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(shù)值分析模型，分析土工格柵加筋路基的性能，并通過調(diào)整加筋間距、布置方式，對路基加筋方案進行優(yōu)化，提出合理的施工方案。研究結(jié)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(cè)向變形，但對路基沉降控制改善效果較??；下密上疏、淺表空置的土工格柵布置方案是更優(yōu)選擇，建議格柵布置間距為60～90 cm。

關鍵詞：土工格柵；路基；數(shù)值模擬；變形控制；優(yōu)化參數(shù)

中圖分類號：U416.212 A 17 054 4

0 引言

土工格柵是一種性能優(yōu)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(wèi)國等［3］開展加筋填土室內(nèi)試驗研究，結(jié)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(shù)的增加，土工格柵的側(cè)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(nèi)小比尺模型試驗，研究了土工格柵加筋參數(shù)對路堤邊坡結(jié)構(gòu)性能的影響，結(jié)果表明，加筋能大幅提高邊坡的穩(wěn)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(jié)果證明加入土工格柵能減小循環(huán)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(diào)整土工格柵加筋間距和布置方式進行方案優(yōu)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(jù)。

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(zhì)分區(qū)屬構(gòu)造、剝蝕殘丘區(qū)，丘陵地貌。淺部分布有 0.3～0.5 m厚的有機質(zhì)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(jié)構(gòu)松散、工程性質(zhì)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(shù)，現(xiàn)場開展試驗測試。采用TGSG50型雙向塑料土工格柵，其參數(shù)如表1所示?，F(xiàn)場采用間隔為 0.6 m，橫向滿鋪。

1.2 路基模型的建立

根據(jù)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(jù)現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)，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(shù)

數(shù)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(jù)試驗檢測數(shù)據(jù)，各土層的力學參數(shù)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(jù)土工格柵現(xiàn)場檢測結(jié)果，材料參數(shù)具體取值見表3。

2 加筋路基性能分析

2.1 路基位移

根據(jù)現(xiàn)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(shù)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(qū)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(xiàn)場監(jiān)測的平均水平位移為 3.64 mm，相差較小，考慮到現(xiàn)場監(jiān)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(xiàn)場監(jiān)測結(jié)論相符合，數(shù)值模型中路基沉降最大值為 4.23 cm，這一數(shù)值與現(xiàn)場實測的路基最大沉降 4.42 cm也基本一致，說明數(shù)值模型與現(xiàn)場試驗段的變形規(guī)律具有較好的一致性。

2.2 格柵內(nèi)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(diào)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(yōu)化

在上述模型的基礎上，通過調(diào)整土工格柵的加筋間距、布置形式，建立不同的數(shù)值模型，分析并優(yōu)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(shù)值模型，提取計算結(jié)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(wěn)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(jù)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(cè)向土壓力作用下格柵發(fā)生拉伸，軸力逐漸增大。這個過程中格柵逐步發(fā)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(cè)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(cè)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(jù)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(jié)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(cè)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(jīng)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(yōu)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(xiàn)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(fā)揮格柵的作用。

4 結(jié)語

本文通過對某高速公路土工格柵加筋路基進行數(shù)值模擬，分析了加筋路基的性能，并通過調(diào)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(jié)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(jīng)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(yōu)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(yè)研究與開發(fā)，2016，36（11）：89-93.

［3］胡衛(wèi)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(jié)構(gòu)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