土工格栅二灰改良土在路基加宽中的应用分析

梁小勇，靳 静

(河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)



土工格栅二灰改良土在路基加宽中的应用分析

梁小勇，靳 静

(河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018)

为了实现路基加宽工程中新老路基的有效连接，提出了使用土工格栅二灰改良土加宽路基的技术方法。以沧州市沿海公路路基加宽工程为研究对象，基于面向岩土工程的有限元分析程序MIDAS/GTS建立数值模型，分析土工格栅二灰土加宽路基的改良效果。结果显示土工格栅作为柔性加筋材料，有效改善了所加宽路基的受力性能。

路基工程；二灰改良土；土工格栅；竖向位移；水平位移

随着交通量的迅速增长，部分建成通车的高速公路又面临着扩建、加宽的问题[1-2]。在软土地基上，高速公路路基的加宽工程要考虑路基的整体稳定和差异沉降问题[3]。因为新路基的建设会引起路基边坡失稳和新老路基的差异沉降，所以软土地基上高速公路路基加宽的关键问题就是如何减小新老路基之间的差异沉降，并保证新老路基之间的有效连接[4-5]。

1 工程概况

沧州市沿海公路正港路口至埕口桥段改建工程的既有路基运营多年，固结沉降基本完成，新加宽路基宽度为5 m，高度为6 m。根据现场工程实际，为防止新、旧路基产生过大差异沉降，路基加宽段选用石灰、粉煤灰和土按照1∶4∶5的比例混合作为填料，同时铺设土工格栅等加筋材料，通过研究路基竖向位移、水平位移及加筋材料轴力等技术指标，以期为类似工程提供借鉴[6-8]。

2 数值模型的建立

以沧州市沿海公路路基加宽工程为依托，根据圣维南原理选取计算模型：以路基横剖面为X方向，取60 m；以重力方向为Y方向，取120 m；采用MIDAS/GTS建立平面应变模型，岩土体材料采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型[9-11]；加筋材料采用土工格栅单元，土体单元为6 080个，格栅单元为124个，接触面单元为124个。路基加宽段选用二灰改良土作为填料，同时铺设土工格栅等加筋材料，计算参数见表1。

表1 数值模型的计算参数

计算基本假设：1)岩土类材料采用Mohr-Coulomb屈服准则；2)由于模型的对称性，选取路基中线为边界，即取模型的一半进行建模分析；3)边界条件为约束计算模型侧面边界X轴和Y轴方向的水平位移，约束计算模型侧面边界X轴和Y轴方向的竖向位移。路基加宽计算模型网格如图1所示。

图1 路基网格剖分图Fig.1 Division diagram of subgrade grid

3 计算结果分析

用MIDAS/GTS建立数值模型，研究二灰改良土土工格栅的强度特性，分析二灰土土工格栅加宽路基的改良效果，选取路基竖向位移、水平位移及加筋材料轴力等3个量化指标进行分析[12-15]。

3.1 加宽路基竖向位移分析

通过平面应变计算模型分析二灰改良土加宽路基竖向位移的发展规律，得到二灰改良土加宽路基竖向位移云图和二灰改良土加宽路基施工阶段的塑性区分布云图，分别如图2和图3所示。

图2 二灰改良土路基竖向位移云图Fig.2 Vertical displacement field of subgrade

图3 加宽路基施工塑性区云图Fig.3 Plastic zone cloud picture of widened subgrade

由图2、图3分析可以得出以下结论：

1)选取二灰改良土作为加宽路基的填料，并在新、旧路基结合处设置土工格栅加筋材料，有效控制了路基竖向位移的发展，竖向位移最大值为30.2 mm；

2)加宽路基施工阶段竖向位移分布规律表现为自旧路基坡脚处为中心向外衰减，最大值发生在旧路基坡脚处；

3)与加宽路基竖向位移分布类似，施工阶段的塑性区自旧路基坡脚处为中心向外呈放射性扩展，在铺设土工格栅处路基填土出现一定范围的塑性区。

3.2 加宽路基水平位移分析

通过平面应变计算模型分析二灰改良土加宽路基水平位移的发展规律，如图4所示。从图4可以得出以下结论：

1)采用二灰改良土作为加宽路基的填料，土工格栅加筋材料与路基填土相互咬合，抑制了路基填土的水平挤出位移；

2)加宽路基施工阶段新路基边缘处水平位移较大，水平位移的最大值发生在新路基坡脚处，土工格栅加筋摩擦效应使得该处路基的水平位移产生突变，避免过大挤出位移。

图4 二灰改良土路基水平位移云图Fig.4 Horizontal displacement field of subgrade

3.3 土工格栅轴力分析

土工格栅加筋材料长度取5.0 m，加筋间距为0.6 m(路基高度为2～4 m)，其他部分为0.4 m，图5为加宽路基土工格栅轴力图。

图5 二灰改良土土工格栅轴力图Fig.5 Axial force diagram of geogrid

从图5可以看出：1)土工格栅的最大轴力产生于新路基与旧路基结合部位，其他部位轴力较小，轴力最大值为15 N，远小于其抗拉强度；2) 二灰改良土加宽路基施工中，土工格栅轴力沿其轴线方向非线性分布，土工格栅作为柔性加筋材料，有效改善了加宽路基的受力性能，由数值计算可以看出加筋效果的影响因素主要为格栅加筋长度与加筋间距。

现行加筋土结构设计中，格栅加筋间距的选取主要源于工程经验法。加宽路基的土工格栅设计间距存在适宜值，以便达到安全性与经济性的双赢效果。数值计算时选取加宽路基侧向位移为控制指标，对比分析间距为0.4，0.8与1.2 m时土工格栅的加筋效果，以及对比分析格栅长度为3，4与5 m时土工格栅的加筋效果，如图6、图7所示。

图6 不同格栅间距时加宽路基的加筋效果Fig.6 Reinforcement effect of widened subgradeunder different geogrid space

图7 不同格栅长度时加宽路基的加筋效果Fig.7 Reinforcement effect of widened subgradeunder different geogrid length

由图6可以看出：1)加筋间距对加宽路基侧向位移的变形模型影响较小，均表现为鼓肚状破坏；2)当加筋间距减小时，加宽路基的侧向位移由3.4 cm减小为1.7 cm，且格栅间距为0.4 m与0.8 m的位移值相近，可见土工格栅加筋间距存在适宜值；3)当加筋间距超过适宜值后，加宽路基的加筋效果不再明显，但工程成本急剧增加。以选取的加宽路基为例，计算可得加筋间距的适宜值为0.4～0.8 m。

由图7可以看出：1)随着加筋长度的增加，加宽路基的侧向位移由8.5 cm减小为1.8 cm，格栅长度的增加有效地改善了加宽路基的加筋效果；2)加筋长度存在适宜值，加筋长度由2 m增至4 m时，加宽路基侧向位移减小显著，4 m以后侧向位移减小不大。

4 结 论

选取沧州市沿海公路路基加宽工程为研究对象，采用面向岩土工程的有限元分析程序MIDAS/GTS建立数值模型，分析二灰土加宽路基的改良效果，得出如下结论：

1)对于旧路基加宽工程选用二灰改良土作为填料，并在新、旧路基结合处铺设土工格栅加筋材料，能有效地控制路基的竖向位移和避免产生过大的水平位移。这是因为在相应的位置由于摩擦而产生了一定的网兜效应，有效控制了路基塑性区的发展，有利于路基填土的整体稳定。

2)在用土工格栅二灰改良土加宽路基的施工过程中，格栅加筋长度与加筋间距是影响格栅加筋效果的主要因素。通过数值分析和现场检测，可知格栅加筋间距的适宜值为0.4～0.8 m，格栅加筋长度在4 m左右比较合理。

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Application analysis of widened subgrade reinforced by lime-flyash-improved soil and geogrid

LIANG Xiaoyong, JIN Jing

(School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In order to realize effective connection between the new and the existing subgrades in subgrade widening, the method of using lime-flyash-improved soil and geogrid for subgrade widening is put forward. Taking the subgrade widening project of coastal highway in Cangzhou as research subject, and based on the rock-soil-faced ANSYS Midas/GTS platform, the improvement effect of lime-flyash-improved soil and geogrid for subgrade widening is analyzed. The result shows that as a flexible reinforcement material, the geogrid improves effectively the mechanical properties of the widened subgrade.

subgrade engineering; lime-flyash-improved soil; geogrid; vertical displacement; horizontal displacement

1008-1534(2016)04-0329-04

2016-03-01;

2016-03-24；责任编辑：冯 民

河北省教育厅科技计划项目(QN2015062); 河北省自然科学基金(E2014208135)

梁小勇(1980—)，男，湖北襄阳人，讲师，硕士，主要从事岩土工程方面的研究。

E-mail: liaxiayon@hebust.edu.cn

U416.1

A

10.7535/hbgykj.2016yx04012

梁小勇，靳 静.土工格栅二灰改良土在路基加宽中的应用分析[J].河北工业科技,2016,33(4):329-332. LIANG Xiaoyong, JIN Jing.Application analysis of widened subgrade reinforced by lime-flyash-improved soil and geogrid[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(4):329-332.