钢塑土工格栅加固拓宽路基优化设计研究

周莉莉

（湖南城建职业技术学院，湖南 湘潭 411100）

0 引言

在市场经济繁荣、城建事业兴盛的背景之下，我国居民生活品质明显改善，旅游出行内需急剧扩大，带动区域经济发展的同时也造成了极大的交通压力，很多公路工程为应对交通量激增问题，纷纷加入了改建拓宽队列，相应的改建工艺、技术也在不断完善。钢塑土工作为加固拓宽路基工程中极为常用的施工材料，得到了众多施工单位的青睐，有必要对其方案优化、施工优化措施进行深入探究。

1 钢塑土工格栅主要技术特性

土工格栅是工程建设过程中较为常见的合成类材料，通常用聚乙烯等高分子聚合物制成，主要工艺为热塑、模压，最终成品以二维或三维网格呈现。对于路基加固拓宽工程来说，钢塑土工格栅适用性极好，能够满足的应用需求较多，因此也获得了诸多单位的青睐，综合来讲其技术特性主要表现在以下几个方面：一是摩擦系数较大，其次其抗拉模量较高，再次是其抗腐蚀、抗老化性能极佳[1]。

2 案例工程概况及几何模型搭建

本文引入的案例中，原有公路全长为226.47km，共有双向4 条车道，近年来城建事业推进、生活品质改善，公路面临交通环境愈发复杂，交通压力倍增，拟开展改建工程将之拓宽至8 条车道。从已有拓宽工程经验来看，公路老路基、地基之间受车辆载荷长期作用，通常能够表现出较好的吻合度，而拓宽部分土体尚未完全固结，在外部多重因素作用下很容易出现差异沉降问题，进而造成纵向裂缝的出现，因此引入钢塑土工格栅材料对拓宽部分进行加固，以减少差异沉降出现概率，提升工程总体质量。同时，已有研究通常聚焦于拓宽工程病害发生机理、防治手段等，对于土工格栅的设计优化却关注甚少，相关的设置层数、位置等细节描述也很少，难以为具体的方案设计提供指引，亟需探究和优化。考虑到现实拓宽工程施工规模较大，路基沉降时间较长，很难在短期内提供充足、可靠的试验数据，因此采用室内模拟试验方式，辅以现场试验操作展开研究，实践环节主要借用FLAC 软件对案例工程进行建模，模型中老路基宽度为28m，拓宽环节两侧各增加7.5m，工程路基总宽度为42m，深度为35m，借助软件内部功能细化地基土参数，规定了变形模量、粘聚力等数值。模拟开始后使用Geogrid 单元执行拉拔试验[2]。

3 钢塑土工格栅加固拓宽路基方案优化

3.1 土工格栅设置层数分析

模型中路基高度设为4m，引入5 种不同工况对钢塑土工格栅设置层数进行分析，其中不设土工格栅时，老路堤、新路堤沉降差异为2.6754cm，设置一层时沉降差异有所下降，总量为2.4795cm，以此类推后面的试验组中差异沉降量均出现了不同程度的下降。这说明伴随钢塑土工格栅设置层数的增加，新老路堤差异沉降量会明显下降，可以通过该种方式缓解拓宽工程纵向裂缝问题，实现设计方案的优化。同时，从图1 钢塑土工格栅层数与差异沉降关系曲线图中还可以发现，这种沉降差异的变化是有规律可循的，在0～1 层之间斜率最大，变化最为急剧，后期层数的增加虽然同样可以压缩沉降差异，但整体变化趋缓，因此综合经济成本角度分析时，设置一层钢塑土工格栅即可达到较好的加固效果，如图1 所示。

图1 钢塑土工格栅层数与差异沉降关系

确定最佳设置层数之后，模拟试验中还对拓宽工程填筑高度进行了展开研究，设置填筑高度为2m 时，差异沉降达到1.5426cm；填筑高度为3m 时，差异沉降达到1.5973cm，后期伴随填筑高度的增加，差异沉降量逐渐增大，4m 之后变化较为显著，沉降差异明显扩大。因此，对于加宽工程中填筑高度在4m 以下的对象，设置单层钢塑土工格栅即可满足使用需求，填筑高度超过4m 时，整体沉降系数会受到自重作用，产生异常变大情况，此时可以适当增加钢塑土木格栅层数，以缓和沉降差异扩大问题，达到经济效益和质量效益的统一。

3.2 土工格栅布设位置分析

当工程填筑高度超过4m 后，通常推荐增设钢塑土工格栅层数达到加固缓和目的，但实践环节不同的设置位置也会对工程质量产生影响，经过模拟试验发现，第二层土工格栅布设环节，将其放置于路基高度的1/3达到的效果最佳，分析后发现该种情况的出现是有一定机理可循的。主要是由于填筑环节土体重量载荷逐渐增加，格栅、地基土之间正压力上升，此时车辆等载荷作用给格栅材料施加水平方向的外力，格栅轻微挪移产生抗滑摩擦力，其表面纹路还能起到提升摩擦系数的作用，此时水平变形压力越大，产生的连接能力也就越强，能够较好地避免纵向裂纹的出现。而模型试验中发现，路基高度1/3 处对于水平拉力的反应最为敏感，钢塑土工格栅可以在外力作用下产生水平变形现象，因此设置于此处是最为恰当的。

3.3 土工格栅布设长度分析

综合前述试验结果后，将模型填筑高度设置为4m，钢塑土工格栅布设层数设置为一层，进一步研究格栅间距、展布长度对加固质量的影响，分别选取4m、4.5m、5m、5.5m、6m、6.5m 以及7m 的设置参数，与路基的锚固长度均设置为2m，分析后发现伴随长度的增加，差异沉降数值呈现下降趋势，分别为1.5827cm、1.5814cm、1.5792cm、1.5783cm、1.5769cm、1.5748cm 和1.5731cm，整体的变化情况比较缓和，说明其对加固工程的改善和影响并不明显。拉拔试验中还发现，材料受力分布具有一定的内在规律，通常在结合部两侧达到最大值，向外延伸时逐渐衰减，拼接布4m 以内范围内，这种衰减是极为迅速和明显的，直到6m 左右的位置，拉拔力量分布逐渐减弱，整体数值已经不足以对稳固度造成影响，因此选择6m 作为展布长度。此外，钢塑土工格栅加固拓宽路基工程中，还应结合现场地质条件、实际情况等进行综合分析，以分析结果为依据把控加固细节，防止风险产生。案例工程中公路土质较为特殊，其结构中路床变形模量可以达到50.6MPa，上、下路堤变形模量分别为26.7MPa 以及14.2MPa，车辆等外力作用于路面时，更倾向于弹性变形，因此在模型底部施加位移边界条件并观测水平应力情况，结果发现，模型经过拓宽改造之后，旧有路基边坡坡脚、新路基结合处受到了极为明显的拉应力，当这种拉应力持续作用，并超过可承载上限值后，路基将会面临被拉裂的风险，且拉裂纹一旦出现，公路运行过程中产生的拉应力将会集中至该薄弱处，形成更加严重的裂纹，最终表现为路面开裂病害。基于此，实践中还应重点关注此处的加固工作，额外布设一层钢塑土工格栅进行防护。

4 钢塑土工格栅加固拓宽路基施工优化

4.1 施工准备及测量放样

路基拓宽加固工程施工扰动较大，对地质条件、环境温度等均有着较高要求，正式施工之前应当展开细致的调查，充分掌握沿线地形、水文等情况，确定路基土成分、性质等，若拓宽部分路基土质稳定性较差，为软土或淤泥等性质，则需要全面开挖并换土填筑，案例工程中使用了中粗砂材质进行换土，厚度设定为0.2～0.3cm，铺设完毕后借助压路机械压平整，压实度达到95%以上，注意避开高温期、雨季等时间段。建立起完善的材料复核、验收机制，用于加固钢塑土工格栅应当符合工程强度指标，对于同厂家、批次的格栅材料，以10000m2为标准进行组别划分，结合需求确定每组抽检数量，除出厂合格证外，还应对各项指标参数进行核校。现场还应开展载荷试验，选取3 个以上的试验点组织作业，承压板面积维持在1m2以上。土工格栅进场之后做好防护与存储，避免过长时间的暴晒，防止发生性能变化[3]。

根据设计图纸开展放样测量工作，路基边坡线划线时，需要适当加宽距离，通常以0.5m 为佳。若现场有旧路拆除需求，则要提前探明地下管线分布情况，结构层拆下之后装车运送至指定地点，严禁在钢塑土工格栅施工现场堆放。施工范围内杂物提前清理干净，使用水泵等工具抽排地面积水，同时设置排水沟降低地下水位[4]。

4.2 钢塑土工格栅铺设

路基拓宽加固工程中，填挖交界处差异沉降是造成裂缝病害的主要诱因，实践中通过钢塑土木格栅的铺设可以较好缓解，但施工环节容易造成扰动，工艺技术上还是需要多加关注。开挖环节可以采用台阶法，上台阶高度一般为2.5m，坡度向内并且不超过4%。格栅铺设之前细致检查土层表面情况，如果平整度不够或存在坚硬杂物，则必须进行处理，为防止路堤填料损伤钢塑土工格栅，还应当规定一定范围内不准使用大粒径填料，缓冲区域通常空出8cm 即可，防止格栅被刺破，影响整体施工成效。下承层表面还应尽可能保持干燥，提前设置明渠等排水设施，坚决禁止在泥泞、翻浆的路基表面开展作业，当施工环境温度较低时，钢塑土工格栅可能会发生性能上的改变，表层硬度可能有所提升，施工时要多加注意防止割伤[5]。

4.3 填土及压实施工

钢塑土工格栅铺设完毕之后，要及时开展填筑压实工作，开始时间不能超过48h，推荐采用分层施工方法，一般情况下每层松铺厚度不能超过30cm，逐层压实、逐层检测，通过反复碾压和高频次监控确保施工质量，通常来讲每100m2的施工范围内，至少应当选取1 个点检测压实度，确认压实系数满足要求后方可开展下层施工。注意结合基层土质情况等选择适宜的碾压方式，一般情况下禁止使用羊角压实机械，因为该种机械表面分布有较多的羊角状突出物，很容易损伤钢塑土木格栅，必要时可以选用人力机械相结合的方式提升作业效果，通过碾压试验等确认最佳碾压次数、碾压速度等，试验路段另行开辟，通常长度控制在200m 左右，对收集回的数据进行审慎分析，最大限度保障压实质量。案例工程中采用多种机械结合的方式开展施工，初压环节采用双钢轮压路机，装设光碾对不平整部位进行碾压，复压环节使用机动性较好的胶轮压路机，多次碾压提升路基整体的均匀密实程度，最后用钢轮终压，整个过程中行进速度保持在合理区间内，检测压实度能够满足需求[6]。

5 结语

综上所述，钢塑土工格栅综合性能优良，常被用于路基加固拓宽工程之中，实践时要正视其内在价值，通过细致入微的分析确定最佳布设层数、位置等，协调好格栅长度及间距细节，最大限度促进设计方案的优化。施工过程中则要把控好测量放样误差，对选定的钢塑土工格栅强度指标进行审慎分析，确定其破断拉力等能够满足工程需求，同时做好填土压实、过渡段处理工作，为路基加固拓宽工程质量的提升奠定稳固基础。