土工格栅在高陡路基应用中的探讨

李凤岭

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

随着我国基础设施建设的逐步完善，高等级公路项目得到了大力发展。在山区高速公路的建设中，为满足公路线型的要求，不可避免地会出现一些陡坡路段的高填方路基。确保高陡路基的稳定与安全，是高速公路项目建设中不容忽视的关键内容。自20世纪80年代开始，经过数十年的研究应用，土工合成材料因其具有高强、耐磨、适应力强等特点，被广泛用于公路、铁路、港口等各类土建工程中。通过对某高速公路中加铺土工格栅的高陡路基进行计算分析，得到了一些结论，结果表明土工格栅对减小路堤沉降变形提高坡体整体稳定起到了积极作用，但过密地加铺土工格栅对增强加固效果作用不明显，盲目增加铺设层数会造成不必要的工程浪费。

1 土工格栅特性

土木工程中所使用的格栅一般是指用聚丙烯、聚氯乙烯等高分子聚合物经热塑或模压而成的二维网格状或具有一定高度的三维立体网格。由其自身的材料及结构特性，决定了土工格栅具有高强度、低延伸率、与土咬合力强、耐久性好、不易蠕变等优点。

在高陡路基中加铺格栅材料，利用土与格栅之间的摩擦作用，使加筋土路堤成为稳定的复合结构体，能有效防止路堤滑移、变形过大、不均匀沉降等不良现象的发生。土工合成材料的刚度远大于路基填筑土，具有均布力特性，能降低路堤的不均匀沉降差异，减小变形量，增加土体强度，提高安全系数，确保高陡路基的整体稳定[1]。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

2.1.1 路堤断面型式

该路堤左侧依靠于陡峭的黄土坡体，右侧进行路基填筑，最大坡高37.4 m。路基顶面宽度26 m，边坡采用折线式，1～8 m边坡坡率采用1∶1.5，8～20 m边坡坡率为1∶1.75，20～37.4 m边坡按坡率1∶2进行路基填筑。在填土20 m及30 m处设置2 m宽平台，由坡脚排水沟、平台排水沟、陡坡急流槽、拦水带等排水设施组成坡体排水系统，坡面采用拱形骨架护坡防护，详见图1。

图1 高陡路基典型断面图（单位：cm）

2.1.2 地形地貌

高陡路堤段落位于黄土残垣与冲沟组合区，地面标高420.0～487.2 m，自然坡度为15°～340°，路堤区交通条件较差，植被较少。

2.1.3 地层岩性

与工程有关的地层主要有新生界第四系中更新统（Q2al）粉土、粉质黏土。

a）Q2al粉土 褐红色，稍湿、稍密，由绢云母和黏土矿物组成，含有铁质，含1 mm的虫孔。

b）Q2al粉土 褐红色，稍湿、稍密-中密，由绢云母和黏土矿物组成，含有铁质，含1 mm的虫孔。

c）Q2al粉质黏土 褐红色，可塑-硬塑，由绢云母和黏土矿物组成，含铁质成分，含有1 cm钙质结核，见有白色菌斑。

根据上述条件建立二维模型如图2所示。

图2 计算模型示意图

2.2 模型建立及参数选取

传统的极限平衡理论，无法考虑土体应力应变的非线性关系，难以反映土体与土工格栅之间的相互作用。运用有限元分析方法可以很好地克服以上不足，更加准确地反映加筋土路堤的应力应变状况[2]。有限元分析软件Midas GTS NS根据土工格栅只受拉、不受压、且抗弯刚度小的特点，设置了“土工格栅”属性单元，进行单元属性选择时比较方便，文中通过该软件进行数值模拟分析。

首先建立土体的平面应变二维模型，为保证网格之间的有效连接，通过“析取”的方式在土体网格的基础上，建立“土工格栅”单元。由于土工格栅的抗拉强度和模量较大，拉伸曲线在应变较小的情况下（一般小于5%）呈直线，考虑到土工格栅在填土中所受的拉力远小于其抗拉强度，则可以将格栅单元的本构关系近似地看作线弹性，土体单元采用摩尔-库伦本构关系。为了能更好地反映出加筋材料与土体之间的相互作用关系，本次分析中将土体单元与土工格栅单元按各自特性分开考虑，然后在二者之间建立“接触单元”。通过对接触单元的属性设置，可以实现土体与格栅的接触界面在法线方向上近似刚性连接，而在切线方向上进行黏结、滑移等情况的模拟，从而通过接触单元来反映土体与土工合成材料间的界面特性[3]。主要计算参数如表1、表2所示。

表1 土体及土工格栅主要参数

表2 界面单元主要参数 kN/m2

2.3 分析总结

根据上述土体力学参数，首先对未加筋状态下的高陡路基进行计算，得出边坡安全性系数为1.56，坡体变形量最大值为37.41 cm。对加入土工格栅的路堤模型计算时按路堤基底固定铺设一层土工格栅，然后通过调整格栅间距的方式改变土体内加筋材料的铺设层数。格栅间距最小值设定为1 m，此时铺设层数达最大值46层，格栅间距递增梯度按1 m计算，铺设间距增加为2 m时，土体内格栅层数为24层，依此类推，直至间距为24 m，坡体内仅设置一层土工格栅时为止，该情况下坡体内格栅布置情况为基底铺设一层，坡体内铺设一层，共两层土工格栅。

2.3.1 土工格栅对路堤安全系数的影响

对路堤内按不同间距布设土工格栅的相应情况分别建立模型进行分析计算，得到的坡体安全系数如图3所示。

图3 安全系数比较图

由图3可知加入土工格栅后路堤的安全系数明显提高，当铺设间距为24 m，仅在基底及坡体内各铺设一层土工格栅时，安全系数提高为1.68，较原始安全系数1.56提高幅度为7.69%。随着土工格栅间距变小，铺设层数增加，安全系数继续加大，土工格栅间距为6 m，铺设层数为8层时，路堤安全系数为1.98，提高幅度为26.92%。在此基础上进一步减小间距，土体中土工格栅的铺设层数增加速度较快，安全系数的提高趋势并不明显，当铺设间距为1 m时，格栅层数达46层，安全系数为2.06，此时与间距6 m时相比，坡体的安全系数仅提高了4.04%，但铺设层数增长超过了5倍，在满足实际要求的情况下，初步确定6 m为该项工程中格栅铺设的合理间距。

2.3.2 土工格栅对变形量最大值的影响

对路堤内按不同间距布设土工格栅的相应情况分别建立模型进行分析计算，得到的坡体变形量数值如图4所示。

图4 变形量最大值比较图

通过图4得知，路堤按不同加筋间距处理后，坡体最大变形量较原始状态下37.41 cm均有所减小。当铺设间距为24 m，仅在基底及坡体内各铺设一层土工格栅时，最大变形量为36.12 cm，随着铺设间距减小，铺设层数增加，最大变形量减小幅度逐步增大，当铺设间距为4～7 m范围时，变形量最大值缩减幅度最大，减小为28.52 cm左右。在此基础上进一步减小间距，增加铺设层数时，坡体内局部范围出现应力集中现象，变形量最大值反而有所增加。结合安全系数计算时得出的合理铺设间距，确定该段陡坡路堤土工格栅铺设间距为6 m，铺筑8层，此时坡体变形量最大值为28.52 cm，缩减幅度为23.76%。

2.3.3 土工格栅对路堤不均匀变形的影响

按间距6 m铺设8层土工格栅方案建立模型，在路堤变形量较大位置填土高度30 m处截取横向剖面，以填筑土与自然陡坡交汇处为“0”点，向路基外侧边坡方向每隔5 m提取一处变形量数值，详见图5、图6。

图5 横向剖面示意图

图6 填土30 m处不均匀变形比较图

由图6可知未加筋时边坡外侧的11号点变形量为9.25 cm，坡体内侧1号点变形量为37.33 cm，坡体变形由外向内呈线性增大趋势，趋势线倾角约为28.25°，斜率K=0.54，路堤不均匀变形明显。陡坡路堤进行加筋处理后，剖面上4～11号点处路基变形仍然呈线性增长趋势，趋势线倾斜角度约为24.52°，斜率K=0.46，较原增长趋势明显变缓，而位于坡体内部的0～4号点变形趋势近乎直线状态，变形协调稳定。路基内设置土工格栅后变形稍小的11号点，变形量由原来的9.25 cm缩小为9.12 cm，变形最大处的1号点，变形量由37.33 cm减小为26.21 cm，缩减幅度达29.79%，从以上数据不难看出经过加筋处理后坡体变形越大的位置，变形量缩减幅度也相应越大，加入土工格栅可以有效控制路堤不均匀变形。

3 结语

通过上述工程案例的计算分析，证明了土工格栅可以减小高陡路堤变形，有效控制不均匀沉降，提高坡体的安全系数，对保障高陡路堤工程的整体安全稳定起到了积极作用。但在实际施工应用中为避免不必要的工程浪费，应根据实际情况确定最佳的铺设方案，才能达到经济有效的加固效果。