高速公路扩建工程土工格栅应用现场试验研究

程 兴，韩 冬，姜景山

（1.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014；2.南京工程学院，江苏 南京 211112）

高速公路扩建工程土工格栅应用现场试验研究

程 兴1，韩 冬1，姜景山2

（1.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014；2.南京工程学院，江苏 南京 211112）

依托某高速公路改扩建工程，将土工格栅应用到该拓宽工程路基中，为研究土工格栅的加固机理，对土工格栅铺设的层位、位置、宽度和类型四个因素开展现场试验，研究土工格栅在不同情况下加筋处理的效果。结果表明：桩顶垫层土工格栅拉伸力大；路基填土越高加筋效应越好；2 m宽土工格栅中部拉伸力较4 m宽和6 m宽都大；钢塑格栅较塑料格栅拉伸率小而拉伸力大。试验结果可为路基拼接设计施工提供参考和指导。

土工格栅；现场试验；加筋效应；拉伸率

0 引言

随着我国交通量的不断增长，急需扩大道路通行能力，高速公路扩建工程发展迅速，国内已有多条高速公路如沪杭甬、海南环岛东线、沪宁等都已完成，扩建的过程中存在着很多问题。其中一个关键问题是新老路基间存在较大的差异沉降[1-2]，这是由于建设历史和填料性质等方面的差异。为了减小新老路基的差异沉降，增强新老路基的整体性，采用土工格栅处治已成为路基拼接常用的方法之一，并已在拓宽工程中取得了较好的应用效果[3-4]。然而目前对土工格栅加固机理等方面的研究目前开展得较少[5-7]，已有的成果主要局限于数值模拟研究[8-9]，对土工格栅加筋的效果、加固机理开展现场试验研究也较少[10]。

本课题依托某高速公路改扩建工程，将土工格栅应用于新老路基台阶位置和桩顶垫层中，通过在桩顶垫层土工格栅和新老路基台阶土工格栅上埋设位移计，观测土工格栅的受力变形状态，从土工格栅铺设的层位、位置、宽度和类型这四个影响因素开展土工格栅现场试验，研究土工格栅在各种不同情况下加筋处治的效果。明确土工格栅的加固机理，并为路基拼接设计和施工提供参考和指导。

1 现场试验

1.1 试验原理

要测量土工格栅发挥的效用，需要了解土工格栅强度发挥的程度和土工格栅实际承受的拉力。目前直接测量土工格栅的拉力比较困难，一般通过测量土工格栅的变形，然后由室内土工格栅拉伸试验得到的应力应变关系曲线进行换算得到。应力应变换算通过拟合拉伸试验得到的应力应变曲线方式进行。拉伸试验得到的土工格栅应力应变关系曲线见图1。

图1 土工格栅拉伸试验应力应变曲线

式中：ε为伸长率（%）；σ为拉伸力（kN/m）；a、b为无量纲模型参数。

图2是采用双曲线拟合得到的应力应变关系曲线，从图中可以看出双曲线拟合土工格栅应力应变关系的效果较好。双曲线函数采用：

图2 土工格栅应力应变关系双曲线拟合曲线

通过回归分析得到土工格栅应力应变双曲线模型参数，见表1。

表1 双曲线模型参数表

1.2 试验材料

现场试验所采用的土工格栅分别是拓宽工程路基中应用的双向凸结点钢塑土工格栅和单向塑料土工格栅。其中钢塑格栅采用常州永新华立纺织复合材料有限公司生产的TGG 80×80型号凸点双向钢塑土工格栅，见图3，其性能参数见表2。塑料土工格栅采用肥城联谊工程塑料有限公司生产的HDPETGDG80单向塑料土工格栅，见图4，其性能参数见表3。

图3 凸结点双向钢塑土工格栅

表2 凸结点双向钢塑土工格栅性能参数

图4 单向塑料土工格栅

表3 单向塑料土工格栅性能参数

1.3 试验仪器

土工格栅现场试验所用的仪器主要有位移计和读数仪，位移计采用VWD-20型振弦式，读数仪具有编号自动识别功能，满足了现场特殊情况下试验仪器识别和读取的需要。

1.4 试验方案

土工格栅现场测试断面选择了6种路基设计处理方案进行研究，具体见表4。不同宽度土工格栅土工格栅应变观测频率为6个月进行8次观测，其中前四次每半个月观测一次，以后每一个月观测一次，初次观测时间为路面结构施工完成后。

位移计布置见图5，2 m、4 m、6 m宽土工格栅布置3、4、5个测点。

2 现场试验结果及分析

通过对土工格栅在不同铺设层位、不同填土高度、不同铺设宽度和不同材料类型等影响因素的分析，研究土工格栅在拓宽路基中的作用效果。

2.1 不同铺设层位试验成果

图6为填土高度为4.5 m的双侧拓宽为6车道的断面不同加筋层位土工格栅的加固效果，分析可以得到：

（1）桩顶垫层土工格栅拉伸力最大。

从图6中可以看出，桩顶垫层中土工格栅的拉伸力最大。说明桩顶碎石垫层中土工格栅能充分协调桩土变形，均化沉降，拉伸力大，加筋效果明显，表明桩顶垫层中铺设土工格栅是十分必要和有效的。

（2）路基拼接顶部土工格栅的拉伸力较大。

不考虑桩顶垫层中土工格栅加筋效果，只考虑路基中土工格栅的处治效果，可以看出路基顶部土工格栅的拉伸力最大。建议在路基拼接中都要保证路基顶部铺设一层土工格栅，以免路基拼接质量和安全出现问题。

表4 土工格栅现场测试断面与路基设计方案对应情况

图5 不同宽度土工格栅位移计测点布置图

图6 不同层位土工格栅加固效果（填土高度4.5 m）

（3）路基顶部第二层拉伸力相对较小。

从图6中可以看出，路基顶部第二层土工格栅的拉伸力较小。顶部第二层拉伸力偏小的原因可能是路基顶部土工格栅的发挥效果明显，其影响范围覆盖了第二层土工格栅的加筋影响范围，导致第二层土工格栅的加筋效果表现不突出。因此，建议如路基填土高度较大，需设置两层或两层以上土工格栅时，优先在路基顶部和路基中部铺设土工格栅以充分发挥土工格栅的加筋处治的效果，可不必每层均铺设土工格栅。

2.2 不同填土高度试验成果

图7为双侧加宽为6车道情况下不同填土高度路基顶部2 m宽钢塑格栅中部拉伸力随时间的变化规律，表5为不同填土高度土工格栅拉伸力变化趋势，通过图表可以得到如下结论。

图7 不同填土高度土工格栅拉伸力变化

表5 不同填土高度土工格栅拉伸力 kN/m

（1）土工格栅的加筋效应是逐渐发挥的。

在不同填土高度下，土工格栅的拉伸力均随着时间的延长而逐渐增大。路基填筑结束后，随着路基的沉降的不断发展，特别是新老路基结合处不均匀沉降逐渐增大，土工格栅不断协调新老路基的差异沉降，拉伸力逐渐增大，加筋效应也不断增强。

（2）路基填土越高土工格栅加筋效应越好。

从图中可以看出，填土高度越大，土工格栅的拉伸力越大。随着填土高度的增大，路基顶部土工格栅的加筋效应逐渐增强。填土高度越高，新老路基的差异沉降越大，应力集中越明显，土体的剪切和土工格栅的受拉越明显，土工格栅的拉伸力表现的越大。

2.3 不同铺设宽度试验成果

图8为填土高度为4.5 m时不同宽度土工格栅在拓宽为6车道和8车道情况下路基顶部土工格栅的加筋效果，表6和表7分别为双侧加宽为六车道和八车道不同宽度格栅拉伸力情况，由图表可以看出：

图8 不同宽度土工格栅加筋效果（填土高度4.5 m）

表6 双侧加宽为六车道不同宽度格栅拉伸力

表7 双侧加宽为八车道不同宽度格栅拉伸力

（1）土工格栅宽度为2 m时拉伸力最大。

当土工格栅宽为2 m时，拉伸力最大。双侧加宽为六车道时，钢塑格栅2 m宽时中部拉伸力为19.1 kN/m，大于4 m宽时格栅中部14.1 kN/m和9.1 kN/m；塑料格栅2 m宽时中部拉伸力为5.7 kN/m，大于4 m宽时格栅中部5 kN/m和3.6 kN/m。双侧加宽为八车道时，钢塑格栅2 m宽时中部拉伸力为36.7 kN/m，大于4 m。

宽时格栅中部32.3 kN/m和21.4 kN/m和6 m宽时格栅中部26.4 kN/m、25.8 kN/m和11.2 kN/m。

2 m宽土工格栅中部拉伸力较4 m宽和6 m宽都大，说明宽2 m的土工格栅协调新老路基不均匀变形程度最大，土工格栅充分发挥了抵抗拉伸的作用。对于4 m宽和6 m宽土工格栅由于加筋影响范围较大，土工格栅的拉伸力整体有所减小，土工格栅抗拉作用发挥得较少。

（2）土工格栅中部拉伸力较两端大。

土工格栅中部拉伸力较两端拉伸力要大，从中部到两端衰减较快。以双侧各加宽一个车道钢塑格栅为例，宽2 m时中部拉伸力为19.1 kN/m，两端为9.6 kN/m和7.8 kN/m；宽4 m时，土工格栅中部最大为14.1 kN/m，两端为11.7 kN/m和2.3 kN/m。说明土工格栅中部很好地发挥了锚固作用，而两端由于锚固长度较小加筋效果受到了限制。

（3）离土工格栅左侧1 m位置处（新老路基拼接处）拉伸力最大。

从不同土工格栅宽度、不同土工格栅材料类型以及不同拓宽宽度条件下土工格栅拉伸力分布可以看出，离土工格栅左侧1m处即新老路基拼接处拉伸力最大。如双侧加宽为六车道，钢塑格栅为2 m时，离土工格栅左侧1 m拉伸力为19.1 kN/m，大于两端9.6 kN/m和7.8 kN/m，4 m宽时离左侧1 m拉伸力为14.1，大于两端11.7 kN/m和2.3 kN/m。综合分析，离左侧1 m正好是新老路基拼接交接处，此处由于新老路基固结程度的差异，沉降变形较大会产生一个小的突变，因此此处土工的应力集中最为明显，土工格栅由于较大不均匀沉降的影响产生了较大的拉伸变形，土工格栅的受力较大，加筋效应发挥得也最大。

（4）离新老路基拼接位置越远拉伸力越小。

拓宽工程在新老路基拼接位置2 m范围内土工格栅的拉伸力较大，但随着离新老路基拼接距离的增大，拉伸力衰减的较快。说明新老路基的不均匀沉降主要发生在拼接位置2 m范围内，在此范围内，铺设土工格栅的效果最好。因此不必过分强调加大土工格栅的铺设宽度，避免浪费。

2.4 不同材料类型试验成果

图9和图10是填土高度4.5 m条件时，在拓宽为6车道情况下，路基顶部不同材料土工格栅的加筋效果图。从钢塑格栅和塑料格栅的拉伸率和拉伸力可以看出：

图9 不同材料类型土工格栅拉伸率（填土高度4.5 m）

图10 不同材料类型土工格栅拉伸力变化（填土高度4.5 m）

（1）钢塑格栅的拉伸率小。

从钢塑格栅和塑料格栅拉伸率与时间变化图可以看出，相同格栅宽度条件、填土高度下，塑料格栅的拉伸率比钢塑格栅大。钢塑格栅的拉伸率小于塑料格栅，说明采用钢塑格栅处治能有效减小新老路基的差异沉降，减小路基开裂的可能性，工程实施中应优先考虑钢塑格栅。

（2）钢塑格栅的拉伸力大。

从钢塑格栅和塑料格栅拉伸力随时间变化图可以看出，相同格栅宽度、填土高度下，钢塑格栅的拉伸力比塑料格栅大。钢塑格栅的拉伸力要大于塑料格栅，说明钢塑格栅能充分协调新老路基的差异沉降，均化应力，增强路基的整体性，减少路基拼接病害的可能性。

3 结论

根据某高速公路改扩建工程土工格栅现场试验结果，对结果进行分析，可以得出如下结论：

（1）不同层位的土工格栅，桩顶垫层土工格栅拉伸力大，路基拼接顶部土工格栅的拉伸力较大，路基顶部第二层拉伸力较小。

（2）土工格栅的加筋效应均是逐渐发挥，路基填土越高加筋效应越好。

（3）土工格栅宽度为2 m时拉伸力最大，土工格栅中部拉伸力较大，离土工格栅左侧1 m位置处（新老路基拼接处）拉伸力最大，离新老路基拼接位置越远拉伸力越小。

（4）钢塑格栅较塑料格栅拉伸率小而拉伸力大。

（5）在双侧各加宽一个车道的拓宽工程，采用2 m宽土工格栅，双侧各加宽两个车道的拓宽工程，采用2～4 m土工格栅比较合适。

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TU47

A

1009-7716（2016）05-0052-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.015

2016-01-12

程兴（1984-），男，安徽池州人，工程师，从事岩土工程设计、检测、监测等工作。