填挖交界路基稳定性控制技术研究

2022-10-01郎志军黄林超郜现磊李国琛

工程与建设 2022年4期

关键词：抗滑桩格栅土工

郭鹏，郎志军，黄林超，郜现磊，李国琛

(中国建筑第七工程局有限公司，河南郑州 450004)

1 土工格栅加筋法

土工格栅加筋法是通过摩擦和锁定来提高路堤土的性能，它是土工材料在岩土工程中应用最为普遍的方法之一，也算是路堤加固中行之有效的方法之一。

图1 土工格栅现场铺设图

目前，常用的土工格栅有整体成型土工格栅、焊接成型土工格栅、钢塑成型土工格栅三种。

1.1 整体成型土工格栅

整体成型土工格栅主要包括单向土工格栅、双向土工格栅，如图2所示。后者是各种各样的高分子聚合物经过一系列

图2 整体成型土工格栅

的挤压变形、成板后冲孔、拉伸等各项操作之后制成，该材料具有非常大的拉伸强度，在实体中也能够起到分担力的作用，比较适用于大面积永久性承载的地基。

1.2 焊接成型土工格栅

焊接成型土工格栅主要是由具有高强抗拉特性的聚乙烯制成的塑料条带，然后经过纵横交错焊接而成，如图3所示。

图3 焊接成型土工格栅

1.3 钢塑成型土工格栅

钢塑成型土工格栅主要由钢丝和塑料合成之后，再复合成钢塑带，再采用焊接的方式制成，如图4所示。

图4 钢塑成型土工格栅

2 土工格栅加筋机制

为了克服天然土体抗拉强度不足的缺点，把土工合成材料加入到土体之中，会起到良好的加固土体作用，这项技术就是加筋土技术。大量研究表明，在土体中按照一定方向铺设具有较高拉伸模量和抗拉强度的土工合成材料，可以快速增强整体土体的稳定性、加强土体的强度、减小土体的不均匀沉降，可以限制土体进行水平位移。土工格栅在高填方路堤中的基本作用主要包括隔离、加筋、防护三个方面。隔离作用表现为铺设土工格栅可将高填方路堤中的不同材料，或者是不同粒径的填料快速隔离开；加筋作用则表现为可改善土体的整体受力条件，进一步增强路堤的整体强度与稳定性；防护作用主要表现在传递应力，它能起到良好的防护作用，以避免发生破坏。它具有较大的抗拉强度、耐酸碱性较强、抗老化效果显著，这样的话能够延长土工格栅在土体内部的使用寿命。综上所述，土工格栅能够对土体产生一定的约束作用，从而减小土体发生滑移的情况，削弱应力集中的现象，进一步加强土体整体的抗拉能力，降低了路堤发生拉裂的概率。

3 土工格栅在填挖交界处的应用

3.1 台阶开挖方式对土工格栅铺设的影响

在填挖交界处需要开挖台阶，为了确保填方与挖方有不错的咬合力，挖方端格栅铺设长度要大于2 m，一般来说，包含以下几种情况：

(1) 当出现原地面坡度大于1∶2之时，如果要以台阶宽度2 m作为控制基准，台阶高度肯定要高于1 m，土工格栅铺设间距也会随之增大，甚至会导致出现裂缝局面，或者塌陷，一般需要立即采用强夯的方式处理；若以台阶高度1 m的话，宽度必将在2 m之下，可能会发生滑移，这将使路堤的稳定性发生变化，所以一定要快速改善锚固方案。如图5、图6所示。

图5 土工格栅锚固俯视图

(2) 当原地面坡度等于1∶2之时，可以将台阶设置宽度为2 m，高1 m，纵向坡度为4%比较合适，这样既满足2 m的锚固要求，土工格栅铺设控制在1 m间距，此种情况下土工格栅的作用可以得以展现。

(3) 当原地面坡度小于1∶2之时。台阶将无法开挖成标准的形式，结合一下实际的具体情况，可以将台阶宽2 m作为控制指标，再确定好原地面坡度，并设置出适宜的台阶高度，一般情况下，可以选择多个台阶铺设一层土工格栅的布置方式，如图7所示。

3.2 土工格栅在填挖交界处不同铺设方案的有限元分析

由于填挖交界处特别容易出现各种各样的常见问题，因此，需要尽快采取台阶法与土工格栅铺设相结合的方式，在工程之中应用地非常普遍。大多铺设方式为等间距铺设，对于不同的填挖交界路基，所采取的土工格栅加筋效果也不尽相同，因此，在具体填挖交界工程中土工格栅的铺设方案的研究非常有价值。

云南华丽高速公路段处自然边坡坡度为1∶1.5，台阶宽度为5 m，挖方段铺设长度为5 m，填方段采用全长铺设方式等，可以依据具体的参数与模拟数据分析，并详细记录不同的铺设方案对路堤稳定性所产生的具体影响。

3.2.1 不同铺设层数的加筋效果

采用1 m间距，通过模拟数据，如图8所示，可以清晰地看到铺设第一层土工格栅时，安全系数围绕在1.30，而最初路安全系数是1.24，这能够充分说明土工格栅在填挖交界处的使用效果是非常显著的。

图8 不同铺设层数对路堤稳定性影响

由图8可知，不同强度的土木格栅对路堤整体的稳定性影响是有所不同的。当竖向铺设间距保持不变之时，铺设层数与路堤的安全系数成正比；当土工格栅铺设超过6层时，路堤安全系数趋于平稳。总之，建议在1 m铺设间距条件下铺设6层土工格栅。

3.2.2 不同铺设间距的加筋效果

不同的格栅铺设间距所发挥的加筋作用往往效果不一样，需要对原模型进行土工格栅不同铺设间距下的有关模拟分析。将路基顶部到H/2路基的位置之处作为铺设范围，铺设间距以0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，3 m，对填挖交界路堤进行有关模拟分析得知，格栅抗拉强度变化对路堤安全系数影响不算大，然而铺设密度却对其有着非常大的影响，如图9所示。当格栅竖向间距超过之3 m时，路堤的安全系数不能够满足稳定安全性，因此，应该控制格栅的竖向间距在3 m范围以内，间距在1 m之内时，加筋效果比较明显。

图9 铺设密度与安全系数关系

综上考虑，土工格栅铺设竖向间距最好在1 m以内，以减小填挖交界路堤失稳的概率，本次采用格栅铺设竖向间距0.5 m的施工方案，加筋效果显著。

4 加筋对路堤压实度的分析

通过击实试验发现铺设土工格栅可以增加土体的压实度与抗压强度。在相同击实能量下，未加筋土体的压实度为82.6%时，加筋的土体的压实度为88.7%。推广到实际项目工程之中，在路堤中铺设土工格栅可以通过格栅的水平传递作用，将压实能量传递开来，在较大范围之内能够快速转化为土体的内能。

当加筋土体在受到法向应力作用时，格栅会产生弯曲后变形的情况，并且会有垂直向下运动的趋势，但两侧的格栅由于与土体之间产生摩擦，会限制其向下的运动。准确地说，土工格栅与土体相互的摩擦力的垂直分力有利于土体的压实，水平分力会指向击实点，这样会有利于约束土体的侧向位移。通过对加筋土体的不断进行压实，应力应该会逐渐扩散，慢慢地使边缘土体也会得到有效的压实，同时随着边缘土层也有向中心运动的趋势，这在一定程度上提高了路堤的压实度，从而增强了路堤的整体稳定性。

5 强夯法作用原理及相关应用

在填筑交界之处大多数为高陡路堤，而高陡路堤施工完工后容易发生沉降的概率较大，因此，对其压实度要求较高，一般情况下，可以采用强夯处理填挖交界的路堤，可快速提高路堤的稳定性。强夯法处理方法由法国工程师梅纳德于1969年提出，因其施工简便、施工效果显著，已在我国广泛采用。

5.1 强夯机制

强夯法处理是将一定高度自由落体的重锤动能转换为夯击能，使土体性能发生变化，还能使土体内部更加紧密，进一步加强密实度。具体而言，强夯处理法利用动能转换的夯击能在振密作用的情况下，将土体液化后，通过固结排水改变土体内部的渗透性，最终形成薄膜水，从而达到加固目的。强夯法可使夯击能在短时间内以体波和面波的形式快速进入土中，体波对堤防加固起到主要作用，体波由夯击点沿半球形波沿路堤向下传播，对路基土产生压缩和剪切作用，使土体产生压密固结。强夯处理法对不同类型土壤的作用可以分为动力加固作用与动力夯实作用。前者主要针对黏性土，一般通过使土体液化后固结，以减少土体内的孔隙最终达到加固的目的。

5.2 强夯施工参数的确定

强夯法加固效果主要与夯击能、夯击次数、夯击点距离、单层夯实厚度及夯锤面积等参数息息相关。一般对于强夯处理路基不均匀沉降，土体孔隙很大，大部分与大气相通，夯土的孔隙比较大，对于强夯用于处理路基不均匀沉降，通常可以忽略。

5.2.1 单点夯击能量

研究结果表明，填筑材料可以经受得住较大的冲击荷载，并且高能级强夯的影响深度和作用范围远高于低能级强夯。在选择单点夯能时，要考虑加固填方高度、结构安全等因素，既要避免能量浪费，又要保障下方结构的安全。一般采用三脚架和门式起重机施工之时，落距可以达到25～40 m，而选择用履带式吊机施工之时，一般情况下，落距在8～25 m。因此，在有效加固深度大于10 m之时，应该选择大于18 t的锤重，反之锤重宜选10～18 t。根据设计加固深度6 m的要求，该试验段选择了14.5 t,13.8 m，夯击能量为2 000 kN·m，加固效果良好。

5.2.2 夯击次数

一般夯土次数通常以夯坑压缩量最大和夯坑周围隆起最小为确定原则。当前，采用现场试夯的夯击次数与夯沉量的关系曲线来确定，根据以上试验得知，最适宜单点夯击次数为6～7次，此时夯沉量已经趋于稳定状态，一般以连续夯沉量与夯沉量的关系曲线确定。

5.2.3 夯击点距离

在夯击点间距较远的情况下，不能确保每个夯击点间的土体得到有效加固，而当夯击点间距较近之时，后续强夯往往会降低前期夯击效果。因此，通常选择夯点布置在4～10 m。

5.2.4 单层夯实厚度

单层夯土厚度的重要依据是有效加固深度。通常选择强夯有效加固深度作为单层夯击厚度的选取标准。

6 抗滑桩支挡技术研究

6.1 防滑桩类型

6.1.1 半埋式和全埋式抗滑桩

为了确保填挖交界堤防的稳定性，按桩在边坡中的埋设实际情况，抗滑桩可分为半埋式和全埋式两种方式。前一种方式是指埋入土中的抗滑桩部分有一半桩长深，此法具有减小挖深的优点，开挖深度不深，从而对不良地质的影响很小，操作成本低；缺点是提供抗滑力不足。后一种方式是指将抗滑桩全部埋入土体内部，一般可根据桩长确定挖孔深度，并考虑经济因素。

6.1.2 钢桩和钢筋混凝土桩

根据抗滑桩材料组成各不相同，抗滑桩主要包括钢桩和钢筋混凝土桩。钢桩的施工费用比较高，并不适用于大范围的施工，而钢筋混凝土桩具有不错的抗滑性，相对而言，算是比较经济适用的。

6.1.3 圆桩和矩形桩

依据桩体截面形式的不同，抗滑桩可分为圆桩和矩形桩。由于矩形桩的整体性能较好，通常情况下会采用此种形式的抗滑桩。

6.2 抗滑桩受力特性及机制分析

抗滑桩由于施工简单、操作周期短、适应性较强、抗滑能力强，在边坡支挡工程中得到最为广泛的应用。桩间土拱为摩擦受力，而桩前土拱则是桩身上部的滑动动力，一般情况下桩前土拱为桩身上部的滑动荷载。在桩间净距和桩截面尺寸一定的情况之下，桩后土拱承载与桩身黏聚力呈反比关系，对基本参数而言，桩间土拱承载比例与桩身黏聚力正比。