市政道路改擴建工程中土工格室參數優化設計研究

李康

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

近年來，隨著我國城市經濟的快速發展，城市交通流量增加，部分市政道路已經很難滿足通行需求，道路拓寬改造逐漸成為緩解城市交通壓力的有效方法之一[1-2]。對于拓寬工程中新舊路基差異沉降問題，已有學者采用鋪設土工格室方式進行治理，并取得了優良效果[3-4]。如耿大新等[5]通過分析多層土工格室加筋路基內部筋材的拉應力性狀，提出了一種改進的鋪設方法，發現采用改進的土工格室鋪設方法，在最大節約30%筋材的前提下，可取得大致相同的加筋效果。王選倉等[6]研究不同土工格室加筋情況對路基穩定性的影響，從施工質量和經濟性出發，建議較低路基進行基底單層土工格室加筋處理，較高路基在基頂和基底進行兩層加筋。譚練武[7]結合實際工程提出了沖擊碾壓與土工格室聯合應用的一種軟弱雜填土處理方案，發現沖擊碾壓與土工格室聯合應用在處理軟弱雜填土時具有良好的經濟性和工程效果。王佳佳等[8]從不同壓實度、格室高度和焊距處理后的路基進行室內模型試驗，發現壓實度越大，路基承載力越大，路基承載力隨土工格室高度的增加而呈非線性增加。

目前，土工格室在拓寬工程的應用仍處于不斷完善階段，而關于土工格室加固拓寬路基參數優化的研究還相對較少?；诖?，本文通過建立不同土工格室鋪設高度、層數以及間距的拓寬路基數值模型，針對路基變形及沉降變化規律展開了對比分析，以期為土工格室加固拓寬路基的參數設計與優化研究提供參考。

1 工程概況

某市政道路改擴建項目，該道路原設計路面寬度為10m，車道設計為雙向兩車道，路基高度為5m，邊坡比為1∶1.5。近年來，隨著城市的快速發展，該路段交通流量急劇增長，原有道路逐漸無法滿足通行需求，為解決交通擁堵問題，現計劃對該道路進行改擴建。按照設計要求以及對該路段現場考察，路基拓寬采用單側拓寬方式，施工先對路基右側進行臺階開挖，開挖寬度為1.5m，分4層臺階，每層高度為1.2m。臺階開挖完成后采用黏性土對拓寬路基進行回填，填筑速率為30d/1.2m，每層臺階回填完成后鋪設一層土工格柵對拓寬路基進行加固處理，并對回填土進行壓實處理。拓寬完成后路基寬度增至18m，車道增至為雙向四車道，路基高度增至6m，邊坡比保持不變。市政道路拓寬截面如圖1所示。

圖1 市政道路拓寬路基示意圖

2 土工格柵施工方案

土工格室施工主要包括布設前準備、布設及掛網、填筑、平整碾壓和檢查驗收5個步驟，具體施工內容如下：

（1）布設前準備：隨機抽取土工格室樣品進行強度指標測試，設計要求土工格室的斷裂拉力不小于16kN，抗剪切應力不低于16kN，確保樣品檢測結果滿足規范要求。制作直徑不小于2.5mm的U形釘，并做好鍍鋅防銹處理。

（2）布設及掛網：將連接好的土工格室進行張拉，確保格室無松弛感，鋪設寬度根據設計要求設定，當土工格室張拉至規定尺寸后，采用U形釘進行固定，U形釘露出部位不超過土工格室高度，并及時填土防止暴曬。

（3）填筑：填筑前先檢查土工格室是否存在破損情況，填土機填土厚度需高出土工格室10cm以上，確保土工格室不被損壞，填料初填厚度為25～30cm，先整平后碾壓，填料壓實度控制在93%左右。

（4）平整及碾壓：碾壓前檢查初填厚度、平整度是否滿足要求，碾壓過程遵循先輕后重、先慢后快原則，由兩邊向中間縱向碾壓，橫向重疊1/3寬度碾壓面，縱向重疊1～1.5m碾壓面，確保無漏壓現象。

（5）檢查驗收：根據設計要求檢查填筑厚度、平整度是否符合規范標準。

3 模型建立

運用有限元軟件ABAQUS建立市政道路拓寬路基數值模型，新老路基采用四節點平面應變單元模擬，地基采用平面應變孔隙水壓力單元模擬，模型中共包含283個單元和312個節點，其有限元模型如圖2所示。

圖2 拓寬路基有限元模型

考慮到拓寬路基影響因素較多，為方便計算分析，對拓寬路基做出以下基本假設：將路堤視為平面應變問題來考慮；將路基、地基均視為理想彈塑性體，各層材料均質、連續且完全黏合；采用比奧固結理論計算地下水位以下土的固結問題；假定新路基與原路基結合良好且無滑移和脫落。在拓寬路基模型底部設置水平位移和豎向位移約束，模型兩側均限制水平方向位移，模型上部為自由界面。計算參數主要考慮新路基、原路基、表層軟土、軟黏土、基巖及土工格室，其物理力學參數如表1所示。

表1 土體及土工格室計算參數

4 結果與分析

4.1 土工格室高度

分別建立土工格室鋪設高度為5cm、10cm及15cm的拓寬路基計算模型，并針對路基最大水平、豎向位移進行對比分析，結果如圖3所示。

圖3 不同格室高度-最大位移變化曲線

由圖3可知，隨著土工格室高度的增加，路基最大水平位移和豎向位移均不斷減小，說明土工格室高度的改變一定程度可提升其加固效果。當土工格高度分別為5cm、10cm和15cm時，路基最大水平位移分別減小了9.9%、15.7%和23.2%，路基最大豎向位移分別減小了9.1%、13.2%和18.7%，以上數據說明土工格室高度越高，路基加固效果越明顯。但實際工程中土工格室高度并不是越高越好，應綜合考慮施工條件以及工程造價來選擇格室高度，對于填土顆粒較大的工程，宜采用高度較高的土工格室加固，對于填土顆粒較小的工程，宜采用高度較低的土工格室加固。

4.2 土工格室層數

分別建立土工格室鋪設層數為1層、2層及3層的拓寬路基計算模型，并針對路基最大水平、豎向位移進行對比分析，結果如圖4所示。

圖4 不同格室層數-最大位移變化曲線

根據圖4可知，隨著土工格室層數的增加，路基最大水平位移和豎向位移均不斷減小，說明土工格室層數的改變一定程度可提升其加固效果。當土工格高度分別為1層、2層和3層時，路基最大水平位移分別減少了16.4%、25.8%和33.9%，路基最大豎向位移分別減少了13.6%、20.1%和27.3%，以上數據說明土工格室層數越多，路基加固效果越明顯。但實際工程中應綜合考慮施工條件以及工程造價來選擇土工格室鋪設層數，在滿足施工要求的條件下，鋪設適宜層數的土工格室對路基進行加固。

4.3 土工格室間距

分別建立土工格室鋪設間距為20cm、40cm及60cm的拓寬路基計算模型，并針對路基最大水平、豎向位移進行對比分析，結果如圖5所示。

圖5 不同格室間距-最大位移變化曲線

根據圖5可知，隨著土工格室間距的增加，路基的最大水平位移不斷減少，而路基最大豎向位移呈先減后增趨勢變化，說明土工格室間距的改變一定程度可提升其加固效果。當土工格室高度分別為20cm、40cm及60cm時，路基最大水平位移分別減小了10.2%、11.1%和11.8%，水平位移減小幅度相差不大，說明土工格室間距對路基水平變形影響不大，路基最大豎向位移分別減小了18.1%、13.7%和9.4%，可以看出土工格室間距越大，路基最大豎向位移越大，路基加固效果會有所下降。綜合考慮，土工格室鋪設間距控制在20～40cm范圍的加固效果相對較優。

5 結論

綜合上述分析，可得出以下結論：

（1）不同土工格室鋪設高度的路基加固效果具有一定差異性，土工格室高度越高，路基加固效果越明顯，但實際工程中土工格室高度并不是越高越好，應綜合考慮施工條件以及工程造價來選擇格室高度。

（2）隨著土工格室層數的增加，路基最大水平位移和豎向位移均不斷減少，說明土工格室層數的改變一定程度可提升其加固效果，但實際工程中應綜合考慮施工條件以及工程造價來選擇土工格室鋪設層數。

（3）隨著土工格室間距的增加，路基的最大水平位移不斷減少，但對路基水平變形影響不大，而路基最大豎向位移呈先減后增，且土工格室間距越大，路基最大豎向位移越大，綜合考慮土工格室鋪設間距控制在20～40cm相對合理。