土工格栅和土工格室处理拓宽路堤沉降及侧移比较研究

马国栋， 吴瑞麟， 孙 钊， 颜昌清， 樊金山, , 赵静怡, 冯 灿

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074； 2.长沙梅溪湖实业有限公司， 湖南 长沙 410205；3. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

高速公路拓宽路堤不均匀沉降及侧向位移是扩建工程可能产生的主要病害之一[1]。国内外许多学者对其控制措施做了大量研究，其中最为常用的控制措施是铺设土工格栅和土工格室[2～5]。但是，在同等条件下，土工格栅、土工格室及二者综合处理的效果及经济效益比较研究则不多见，而实际工程则提出了进一步优化高速公路拓宽路堤拼接设计、提高拼接质量的要求。本文就是在这种背景下展开研究的，期望为实际工程方案优化提供一定的理论依据。

1 土工格栅(格室)控制沉降有限元分析

1.1 建模及计算参数

鉴于公路工程带状实体结构的纵向对称以及横断面轴向对称的特点，本文将采用二维有限元方法，对半幅路堤进行仿真分析。

假设土体为弹塑性材料，运用D-P模型、PLANE82单元。研究对象计算模型取自“京港澳高速公路涿州(京冀界)至石家庄段改扩建工程”拓宽路堤典型断面：(1)老路堤半幅宽13 m，拓宽后为21 m，两侧对称拓宽；(2)依据现状情况，路堤计算高度取5 m，边坡采用1∶1.5。根据经验，计算模型基础深度取10 m，计算宽度取50 m；设置四个计算分析观察特征点，分别是路堤顶面中心P1、路堤顶面拼接点P2、拓宽后路堤顶面边缘点P3以及拓宽后路堤坡脚点P4(图1)。

同时，为了保证新老路堤接触面具有良好的衔接，由上至下，沿老路堤边坡开挖高、宽各1 m的拼接台阶，分别编号为台阶4、台阶3、台阶2、台阶1和路堤底面(图1)，格栅、格式锚固长度均按1 m考虑。根据地质勘测报告，采用相对不利地质条件进行分析计算。具体参数选用情况见表1[6]，建模分析见图2，沉降及侧移均为工后终值。

图1 建模几何尺寸/m

图2 半幅横断面建模分析

类别高度(m)容重(kN/m3)模量(MPa)泊松比μ内摩擦角Ф(°)粘聚力c(kPa)老路堤520500.33025新路堤520300.32520地基102060.32015土工格栅0.012020000.25--土工格室0.1520200000.15--

1.2 单层土工格栅(格室)铺于不同层位时路基顶面各点的沉降

土工材料要能起到好的沉降控制作用，理论上应铺设在路堤底层，这样可以最大限度发挥土工材料的抗拉性能。为了验证并比较两种土工材料铺于不同层位的效果，将单层土工格栅或格室铺设于路堤底面及其他层面后，分别计算观察特征点的沉降情况，计算结果详见表2，直观分析图参见图3～ 6。

表2 单层土工格栅(格室)铺设于不同层位时路基顶面各点的沉降

注：(1)Yi分别为在相应层位铺设土工格栅后Pi的沉降，Yi′则为铺设土工格室后Pi的沉降；正值为隆起，负值为下降；(2)Z1为铺设土工格栅后的最大差异沉降，Z2为铺设土工格室后的最大差异沉降。

分析表2和图3～6可知，土工合成材料铺设位置越接近路基底面，控制新老路基绝对沉降和最大差异沉降(Y3-Y1或Y3′-Y1′)的效果就越好，反之则越差。其中，土工格栅铺于路堤底层时最大差异沉降比无土工材料减少了3.3%，土工格室铺设后则减少了6.5%，其效果是土工格栅的2倍。而当二者分别铺于较上层位时，则控制差异沉降的作用不明显。整体上看，土工格室控制沉降的效果要优于土工格栅。

图3 格栅不同层位时各点沉降

图4 格室不同层位时各点沉降

图5 格栅不同层位时最大差异沉降

图6 格室不同层时最大差异沉降

1.3 铺设多层土工格栅(格室)路基顶面各点的沉降

从上面的分析可知，土工材料控制沉降的效果，其单层铺设层位从路堤底面至路堤顶面逐步降低。为分析和比较多层铺设的效果，则从路堤底面开始，逐层向上铺设土工格栅或格室，每一级台阶处布置一层，路堤底面开始为1层，台阶1铺设后为2层，台阶2铺设后为3层，以此类推。计算结果见表3，直观分析如图7～10。

图7 格栅层数不同顶面关键点沉降

图8 格室层数不同顶面关键点沉降

图9 格栅层数不同最大差异沉降

图10 格室层数不同最大差异沉降

铺设层数(由堤底起)沉降量(cm)Y1Y1'Y2Y2'Y3Y3'Y4Y4'Z1(cm)Z2(cm)无土工材料0.220.22-4.24-4.24-8.50-8.50-3.05-3.058.728.72堤底(1层)0.180.14-4.22-4.21-8.25-8.01-3.12-3.728.438.15台阶1(2层)0.180.12-4.20-4.16-8.20-7.92-3.07-3.588.388.04台阶2(3层)0.180.11-4.20-4.19-8.18-7.89-3.06-3.628.368.00台阶3(4层)0.180.09-4.20-4.17-8.17-7.88-3.06-3.668.357.97台阶4(5层)0.170.06-4.19-4.24-8.16-7.83-3.06-3.718.337.89

注：(1)Yi分别为铺设土工格栅后Pi的沉降，Yi′则为铺设土工格室后Pi的沉降；正值为隆起，负值为下降；(2)Z1为铺设土工格栅后的最大差异沉降，Z2为铺设土工格室后的最大差异沉降。

分析表3和图7～图10可知，随着铺设层数的增加，新老路基不均匀沉降随之减小，其中，铺设两层土工格栅后最大差异沉降比无土工材料减少3.9%，铺设两层土工格室时最大差异沉降比无土工材料减少了7.8%。可以看出土工格室的工程效果仍然是土工格栅的2倍。对于本文计算模型特例，当土工格栅或土工格室铺设3层及以上时对控制总沉降和差异沉降的贡献率并不大[7]。也就是说，从控制沉降的角度来看，就本文计算模型尺寸而言，2层加筋是一个技术经济的相对最佳的层数，或称性价比最佳的层数。

2 土工格栅(格室)控制侧向位移有限元分析

新老路堤拼接后在拼接缝处的开裂，可以看做是拓宽路堤不均匀沉降和拓宽土体侧向位移叠加所致。因此，侧向位移也是导致拼接缝裂隙可能扩张的主要原因之一。为此，在上述沉降计算分析的同时，本文还计算了侧向位移的变化情况，分析如下。

2.1 单层土工格栅(格室)铺于不同层位时路基顶面各点的侧向位移

将单层土工格栅或格室分别铺置于路基底面及其他层面后，各特征点位的侧向位移计算结果见表4，直观分析图则详图11、图12。

表4 单层土工格栅(格室)铺于不同层位时各点的侧向位移量

注：(1)Xi分别为相应层位铺设土工格栅后Pi的侧向位移；Xi′则为铺设土工格室后Pi的侧向位移；(2)侧向位移以向路基外方向为正，向路基中心线方向为负。

图11 格栅不同层位顶面各点侧向位移

图12 格室不同层位顶面各点侧向位移

分析表4和图11、图12可知，单层格栅铺设层位减小观察点侧移效果的优劣次序是，越靠近路堤顶面越好。单层土工格室则不一定，视观察点的不同而有所不同，就观察点P2而言，与土工格栅正好相反，即铺设层越靠近路堤底部越好，减少侧移的效果越显著，靠近路基顶面的台阶4处铺设土工格室侧向位移比不设可减小10%。

总的来看，铺设土工材料后相对于不铺设时，对P3、P4点侧向位移的减小比较显著。比如，在路堤底层铺设格栅，P2点侧向位移比不设只减小2%，P3点则减少了14.3%，P4点侧向位移减少了17.1%；而铺设格室，P2点侧向位移比不设只减小1.6%，P3点侧向位移则减少了34.9%，P4点侧向位移则减少了72.4%。但是，就工程而言，人们对P2点的侧向位移会更关注，因为它将直接影响拼接缝开裂张开的程度。仅从控制拼接缝处(即观察点P2)侧向位移的角度来看，土工格室仍然明显优于土工格栅。

2.2 多层土工格栅(格室)路基顶面各点的侧向位移

与控制沉降分析类似，为分析和比较多层土工材料铺设后侧向位移的控制效果，从路堤底面开始，逐层向上铺设土工格栅或格室，每一级台阶布置一层，路堤底面开始为1层，台阶1铺设后为2层，台阶2铺设后为3层，以此类推。计算结果见表5，直观分析图如图13、图14。

表5 多层土工格栅(格室)铺设层数不同时各点的侧向位移量

注：(1)Xi分别为铺设土工格栅后Pi的侧向位移；Xi′则为铺设土工格室后Pi的侧向位移；(2)以向路基外方向为正，向路基中心线方向为负。

图13 格栅层数不同顶面各点侧向位移

图14 格室层数不同顶面各点侧向位移

分析可知，对于新老路堤拼接点P2来说，多层土工格栅的铺设，可以从一定程度上减小其侧向位移，但是随着层数的增加，效果改变不大。而多层土工格室的铺设则效果要明显得多。

3 技术经济分析

3.1 技术分析

由上述计算分析结果可知，在基底及接近底部铺设3层土工格栅或2层土工格室的处治情况基本等效：经过土工格栅和土工格室处治后的差异沉降控制率分别为21.80%和24.79%，其中，差异沉降控制率=(处治前最大差异沉降-处治后最大差异沉降)/处治前最大差异沉降[8]，比较情况如表6所示；两种处治方式的侧向位移效果基本一致，见表7比较情况。

表6 土工材料控制沉降效果比较

注：Yi为点Pi的沉降。

表7 土工材料控制侧移效果比较

注：Xi为点Pi的侧移。

3.2 经济分析

作为示例，取“京港澳高速公路涿州(京冀界)至石家庄段改扩建工程”项目100 m路段进行经济分析。为加快排水固结，所有方案均在路堤底部铺设砂砾垫层，厚度为40 cm，计算土石方运距取1 km。鉴于高速公路扩建工程对新老路堤特别设置了差异沉降控制指标，本文在经济分析中专门设定“沉降控制经济指标”=(控制技术总造价/差异沉降控制率)，以此比较不同技术方案的经济状况，示例比较结果见表8、表9。

由此可知，虽然单位面积土工格室的造价高于土工格栅，但“沉降控制经济指标”则明显优于土工格栅。以此，实际工工程当中，可以优先考虑使用土工格室来控制拓宽路基不均匀沉降。

表8 土工格栅的工程费用及沉降控制经济指标分析

表9 土工格室的工程费用及沉降控制经济指标分析

4 结 论

(1)土工格栅和土工格室的铺设均可部分控制拓宽路堤不均匀沉降及侧向位移，技术经济综合比较，土工格室优于土工格栅。

(2)土工格栅和土工格室的铺设层位越靠近路堤底部，控制沉降的效果越好。但控制侧向位移时，则是越靠近顶面效果越好。

(3)多层加筋比单层加筋效果要好，但加筋层数存在一个最佳值，与路堤高度有关。

对于本文特例而言，综合比较后，推荐方案为：底部两层格室+顶部一层格栅。

[1] 余海洋.拓宽路堤不均匀沉降仿真分析研究[D].武汉:华中科技大学，2007.

[2] 周志刚,郑健龙,李 强.土工格网处理填挖交界路基非均匀沉降的机理分析[J].岩土工程学报, 2002，24(5)：576-579.

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[6] 傅 珍,王选仓,陈星光.土工格室处理高速公路拓宽结合部分析[J].郑州大学学报, 2007，28(1)：76-78.

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[8] 马国栋.基于拓宽路基不均匀沉降仿真的控制技术研究[D].武汉:华中科技大学，2011.