浅探铺设土工格栅技术在软土路基加固处理中的运用

谢虎

（益阳市赫山区公路建设养护中心，湖南 益阳 413000）

在改扩建现有道路时往往会遇到路基结构不稳定、开裂等问题。为了保证道路改扩建工程施工质量，施工安全，避免路基质量问题，国内外学者均针对路基的加固问题进行了广泛而深入的研究。土工格栅铺设技术在路基拓宽加固处治方面应用广泛，经过铺设土工格栅处治的路基结构强度高，稳定性好，且加固效果持续时间长。借助MIDAS/GTS 进行建模分析发现土工格栅加筋层数与路基加固效果有直接关系，主要对位移、稳定系数、应力等参数有直接影响，因此，在铺设土工格栅时需通过试验确定最佳加筋层数。本文对此进行重点研究，为类似的道路改扩建工程施工和研究提供借鉴。

1 工程概况

某高速公路改扩建工程，原有路基顶层表面高8m，宽12m，位于软土路基区域，拟对路基进行加固。由于道路左侧不便开展施工作业，因此选择在道路右侧进行道路拓宽改造施工，拟将现有路基拓宽至20m，加高到9m。该高速公路改扩建施工方案总结如下：

（1）在路基右侧开始自下而上开挖台阶，再用粘性土回填；

（2）通过铺设土工格栅加固路基，加筋层设为5 层，该高速公路工程路段改扩建施工示意图见图1。

图1 工程路段加宽示意

2 有限元软件分析模型建立

2.1 本次研究基于MIDAS/GTS 进行有限元软件，首先建立路基改扩建有限元模型，模型设计高35m，设计宽65m，总计1363 个单元、1858 个节点，路基改扩建有限元模型见图2。

图2 路基改扩建有限元模型示意图

2.2 根据各种材料的物理化学性质特点分别对土工材料、加筋材料展开应力约束建模分析，分析基于以下假设。

2.2.1 土工格栅是均匀分布在四个方向的网格状，视为各向同性线弹性体。

2.2.2 调整后的土体材料为弹塑性。

2.2.3 与其他回填材料相比，岩土材料的强度更高。

2.3 基于该高速公路改扩建工程实践以及有限元分析需要规定边界条件：路基模型顶部为自由界面；通过固定约束分析路基模型底部；进行路基模型左右两侧位移限制。表1 列出了模型中四种土体的关键参数。

表1 路基加宽及加固土体材料物理参数表

3 有限元软件分析结果

在施工规划环节，拟铺设五层土工格栅以确保高速公路改扩建工程中路基结构的稳定性。为有效降低工程施工成本和施工难度，本次研究重点分析计算土工格栅加筋层数，通过调整加筋层数分析其与路基位移、位移、文档系数的关系，基于施工设计要求、施工成本等因素确定最合理的加筋层数。

3.1 土工格栅加筋层数对路基位移的影响

3.1.1 在进行路基工程回填作业过程中可以调整土工格栅加筋层数，设置多个加筋层数，分析各个加筋层数下软土路基位移参数的变化情况，经过计算分析数据绘制出关系曲线，具体见图3。

图3 土工格栅加筋层数与路基位移的变化

3.1.2 根据图3(a)可以发现，路基表面各点的水平位移在加筋层数为0 时最大，水平位移与加筋层数成反比。由此可见，通过加筋层数增加能控制路基的水平位移，从而减少路基结构变形，最终达到加固软土路基的目的。

3.1.3 当土工格栅加筋层数在1-3 之间时，随着层数增加，水平位移显著降低。当层数增加到4 层以上时，水平位移虽会降低，但降低数值很小。事实表明，当土工格栅加筋层数大于3 层时，进一步增加加筋层数已经无法显著降低路基水平位移，也就无法有效控制路基结构变形。

3.1.4 由上图3(b)可以发现，路基顶部表面各点垂直位移在加筋层数为0 时最大。当土工格栅加筋层数在1-3 之间递增时，垂直位移值显著降低，当层数大于4 层时，垂直位移的降低数值很小，路基加固效应不再明显。由此可见，层数在1-3 层之间递增可以起到降低路基垂直应力的作用，从而有效减少路基沉降，提高路基结构的稳定性。

综上所述，综合考虑加固效果、施工难度和造价，土工格栅加固层数最佳为3 层。

3.2 土工格栅加固层数对路基受力的影响

3.2.1 土工格栅加固层数对软土路基水平应力和垂直应力的影响，基于模型计算分析可绘制加筋层数与应力之间的关系曲线，具体见图4。

图4 土工格栅加筋层数与路基应力的变化

3.2.2 根据图4(a)可以发现，路基顶部表面任意一点的水平位移在未加筋状态下均达到最大值。随着加筋层数的增加，路基顶部表面上各点的水平位移值逐渐降低，由此可见，合理增加加筋层，起到加固软土路基的作用，从而有效提高路基结构的稳定性。

3.2.3 当土工格栅加筋层数在1-3 之间时，路基上表面各点的水平应力值随着层数增加明显下降。增加到4层以上时，随着加筋层数的不断增加，水平应力大幅降低。事实证明，继续增加土工格栅的加筋层数能够有效降低路基水平应力，从而提高路基结构稳定性。

3.2.4 根据图4(b)可以发现，软土路基顶部表面任一点的垂直应力在加筋层数为0 时达到最大值。随着层数的增加，路基顶部表面各点的垂直应力值逐渐减小，由此可见，增加土工格栅加筋层数是消除新旧路基沉降对路基结构负面影响的有效途径。

3.2.5 在加筋层数从一层增加到三层的过程中，路基顶部表面各点的垂直位移明显减小，且垂直位移的减小幅度呈下降趋势。当加筋层数增加到四层以上时，软土路基的垂直位移变化趋势明显变小，减小幅度很小，加固效果趋于稳定，由此可见，土工格栅加筋层数为三层时，路基加固效果最佳。

综合考虑软土路基的加固要求、加固处治难度和作业成本，确定土工格栅最佳加筋层数为三层。

3.3 土工格栅加固层数对路基稳定性的影响

3.3.1 土工格栅加固层数的变化也会对软土路基结构的稳定系数产生较大影响。通过模型分析计算可以得出两者的关系曲线，如图5 所示。

图5 土工格栅加固层数变化与路基稳定性

3.3.2 由图5 可知，在加筋层数为0 时，路基的稳定系数最小，且随着土工格栅加筋层数的增加而增大。可以看出，增加土工格栅加筋层数可提高道路路基结构的稳定性。

3.3.3 当加筋层数从一层增加到三层时，路基的稳定系数显著增加，但当加筋层数达到四层以上时，路基稳定系数虽会增加，但增加幅度很小，路基机构稳定性提升不明显。加筋层数三层时对应的路基稳定系数为1.35，符合施工设计要求。综上所述，铺设土工格栅的最佳加筋层数为三层。

4 结论

在改扩建现有道路时经常会面临路基结构不稳定、开裂等问题。为了确保道路改扩建工程施工质量，施工安全，避免路基质量问题，需要采取有效的加固处治措施增强路基结构的稳定性。本次研究基于MIDAS/GTS 进行建模分析，对不同土工格栅加筋层数与路基参数的变化趋势的关系进行分析计算，绘制土工格栅加筋层数与软土路基位移、应力、稳定系数的关系曲线，基于假设。

（1）土工格栅是均匀分布在四个方向的网格状，视为各向同性线弹性体。

（2）调整后的土体材料为弹塑性。

（3）与其他回填材料相比，岩土材料的强度更高。结合关系曲线进行分析得到以下几点结论：

在采用土工格栅加固软土路基的过程中，当土工格栅加筋层在3 层以内时，加筋层数与软土路基位移、位移、应力、稳定系数都出现了显著减少。当土工格栅加筋层数在1-3 层范围内递增时，上述各参数的降低非常明显，当土工格栅加筋层数增加到4 层以上时，上述各参数均有变化，但变化幅度很小。同时，当土工格栅加筋层数1-3 层范围内递增时，路基的稳定系数已经满足施工设计要求。可以看出，当土工格栅加层数达到四层以上时，就算再次增加土工格栅加筋层数也不能起到明显的路基加固作用，因此，采用3 层加筋是土工格栅加固软土地基的最佳层数。