差异沉降对土工格栅加筋路堤工作性能影响的试验研究*

汪益敏 李庆臻 高水琴

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640;2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640)

软土地区公路扩建工程中的旧路基经过多年运营，已基本完成固结，强度提高，剩余沉降很小;新拓宽的路基虽然普遍采用水泥搅拌桩等复合地基方法进行软土路基加固处理，但因路基加固处理时间短，仍可能存在较大的工后沉降，因此容易出现新旧路基不均匀沉降问题.为了控制新旧路基差异沉降，避免扩建道路路面因路基差异沉降导致纵向开裂破坏，通常在道路拓宽部分采用土工格栅加筋路堤方式，铺设一层或多层土工格栅于新拓宽路堤的填土中［1-3］.但是，土工格栅应用于道路扩建工程中的结构设计往往都是经验性的，现行路基设计规范中缺乏有关该部分明确的设计理论和方法，相关的研究报道也不多.现有研究成果主要集中在数值模拟分析加宽路堤不均匀沉降变形规律以及现场沉降观测等方面［4-6］.在模型试验研究方面，翁效林等［7］利用离心试验机开展了预应力管桩加固拓宽路基的模型试验研究，研究发现预应力管桩加上桩帽和土工格栅褥垫层可以有效地控制拓宽路基不均匀沉降.但是，目前关于拓宽路基发生不同程度的差异沉降时，土工格栅的变形特征以及加筋效应的相关研究很少.

文中以广东省广三高速公路扩建工程为背景，设计加工几何相似比为1∶10的室内模型，采用相同加筋材料，模拟软土地区公路扩建工程中的土工格栅加筋路堤，研究在差异沉降作用下，土工格栅控制差异沉降的效果及其受力与变形特征，为土工格栅应用于软土地区公路扩建工程中的设计与施工提供科学依据.

1 试验模型

广三高速公路起点位于广东省佛山市南海区，终点位于广东省佛山市三水区，路线总里程30 km，1998年建成通车，全线路基普遍为软土地基.原路基标准横断面宽24.5m，双向4个行车道，扩建后路基宽度为41m，双向8车道，2009年开始动工扩建.道路扩建采用两侧路基直接拼接加宽方式，加宽路堤下部的软土地基采用水泥搅拌桩和素混凝土桩进行加固处理，加宽路堤填土底部和填土层上部分别铺设一层土工格栅进行加筋，处治路基不均匀沉降.

试验模型基于广三高速公路路基拼接设计方案，模拟的工程条件为:路堤填土高度为4.8m，路基土厚度为4 m，路堤填土与路基土之间设厚度为0.6m的砂垫层.对称分布的半幅路基顶面宽12 m，包括一个宽3.75m的旧路车道和两个宽3.75 m的扩建车道，扩建车道外侧为宽度0.75 m的路肩，路堤边坡坡比为1∶1.5.在扩建车道和路肩范围内，于路堤第一层和第五层填土的底面分别铺设土工格栅，进行拓宽路堤加筋处理.

按照相似比1∶10制作模型试验箱，如图1所示，试验箱的净空尺寸为长×宽×高=1.92m×1m×1m，试验箱框架采用槽钢焊接而成，在槽钢制成的钢架里面安装可拆卸的钢板，钢板厚5 mm.在试验箱的一侧设有透明有机玻璃板，作为试验过程中的观测窗.

图1 试验模型示意图(单位:mm)Fig.1 Arrangement of test model(unit:mm)

模拟公路拓宽填土路堤下部软土地基引起的路基差异沉降是文中试验模型设计的难点.羊晔［8］研究路桥过渡段采用加筋路堤处治不均匀沉降的效果时，采用在填土底部预埋灌满水的橡胶水袋，试验时打开橡胶水袋阀门放水，模拟填土路堤下部软土地基的下沉;黄琴龙等［9］在研究路基不均匀沉降对路面结构的影响时，在新路基的填土底部封存一层水融性化肥，在试验时向化肥里均匀注水，化肥层溶解后从固定的排水管中流出，模拟路基不均匀沉降;贾圣东等［10］在研究高速公路拓宽路堤加筋边坡稳定性时，将一定厚度的木板预埋在拓宽加筋路堤底部，试验过程中，间断的将木板抽出，模拟新拓宽路基的沉降.综合考虑文中模型试验研究的工程背景和研究目的，设计采用在新扩建加筋路堤下部预埋一定厚度的高密度复合木板，一端外露试验箱，试验时通过拉力装置将木板抽出，模拟新老路基之间的差异沉降.模型试验路堤填土按照每层厚度为4cm，压实度90%的控制原则分区进行人工夯实填筑，当填土至铺设土工格栅层位时，将土工格栅展平，用U型钢钉固定到旧路基台阶面上，然后再填筑上覆路堤土.

分别对新填路堤中不铺设土工格栅时新旧路基发生0、30 mm差异沉降及在第一层和第五层填土底面分别铺设1层土工格栅后新旧路基发生0、20、30、50mm差异沉降共6种工况进行试验，模拟工况如表1所示.

表1 模拟试验工况Table 1 Simulating test cases

实际工程中，填土路堤顶面受到路面结构层的重力和汽车荷载的作用，试验中采用平板荷载试验方法模拟路堤顶面荷载作用.根据平板荷载试验要求［11］，承载板的平面尺寸不应大于模型平面尺寸的1/3，因此，设计尺寸为60cm×30cm×2.5cm(长×宽×厚)的钢板作为承载板，采用液压千斤顶装置分级加载，测试荷载作用下土工格栅加筋效应.试验时每级加载大小为12.6kN，最多可以施加10级荷载，每级加载完成后，隔15min测读一次沉降数据，在此时间间隔内如果加载板沉降量小于0.025 mm，则视为沉降稳定，可以施加下一级荷载，加载过程中出现下列情况之一时即终止加载:(1)加载板周边土出现明显侧向挤出现象，周边土出现明显隆起或径向裂缝持续发展;(2)本级荷载的沉降量大于前一级荷载沉降量的5倍，荷载－沉降曲线出现明显陡降;(3)在某级荷载下，24 h沉降速率不能达到相对稳定标准，还在继续近似等速或加速发展.

2 试验材料

2.1 试验用土

试验所用的土料取自广三高速公路扩建工程现场，土的颗粒级配和主要物理力学性能指标见表2和表3.根据JTG D30—2004《公路路基设计规范》关于土的分类与定名规定，试验用土定名为粘土质砂，记为SC.

表2 土的颗粒级配Table 2 Partical gradation of soil

表3 土的主要物理力学性能指标Table 3 Physical and mechanical indices of soil

2.2 土工格栅

试验所用的土工格栅为广三高速公路扩建工程设计采用的GSL40双向土工格栅，格栅网格净空尺寸为36.84mm×38.69mm，筋条横向宽度为4.79mm，纵向宽度为2.58 mm.按照JTG E50—2006《公路工程土工合成材料试验规程》试验方法测定土工格栅的主要力学性能指标汇总于表4.

表4 土工格栅的主要力学性能指标Table 4 Main mechanical indices of geogrid

3 试验观测项目和测点的布置

试验观测项目包括:路堤顶面荷载P，时间t，承载板沉降S1，路堤土顶面沉降S2，土工格栅应变ε，路堤顶面出现裂缝的时间T以及对应的P、S1、S2、ε.

路堤顶面沉降观测点的布置如图2所示.在填土顶面共布设30个观测点，其中承载板两侧对称布设两个千分表观测承载板沉降，填土顶面其余测点按照6个断面、每个断面布设5个测点的方式进行布设，每个测点埋设钢尺，根据钢尺与基准线相对位置变化测出路堤土顶面沉降.

图2 地表沉降测点布置图(单位:mm)Fig.2 Arrangement of ground settlement measurement(unit:mm)

应变观测点的布置如图3所示，工况C1、C2、C3、C4在拓宽路堤第一层和第五层填土底面分别铺设1层土工格栅，每层土工格栅均布设有18个应变观测点，按6个断面、每个断面3个测点布设应变片.各断面位置与开挖台阶立面距离分别为60、120、190、320、510、780 mm，其中断面 1 位于旧路堤台阶面上，其余5个断面位于扩建路堤填土范围内.为了保证试验数据的实时采集，此次试验采用直接与计算机相连接的DH3818型高精度数据采集仪自动采集不同工况荷载作用下土工格栅应变片数据.

图3 土工格栅应变片布置图(单位:mm)Fig.3 Arrangement of strain gauges on geogrid(unit:mm)

4 试验结果

4.1 承载板的沉降

各工况加载过程中承载板的沉降曲线如图4所示.由图4可见，相同荷载作用下，工况A2承载板发生的沉降最大，路堤中铺设土工格栅后，可以明显减少承载板的竖向沉降变形.对比工况A2和C3，两者在试验初期给定的路基差异沉降均为30 mm，当试验荷载小于50.4 kN时，铺设土工格栅与否对沉降板的沉降影响不明显，但是当荷载逐级增大至63.0、75.6、88.2、100.8kN 时，拓宽路堤中铺设土工格栅的试验工况C3发生的沉降板沉降明显减小，工况C3沉降板发生的沉降相当于工况A2对应荷载时沉降板沉降量的86%、74%、64%和52%，分别减少了14%、26%、36%和48%.荷载越大，土工格栅对于减小竖向沉降发挥的作用越明显.

图4 荷载与承载板沉降关系曲线Fig.4 Curves of load and loading-board settlement

4.2 路堤土顶面的沉降

本研究在路堤顶面布设了6个断面共30个地表沉降观测点，每一个断面设有5个沉降观测点，路堤沉降分析时，将沿路线纵向同一断面上5个点的沉降观测值进行算术平均，作为该断面位置的沉降代表值绘制沉降曲线，各工况路堤顶面出现开裂时，路堤顶面的沉降分布曲线如图5所示.

图5 路堤顶面沉降分布曲线Fig.5 Settlement distribution curves of embankment surface

由图5可见，路堤顶面开裂时，各工况条件下路堤横断面不同位置沉降分布曲线呈现靠近旧路路堤越近，沉降值越小，靠近新填路堤边坡越近，路堤顶面沉降越大的分布规律;各工况下从断面1至断面6，路堤沉降逐步增大，并且受承载板加载的影响，沉降分布曲线在断面3和断面4处出现2个明显的拐点，反映路堤顶部荷载作用加剧路堤沉降沿路堤横断面方向的不均匀性.不铺设土工格栅时，工况A2路堤表面迅速产生裂缝，新拓宽路堤(断面4－断面6)的沉降明显大于老路堤(断面1－断面3)的沉降，其中断面6的最大沉降达13.12 mm，相当于断面3沉降值的3倍.在填土内部加铺2层土工格栅后，工况C1－C4中只有当模拟拓宽路基发生50 mm的差异沉降时，工况C4的路堤顶面产生了较大的地表沉降，其余3种试验工况路堤顶面的沉降值大小较为接近，说明当加筋路堤下部路基发生的差异沉降在一定范围之内时，土工格栅可以起到较好的均化路堤顶面沉降分布作用，有效减小新旧路堤分界处的不均匀沉降.

4.3 土工格栅的应变

文中模型试验分别在第一层和第五层填土底面铺设土工格栅，每层土工格栅上布设有6个断面共18个应变观测点，土工格栅应变分析时，将沿路线纵向同一断面上3个点的有效应变观测值进行算术平均，作为该断面位置的应变代表值绘制土工格栅应变曲线，进行土工格栅工作性状分析.加铺土工格栅的各试验工况路堤破坏时，土工格栅的应变分布曲线如图6所示.

图6 土工格栅应变分布曲线Fig.6 Strain distribution curves of geogrid

由图6可见，当拓宽路堤发生差异沉降时，土工格栅的受力沿路堤横断面是不均匀分布的，最大应变基本都发生在断面1的位置，即靠近新旧路堤分界处;从断面1至断面6方向，土工格栅应变呈现逐渐减小的分布规律.其中，拓宽路基差异沉降最大的工况C4土工格栅应变沿路堤横断面的分布最不均匀，新旧路拼接结合处土工格栅发生的应变相当于路堤边坡附近土工格栅应变值的15倍左右.此外，相同断面处下层土工格栅发生的应变普遍大于铺设在其上方的土工格栅的应变，结果反映铺设在路堤下部的土工格栅其工作性能受路基差异沉降的影响更大.当新旧路基未发生差异沉降时，工况C1中铺设在靠近路堤顶面的土工格栅发生的应变在荷载作用位置附近最大，断面3的土工格栅应变大小相当于断面1土工格栅应变值的2倍左右，断面4的土工格栅应变也相当于断面1的1.5倍左右，很显然，当路堤顶面作用荷载时，在路堤上部铺设土工格栅可提供明显的加筋作用.

从图6还可以看出，各种工况条件下土工格栅的应变均不大，差异沉降为50 mm时测得的应变最大值仅为0.44%.文献［12］曾报道，在宁杭高速公路二期工程现场试验测得填土平均高度为2 m的单层土工格栅加筋路堤中土工格栅发生的最大应变为0.6%，并采用FLAC3D数值分析软件模拟计算搅拌桩处理软基后加筋路堤中土工格栅发生的最大应变为0.25%，普通填土高度加筋路堤中土工格栅发生的应变均未超过1%，其研究结论与文中的试验结果较为接近.但是，目前广三扩建工程中设计采用的双向土工格栅纵向最大伸长率为23.86%，横向最大伸长率为10.05%，抗拉伸变形指标远高于试验研究中测得的最大应变值，反映设计采用的土工格栅筋材在抗拉伸变形指标选择方面可能过于保守，具有进一步优化的可能性和必要性.

工况C2上、下两层土工格栅不同断面位置的应变－荷载关系曲线如图7所示.

由于铺设在路堤填土下部的土工格栅除了受到路堤顶面荷载引起的附加应力作用外，同时受下覆路基差异沉降的影响非常大，在新旧路基搭接处，土工格栅发生的应变最大，工况C3和C4的下层土工格栅应变测试结果也反映了上述分布规律，结果如图8所示.因此，在软土地区路基扩建工程中采用土工格栅控制路基不均匀沉降，填土层底部铺设土工格栅时，必须做好土工格栅与旧路基之间的稳固连接，使土工格栅调节不均匀沉降的加筋效果得到有效的发挥.

图7 工况C2土工格栅各观测断面应变－荷载曲线Fig.7 Strain-load curves of geogrid testing sections in case C2

图8 不同工况下下层土工格栅各观测断面应变－荷载曲线Fig.8 Strain-load curves of bottom geogrid testing sections in different cases

5 结论

通过对6种不同路基差异沉降条件下的土工格栅加筋路堤的工作性状的试验研究，可初步得到以下结论:

(1)在拓宽路堤填土内部加铺土工格栅，可以有效地减少路基差异沉降与堤顶荷载作用导致的路堤填土沉降变形;填土顶面作用荷载越大，土工格栅对于减小路堤填土沉降发挥的作用越明显;相同路基差异沉降条件下，加铺2层土工格栅的加筋土路堤相比未加筋路堤，荷载作用位置发生的沉降最大可以减少48%.

(2)当扩建公路新旧路基发生的差异沉降在一定范围之内时，采用在扩建路堤填土顶层和底层加铺土工格栅的2层加筋法，可以有效调节新旧路堤结合处的不均匀沉降，均化路堤顶面沉降分布.

(3)不同路基差异沉降条件下，土工格栅加筋拓宽路堤中土工格栅发生的应变均未超过0.5%，相比工程设计中采用的土工格栅材料抗拉性能指标，有较大的抗拉安全余度.

(4)新旧路基差异沉降作用下，土工格栅的应变沿路堤横断面分布不均匀，靠近新旧路堤分界处土工格栅发生的应变最大，施工过程中应当重视土工格栅与旧路堤之间的稳固连接，确保土工格栅调节不均匀沉降的加筋效果得到有效的发挥.

需要指出的是，上述结论是针对采用几何相似比1∶10的试验模型，模拟路堤填土高度为4.8m，半幅路堤顶宽度12 m，1个旧车道外侧直接拼接2个新拓宽车道的高速公路扩建工程获得的，对于其他参数范围的公路扩建工程，尚有待进一步研究.

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