土工格栅在处治软土路基变形中的应用研究

王成祥

(山西中交翼侯高速公路有限公司　翼城　043500)

土工格栅在处治软土路基变形中的应用研究

王成祥

(山西中交翼侯高速公路有限公司翼城043500)

摘要为研究土工格栅对公路软土路基变形影响的工作性状，依托山西某高速公路工程，采用土工格栅和土工布作为不同加筋材料与非加筋土进行试验路施工及工后监测。结果表明，相对无筋土，土工格栅降低软土路基的沉降位移最大值可达11%，侧向位移值减小约51%；加筋材料的不同对变形的发展也有差异；同时，土工格栅有利于路基断面均匀受力，提高路基稳定性。

关键词软土路基土工格栅位移

我国从20世纪80年代初开始引用加筋工技术，以土工格栅为加筋材料在公路工程中使用频繁；与此同时，国内学者对土工格栅的工作机理等进行了有益探索。施建勇[1]等进行了土工格栅加筋挡墙的试验研究与有限元建模分析对比，结果表明计算机建模与试验结果吻合，为进一步研究土工格栅的加固机理作出有益论证；周志刚等[2]通过对土工格栅与周间土的直接剪切作用研究，以非线性本构关系建模分析，提出了双曲线模型；李运成等[3]以9种不同垫层模型进行静荷载加载，对加筋碎石垫层进行研究，为复合地基中加筋垫层的优化设计提供借鉴。随着化学高分子行业的快速发展和道路施工工艺的不断进步，土工格栅的使用性状也在不断改进。

本文依托山西某高速公路工程，通过对路基施工及工后使用的监测分析，研究当前土工格栅材料对软土路基变形的影响作用规律，为土工格栅在今后公路工程处理软土路基问题的合理应用提供参考。

1工程概况

本试验地点为山西某公路软基路段，全长535.3 m，两侧分别为农田和小溪，整条线路横向软土厚度变化小，纵向厚度变化差异大，软土层大致范围在5~13 m，地基承载力20~50 kPa，全路段不均匀分布。路基填高为4.5 m，从上到下依次为路基填土、土工格栅、砂垫层、淤泥质粘土、粉质粘土，本次试验路段的左路堤地质剖面见图1。

图1　路堤地质剖面图

本试验路段代表性土性指标见表1。根据指标，本次试验路段为典型的软土路基。

表1　土的物理力学指标

2处治方案

本次方案以土工材料和土工格栅层数为工况条件，对路堤底部铺设土工格栅、土工布和不放土工合成材料3种情况进行对比，研究土工格栅对路基变形的影响效果。

2.1　施工处治工序

软土路基施工处治工序如下：①软基范围划定，并进行地基清底；然后，在试验段地表上先铺一层30 cm的砂砾垫层，加快固结排水作用；②在垫层上平铺一层土工格栅，保持格栅的轻微张拉状态和平整度，可通过人工张拉和布钉方式固定土工格栅于垫层上，避免皱褶，待铺设至靠近边坡35 cm处向上回折格栅形成端头；最后及时回填，分层摊铺、碾压。

对工程采用的土工格栅与土工布进行原材料检测，检测结果见表2。测试表明，土工格栅的极限抗拉强度大于土工布的强度，延伸率比土工布小2%，在工作区所能承受荷载的土工格栅占优，与周边土的摩擦系数大于土工布，有利于更充分发挥加筋作用，土工格栅的整体材料性能比土工布更具优势。

表2　土工材料主要技术指标

2.2　施工注意事项

(1) 在施工过程中，应及时回填，避免土工材料受到暴晒影响工作性状。

(2) 分层填筑厚度不能超过设计要求。

(3) 天气炎热时，回填土的含水量应稍大于最佳含水量，保证压实效果。

(4) 采用灌沙法检测各层压实度满足规范要求后，才能进行上一层的摊铺、碾压。

(5) 土工布与土工格栅铺设时必须保证表面平整，侧面搭边宽度不得低于30 cm。

3现场监测与效果评价

3.1　现场监测方案

施工监测以100 m为间距布置监测仪表，遇到软土厚度变化大的路段适当增加监测断面。试验通过在路基中心、路肩放置沉降板监测路基的沉降变形，在路基坡脚及坡脚外区域放置斜侧管监测坡脚的侧向位移。

根据《公路软土地基路堤设计规范》(DB 33/T 904-2013)要求和施工监测参考[4-5]，本方案拟在路堤逐层填筑完成时每2 h收集一次监测数据，48 h后每3天 1次，1个月后按每周1次进行路基位移的数据采集。在施工部分路段中采取土工材料为加筋材料，通过比较无筋土和加筋土的沉降变形和侧向位移发展，观测加筋材料在软土路基问题处理中的影响作用规律；并对比土工格栅与土工布不同试验段的监测数据，分析不同土工材料处理软土路基的差异影响，研究土工格栅在处理软基中的工作性能。本次施工监测过程以不影响道路施工质量和进度为原则，结合公路施工要求进行[6]。

3.2　土工格栅对路基沉降变形的影响

根据检测仪表采集的路基沉降数据，绘制地基沉降与时间关系曲线见图2。结果表明，在土工格栅试验段，沉降变形值最小，位移值大小关系：S格栅>S布>S无筋。加筋土改善了土体的受力特性，图3为莫尔圆与抗剪强度包线的关系，加筋作用提高了路堤的粘聚力和摩阻力，加筋土抗剪切强度大于无筋土。

图2　地基沉降位移与时间的关系曲线

图3　莫尔圆与抗剪强度包线的关系

数据表明，在59 d之前，2种土工合成材料的沉降差值较小，但无筋土竖向位移发展速率一直大于加筋土，且沉降变形差值越来越大。从166 d开始至320 d，无筋土与加筋土的沉降差逐渐稳定在一定范围内，最大差值约27 cm，随着路堤填土固结排水等影响，位移发展差值下降，但加筋作用仍比较显著；土工格栅在106 d开始与土工布复合土的沉降差值增加，稳定在约11 cm附近。由此可见，使用土工合成材料加筋的路堤，与无筋土相比沉降变形下降明显，无筋土和加筋复合土的沉降差值最大可达13%左右。加筋作用提高了路堤的粘聚力和摩阻力，加筋土抗剪切强度大于无筋土，提高了路堤底部的整体刚度，能有效约束路堤对地基土沉降位移的影响，土工格栅的抗拉强度和承载力等比土工布高，在约束地基沉降位移上有较好的优势。而且，试验段数据表明，土基工后恢复后，加筋土与无筋土的变形差值成鼓状变形发展，沉降差值的最大值出现在路基土稳定之前。

根据路基断面检测仪表数据绘制路基弯沉关系见图4。曲线表明，路基沉降趋势大致为盆状变形，加筋土在提高路基承载力，降低沉降变形同时，并未改变路基整体的沉降变形趋势，加筋作用使路基底部增加一层硬质壳板，提高了路基的整体刚度，所以在竖向变形最大值上相对无筋土有明显减小，靠近路基中心处的差异变形达到最大，无筋土和加筋土的沉降值为234 mm和207 mm,差值约13%。同时，硬质壳板的刚度大，能够高效扩散路基上部传递的荷载，由底部整体受力，增加路基抗剪切破坏的强度，提高了整体稳定性。

图4　路基断面弯沉值关系曲线

3.3　土工格栅对路基侧向位移的影响

试验通过斜侧管采集的位移数据将不同加筋材料和无筋土变形曲线加以绘制，见图5。结果表明，将土工合成材料作为加筋材料的复合土侧向位移比无筋土的侧向位移小，从路堤底部开始向下，加筋土对侧向位移的约束作用就十分显著，远小于无筋土的侧向位移量，且在地基下2~7 m范围内的位移差值较大，格栅与无筋土作用影响的位移值分别为230 mm和347 mm，最大差值约51%，7 m以下的侧向位移差值逐渐减小至几乎重合，说明加筋土的土体约束范围有限，超过这个限制，地基的侧向位移受到加筋的作用效果并不明显，根据圣维南原理，路基施工仅会影响一定深度以内的地层；同时，土工格栅的位移发展比土工布小。

图5　地基深度与位移变化关系曲线

土工格栅主要通过内摩阻力和粘聚力对路堤产生约束力。其中，粘聚力是由土粒之间的电分子引力和土中化合物的胶结作用而形成的，内摩阻力主要是依靠土间粒子摩擦和连锁作用而产生的咬合力产生，格栅与周间土的摩擦力与填土位移方向相反[7]。因此，在一定地基深度内使用加筋土对地基侧向位移有明显约束作用，不同土工材料对填土侧向位移的约束幅值不同，土工格栅凭借其材料性能优势， 有效改善了软基侧向变形问题。

3.4　土工格栅层数对路基沉降位移的影响

在部分试验段，本方案采取平铺单层和2层土工格栅作为对比，得到了沉降数据，图6为加筋层数对地基沉降变形的影响曲线。通过图6曲线比较单层和2层土工格栅的路基沉降位移，2层布置曲线大致上延1层格栅曲线走势，在106 d之前2层格栅的沉降值与1层沉降值并未有明显差异；从106 d开始至309 d，2层土工格栅与1层的沉降差值增大至一个稳定值，约8 cm左右；待时间加长，2层格栅的沉降逐渐与1层土工格栅沉降几乎重合。说明，相对1层格栅布置，增加土工格栅的层数，在前期对路基沉降位移约束有一定的提高，但随着路堤的沉降进一步发展，增加格栅层数并未对土体的竖向约束有明显提高。这个试验结果，可为公路工程软基处理问题中土工格栅的合理布置提供借鉴。

图6　加筋层数对地基沉降变形的影响曲线

4结语

(1) 土工格栅能有效减小地基沉降变形，峰值约13%，侧向位移的发展约束可达51%，格栅改善了路基的整体受力特性，提高了稳定性。

(2) 加筋土有利于应力的均匀分布，提高路堤的整体抗剪切破坏能力，减小不均匀沉降的发生几率。

(3) 不同的材料会产生不同的工作性状，土工格栅比土工布对土体的位移和变形等都具有更明显的约束。

(4) 工格栅加筋层数在试验条件下，对路堤变形影响差异成鼓状发展，最终影响小。

参考文献

[1]施建勇,孙钧,李永盛.土工织物加筋机理的研究[J].河海大学学报，1996，24(4)：32-37.

[2]周志刚，郑健龙，张起森，等.Netlon土工格栅与土界面性能的研究[J].长沙交通学院学报，1998(3)：34-39.

[3]李运成,彭振斌,何杰.刚性基础下土工格栅加筋碎石垫层变形特性试验研究[J].中南大学学报，2014，45(9)：3244-3248.

[4]JTG/T D31-02-2013公路软土地基路堤设计与施工技术细则[S].北京：人民交通出版社，2013.

[5]卫功保，吕鑫焱.软土路堤沉降的施工监测与分析[J].交通科技，2003(3)：65-66.

[6]JTG F10-2006公路路基施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[7]郭万林,任俊明.加筋路堤在汾离高速公路中的应用[J].山西交通科技,2005(S1):78-80.

Research on the Geogrids to Control the Deformation of Soft Foundation

WangChengxiang

(Shanxi CCCC Yihou Expressway Co., Ltd., Yicheng 043500, China)

Abstract：To research the working performance of the geogrids on soft foundation, a test of engineering in field has been made. The test includes the construction and monitoring of the reinforced subgrade and the common subgrade. The results show that the application of the reinforced composite has a significant effect on constraining the horizontal and vertical displacement of soft foundation. The maximum displacement of the subgrade is about 11%, and the lateral displacement value is about 51%. The deformation of soft foundation will be different if different material is used in subgrade. The use of the grids is also helpful for the stressed uniformly of the subgrade section.

Key words:soft foundation; geogrids; displacement

收稿日期：2015-09-25

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.033