基于土工格室的山区公路路基改扩建变形控制分析

2023-11-17于少博

交通科技与管理 2023年21期

于少博

（中国交通建设股份有限公司总承包经营分公司,北京 100088）

0 引言

山区公路由于受地形、地质条件及投资等因素的影响在建设初期常采用较低的设计指标，但随着交通量的逐年增大，原有设计标准已不能满足发展要求，需对公路进行改扩建处理。目前，国内众多学者对公路改扩建及控制技术进行了大量研究。黄良杰等[1]以实际工程为背景，采用数值模拟分析了公路改扩建对路基稳定性的影响；邓少梅[2]等通过数值模拟对高速公路拓宽工程的变形特点进行了研究；周游[3]通过现场试验和沉降监测验证了高速液压夯实机补强技术及土工格室应用技术在公路改扩建工程新老路基拼接中的可行性及有效性；薛洋[4]采用有限元软件分析了土工格室的加固效果及其设计参数对拓宽路基变形的影响规律；王家全等[5]针对山区高填方新旧路基不均匀沉降问题，根据数值分析和现场实际情况提出土工格室的处理方案并重点分析了施工控制方法及施工效果。土工格室对于改扩建公路拓宽路基沉降和变形具有很好的控制效果，但对控制变形特征还待进一步深入研究。基于此，该文以四川某山区高速公路改扩建工程为背景，采用有限元软件对新旧路基的沉降及变形规律进行数值分析，并与现场监测数据进行对比，分析了土工格室对拓宽路基变形稳定性的影响，以期为相关工程提供参考。

1 工程概况

依托工程为四川某山区高速公路旧路基改造工程，位于四川盆地北部，处于山地与盆地的接触地带，地形以中低山、丘陵为主，河谷堆积地貌，岩性主要为砂泥岩。原道路为双向两车道二级公路，扩建为双向四车道一级公路，设计车速为60 km/h。路基宽度由原设计值11 m增至26 m，考虑实际施工的难易程度，该路基采用旧路基单侧加宽方式，左侧为扩建部分，新路基宽约15 m，旧路基宽约11 m。路基高度有3 m 增至4 m，边坡比保持1 ∶1.5 不变。拓宽公路新旧路基交界处采用铺设土工格室进行加固，共铺设4 层。

土工格室的施工主要包括铺设前准备、铺设及挂网、填筑、平整碾压和检查验收五个步骤[6]。具体施工方案如下：

（1）铺设前准备：在施工开始前，对施工现场进行勘察和测量，确定土工格室的尺寸、形状以及布置，并随机抽取样品测定其强度指标使其满足规范要求。同时，基于设计要求选择合适的土壤材料和填充物，并对其进行必要的处理和筛选。此外，确定施工所需的设备、工具和人力资源，制定施工计划和安全措施，以确保施工顺利进行。

（2）铺设及挂网：将预处理的土壤材料逐层铺设并压实，以形成土工格室的主体结构。在铺设的过程中，要注意控制土层的厚度和均匀性，以确保土工格室的稳定性和性能。此外，在适当的位置悬挂增强材料，如土工布或钢丝网，以加强土工格室的抗拉强度和稳定性。

（3）填筑：将预处理的土壤材料逐层填充到土工格室内部，使其与周围土壤紧密结合。填筑过程中需要控制土层的厚度、密实度和均匀性，以确保土工格室的整体稳定性和性能。

（4）平整及碾压：填筑完成后，进行平整和碾压工作，以进一步提高土工格室的密实度和稳定性。通过使用合适的振动或压实设备，对填筑土进行适当的压实处理，确保土层紧密结合，并达到设计要求的密实度和承载力。

（5）检查验收：施工完成后，对土工格室的尺寸、形状、厚度、密实度等关键参数进行检测，以验证施工是否符合设计要求。同时，还需要检查土工格室与周围土壤的连接情况，确保其在整体工程结构中的协调性和稳定性。如果发现任何问题，应及时采取纠正措施，以确保土工格室达到预期的功能和性能。

土工格室的加固机理如下[7]：

首先，土工格室的立体结构本身能够有效地分散并承担路基上的荷载，将荷载传递到更广泛的土体范围内，从而减轻局部土体的承载压力，降低路基的沉降和变形风险。

其次，土工格室内部的填充材料与周围土体相互交织，形成一个整体结构，通过摩擦和内聚力的作用，有效地增加土体的抗剪强度。这种内部填充材料与土工格室的相互作用，使得路基整体在承受荷载时能够更加均匀地分布荷载，降低局部应力集中，从而提高了路基的稳定性和耐久性。

最后，通过格室相互之间的反作用力，抵消了因荷载产生的横向位移，将土工格室设置在地基表面，可有效抑制土体的侧向隆起，控制土体的剪切滑移，大大提高了地基的稳定性。

2 数值模拟

2.1 基本假定

为更好地模拟路基的实际变形情况及保证计算结果的准确性，在进行建模分析之前做出如下假定：①假定路堤足够长，按平面应变问题进行处理；②土体采用摩尔—库伦模型进行模拟；③新旧路基接触面不产生滑移，且为完全连续接触面；④路基和地基土均视为各向同性的均质弹性材料；⑤地基土自重应力作为初始应力；⑥采用逐级加载来模拟路基加宽过程；⑦土工格室与内部填料视为一个整体，均视为线弹性结构层，计算时用复合模量来表示土工格室与内部填料的相互作用特性。室内试验结果表明[8]，复合模量的大小与其中的填料有很大关系。粘性土模量的提高在1.5 倍左右，而砂粒的模量提高在2～3 倍，该文计算土工格室复合模量取填料模量的2 倍。

2.2 模型尺寸及计算参数

采用有限元软件Midas 建立拓宽路基数值模型，模型中路基土采用平面应变单元模拟，地基土采用流固耦合单元模拟，路堤设计宽度26 m，旧路基宽度约11 m，高度为3 m，左侧新路基宽度约15 m，高度为4 m，地基土长60 m，宽30 m，地基底面施加三个方向的完全约束，共计885 个单元和981 个节点。

模型中涉及的土层物理力学参数及土工格室的结构参数均参考地勘报告并结合设计资料进行确定。土工格室的计算参数采用复合模量进行计算。土层物理力学参数如表1 所示。

表1 土层物理力学参数

3 数值计算结果分析

3.1 固结沉降分析

为验证土工格室对拓宽路基沉降的控制效果，选取土工格室铺设完成后路基的竖向位移进行数值分析，如图1 所示。可以看出，新旧路堤顶面的差异沉降并不大，路堤底面最大沉降出现在新填路基一侧，靠近新旧路基交接部位，这是因为施工完成后新路堤固结沉降量较大，而旧路基固结沉降量较小。老路基沉降也受到新拓宽路基的影响，出现左右不对称分布。

图1 施工完成后路基竖向位移

铺设完成后路面沉降量总体较小，最大值位于新拓宽路基一侧，最大沉降量为0.39 cm，通车后随着列车的动力荷载，路面发生二次固结沉降，沉降最大值为1.09 cm，旧路基在上覆新路基及列车动荷载的作用下也会发生再次沉降，不过总体而言新旧路基沉降量变化比较平缓，且新旧路基结合部位并没有出现过大的差异沉降，路基保持在安全稳定范围内。

通车后在列车动荷载作用下，由于新老路基在填料性质、固结度、变形稳定性等方面的差异，在路堤底面产生差异沉降，新添路基一侧发生较大沉降，最大沉降量为1.38 cm，旧路基由于前期固结已经完成，路基底面沉降较小。

综上所述，土工格室的加筋作用对于提高新旧路基结合部位的承载能力，降低新旧路基表面的不均匀沉降能起到很好的防护作用。

3.2 水平位移分析

路基的改扩建过程，道路结构的水平位移较为明显，对结构的稳定性影响不容忽视。分析施工后路堤顶面的水平位移可知，路基填筑完成后路堤顶面的水平位移变化量很小，最大水平位移仅有0.66 cm，且变形较为平缓，相比于未加固前的0.91 cm 减小了27%，说明铺设土工格室对于减小新旧路基的水平变形具有很好的控制效果。通车后在列车动荷载作用下，路基变形增大，最大值为0.19 cm，位于新拓宽路基一侧，控制在容许变形范围之内。综上，土工格室可以有效改善路基的水平变形，增强路基的安全稳定性。

3.3 土工格室参数优化

为探究土工格室对拓宽路基加固效果的影响，优化土工格室设计参数，分别选取不同铺设宽度及不同铺设高度土工格室后拓宽路基的沉降变化规律进行分析。当铺设层数为1 层、2 层、3 层、4 层时路基的最大水平位移分别减小了5.1%、5.1%、5.1%、5.1%，最大沉降量分别减小了4.1%、8.7%、11.3%、12.3%，其中，铺设3 层和4 层时路基顶面的加固效果变化较小，因此在考虑经济性的情况下选择铺设3 层土工格室为最佳方案。当铺设长度为6 m、8 m、10 m、12 m 时路基的最大沉降量分别减小了5.6%、9.8%、12.1%、13.7%。可以看出，铺设长度超过10m后路基水平位移及沉降量的减幅逐渐减小，综合经济性考虑，铺设长度选择10 m 最优。

综上分析可以看出，随着土工格室铺设层数及铺设长度的增加，路基顶面的沉降量逐渐减小，说明增加铺设层数及铺设长度可有效降低新旧路基的变形和不均匀沉降。在综合考虑经济性的情况下，土工格室铺设层数和长度选择3 层和10 m 为最优施工方案。

4 现场监测

4.1 测点布置

根据数值模拟的计算规律分析，为验证土工格室对拓宽路基沉降的控制效果，扩建路基施工现场采用在新旧路基交界处铺设土工格室降低路基沉降，在新旧路基里埋设沉降测试元件，同时，在新路基路边线布置沉降监测点，对路基竖向变形进行监测，共设置2 个测试断面，每个测试断面共设置5 个测点，共计10 个测点。每个测试断面上，老路基设置1 个测点，其余四个分布在新路基上。

4.2 监测结果分析

扩建路基施工完成后，为研究路基的沉降变形情况，选取1#、2#、3#、4#、5#五个测点的监测数据，得到路基各个位置的沉降变化曲线如图2 所示。施工完成后在外界荷载作用下，路基顶面发生固结沉降，随着时间的增加路堤顶面沉降量逐渐增大。可以看出，工后路基的累计沉降量总体较小，最大沉降量为0.89 cm，发生在新填路基外侧，新旧路堤的不均匀沉降亦较小，最大差异值为0.56 cm，且实测数据与数值模拟结果规律一致、相差较小，说明铺设土工格室能够有效提高路基的承载能力，降低新老路基的不均匀沉降。