公路路基拓宽工程中土工格栅参数优化研究

时间：2024-07-28

陈龙

(新疆交通规划勘察设计研究院有限公司乌鲁木齐市 830000)

在公路改扩建工程中，新、旧路基的差异沉降问题基本无法避免，沉降差异过大不仅会降低公路质量，更会给行车安全带来风险[1]。因此，如何有效降低拓宽路基中新旧路基差异沉降已成为当下学者研究的热门课题[2-3]。

土工格栅因具有强度大、蠕变小及适应性强等特点，已在路基加固工程中取得了良好效果，但关于土工格栅加固软土路基参数优化的研究还有待进一步提升。基于此，以某软土路基拓宽工程为例，通过建立拓宽路基有限元分析模型，针对不同土工格栅铺设层数对新旧路基变形、受力及稳定性影响规律进行对比分析，最终确定了土工格栅较为合理的铺设层数。

1 工程概况

某公路拓宽改造工程原设计公路等级为Ⅰ级，设计速度为60km/h，车道设计为双向2车道，路基宽度为10.5m，高度为6m，边坡比为1∶1.5，地基土层主要包括6m厚软黏土层和2m厚下伏基岩。根据原路基勘测结果显示，软土路基由于长期受重载、超载作用的影响，已无法满足公路运营要求。为恢复该公路的正常运营，同时解决交通流量过大、拥堵等问题，计划采用单侧加宽方式对原道路进行扩建，路基宽度拓宽至18.5m，高度增至7m，车道增至双向4车道，设计速度增至70km/h，其他设计参数保持不变。路基开挖选择公路右侧，每级台阶开挖高1.2m，宽1.5m，台阶共设4级，路基回填土和拓宽填土均采用黏性土，拓宽路基加固采用铺设土工格栅方式，每级台阶铺设一层土工格栅，共计铺设5层。拓宽路基截面示意如图1所示。

图1 拓宽路基截面示意图

2 模型建立

运用有限元软件MIDAS/CIVIL建立土工格栅加固拓宽路基数值模型，模型中采用摩尔-库伦弹塑性本构模型模拟岩土材料，采用一维线性单元模拟土工格栅材料，计算高度取20m，宽度取40m，模型中共包含427个单元和512个节点，其有限元模型如图2所示。

图2 拓宽路基有限元模型

计算过程中将地基和路基作为平面问题考虑，且两者视为完全连续体，假定路基和地基的沉降完成，土体材料均视为弹塑性体，加筋材料视为各向同性的线弹性体，岩土材料遵循摩尔-库伦屈服准则，路面结构采用1m厚的路基填土替代。边界条件：模型上部设为自由界面，对地基底部各向位移进行固结约束，对模型两侧进行水平向和竖向位移约束。计算模型中主要包含老路基填土、新路基填土、软土层和下伏基岩4类土体，加筋材料为土工格栅，其具体计算参数如表1所示。

表1 土体及加筋材料计算参数

为优化土工格栅加固拓宽路基的加筋层数，分别设计6种土工格栅铺设工况进行变形及受力对比分析，工况1：未铺设土工格栅加固；工况2：第3次路基填筑时铺设1层土工格栅；工况3：分别在第2、第4次路基填筑时铺设1层土工格栅，共计2层；工况4：分别在第1、第3及第5次路基填筑时铺设1层土工格栅，共计3层；工况5：分别在第1、第2、第3、第4次路基填筑时铺设1层土工格栅，共计4层；工况6：在每层路基填筑时铺设1层土工格栅，共计5层。

3 结果与分析

3.1 位移分析

针对土工格栅加筋层数分别为0层、1层、2层、3层、4层及5层的拓宽路基顶面水平位移进行计算，得到不同加筋层数的新、旧路基最大水平位移变化曲线如图3所示。

图3 新旧路基最大水平位移变化曲线

根据图3可知，在不同加筋条件下，新路基的最大水平位移较大，老路基的最大水平位移较小。加筋后新旧路基的最大水平位移均有所减小，说明铺设土工格栅可有效降低拓宽路基的水平位移。随着加筋层数的增加，新旧路基的最大水平位移均不断减小，说明土工格栅铺设层数越多，加筋效果越好。加筋层数由1层增至3层时，新旧路基的最大水平位移增幅较为明显，加筋层数由3层增至5层时，新旧路基的最大水平位移增幅相对较小，说明对于控制拓宽路基水平变形而言，土工格栅铺设层数设计为3层的加筋效果较好。

3.2 沉降分析

针对土工格栅加筋层数分别为0层、1层、2层、3层、4层及5层的拓宽路基顶面竖向沉降进行计算，得到不同加筋层数的新、旧路基最大沉降变化曲线如图4所示。

图4 新旧路基最大沉降变化曲线

根据图4可知，在不同加筋条件下，新路基的最大沉降值要大于老路基的最大沉降值。加筋后新旧路基的最大竖向沉降均有所减小，说明铺设土工格栅可有效降低拓宽路基的竖向沉降值。随着加筋层数的增加，新旧路基的最大竖向沉降值均不断减小，说明土工格栅铺设层数越多，加筋效果越好。加筋层数由1层增至3层时，新旧路基的最大竖向沉降减幅较为明显，而加筋层数由3层增至5层时，新旧路基的最大竖向沉降减幅相对较小，说明对于控制拓宽路基工后沉降而言，土工格栅铺设层数设计为3层的加筋效果较好。

3.3 应力分析

针对土工格栅加筋层数分别为0层、1层、2层、3层、4层及5层的拓宽路基顶面应力进行计算，得到不同加筋层数的新、旧路基最大水平和竖向应力变化曲线分别如图5、图6所示。

图5 新旧路基最大水平应力变化曲线

图6 新旧路基最大竖向应力变化曲线

根据图5可知，在不同加筋条件下，新路基的最大水平应力要大于老路基的最大水平应力。加筋后新旧路基的最大水平应力均有所减小，说明铺设土工格栅可有效降低拓宽路基的水平应力值。随着加筋层数的增加，新旧路基的最大水平应力值均不断减小，说明土工格栅铺设层数越多，加筋效果越好。加筋层数由1层增至3层时，新旧路基的最大水平应力减小幅度较大，而加筋层数由3层增至5层时，新旧路基的最大水平应力减幅相对较小，说明土工格栅铺设层数设计超过3层后，对于控制拓宽路基水平应力的增幅效果不大。

根据图6可知，在不同加筋条件下，新路基的最大竖向应力要大于老路基的最大竖向应力。加筋后新旧路基的最大竖向应力均有所减小，说明铺设土工格栅可有效降低拓宽路基的竖向应力值。随着加筋层数的增加，新旧路基的最大竖向应力值均不断减小，说明土工格栅铺设层数越多，加筋效果越好。加筋层数由1层增至3层时，新旧路基的最大竖向应力减小幅度较大，而加筋层数由3层增至5层时，新旧路基的最大竖向应力减幅相对较小，说明土工格栅铺设层数设计超过3层后，对于控制拓宽路基竖向应力的增幅效果不大。

3.4 稳定性分析

针对土工格栅加筋层数分别为0层、1层、2层、3层、4层及5层的拓宽路基顶面稳定系数进行计算，得到不同加筋层数的路基稳定系数变化曲线如图7所示。

图7 拓宽路基稳定系数变化曲线

根据图7可知，拓宽路基的稳定系数随着加筋层数的增加而不断增大，说明铺设土工格栅可有效提升拓宽路基的安全稳定性。当加筋层数由1层增至3层时，拓宽路基的稳定系数增大幅度相对较大，而加筋层数由3层增至5层时，新旧路基的稳定系数增大幅度相对较小，说明土工格栅铺设层数设计超过3层后，对于提升拓宽路基的安全稳定性效果不大。