位置加筋效果的不同，同時(shí)考慮到二者的施工難易程度及經(jīng)濟(jì)性(相較土工格室，土工格柵施工方便且單價(jià)較低)，建議在路基中偏下部鋪設(shè)2層土工格柵，以提高新路基的穩(wěn)定性，在路基頂部和底部鋪設(shè)2層土工格室，以均化新老路基中應(yīng)力的分布。

通過計(jì)算土工格柵-格室組合加筋方案(鋪3層)、7個(gè)位置全鋪設(shè)土工格柵加筋方案(鋪7層)及7個(gè)位置全鋪設(shè)土工格室加筋方案(鋪7層)的新路基沉降，研究不同加筋組合方案對(duì)路基沉降的影響，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，土工格柵加筋與土工格室加筋差異不大，因?yàn)?層全加筋時(shí)，路基的穩(wěn)定性及應(yīng)力分布良好，其變形是由自身沉降不完全所引起，這與傅珍等[6]所得結(jié)果一致；組合加筋方案使用了較少的土工格柵和土工格室材料，但加筋效果足以媲美7層全加筋，即合理選擇土工合成材料及鋪設(shè)位置，可提高加筋效果且更具經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

圖10 加筋組合方式對(duì)路基沉降的影響

4 結(jié)論與建議

通過在路基中合理埋設(shè)土工合成材料，發(fā)揮其加筋作用，可有效擴(kuò)散應(yīng)力集中、傳遞拉應(yīng)力、限制土體的側(cè)向位移、增加土體模量并增加土體和其他材料之間的摩阻力，進(jìn)而整體提高路基及上部結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性。

1) 當(dāng)路基穩(wěn)定性較差時(shí)，土工合成材料的鋪設(shè)位置對(duì)新路基差異沉降有很大影響。在路基中偏下部加筋效果良好，在路基頂部和底部加筋效果較差。

2) 在路基中偏下部鋪設(shè)土工合成材料能夠顯著提高路基的穩(wěn)定性，控制新路基沉降，且土工格柵加筋效果優(yōu)于土工格室。

3) 在路基頂部和底部鋪設(shè)土工格室能夠均化新路基應(yīng)力的分布，從而控制新路基沉降；而土工格柵對(duì)路基應(yīng)力均化效應(yīng)甚微。

4) 土工格柵-格室組合加筋可提高加筋效果，且更具經(jīng)濟(jì)性。

5) 在進(jìn)行老路拓寬時(shí)應(yīng)優(yōu)先在新路基中偏下部鋪設(shè)土工格柵，以提高路基的穩(wěn)定性；在路基頂部和底部加筋時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇土工格室。