土工格栅加固综合管廊周边填土的性状分析

田新润,刘金龙,,祝 磊,肖 赟

(1.安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001；2.合肥学院 城市建设与交通学院,安徽 合肥 230022)

1 问题的提出

随着国家现代化水平的不断增加，基础建设水平、规模以及所涉及到的领域得到了迅速的发展，在大力发展公路改扩建工程[1]的背景下，土工加筋技术作为一种土体加固方式日益得到完善。土工合成材料埋设在土体中形成的加筋土，可通过扩散土体应力、增加土体模量、传递拉应力等限制土体位移，提高陡坡的整体稳定性。

土工格栅是一种以聚乙烯、聚丙烯等高分子为基础材料[2]而生产出来的柔性弹性材料。它因抗拉能力强、受拉状态下蠕变小、耐腐蚀、使用寿命长、成本低以及施工方便快捷等优秀性能而被广泛运用于公路、铁路、桥台、码头、水坝等工程领域。目前，社会上对加筋技术的相关研究主要集中在土体变形分析、稳定性分析、抗震性能等方面。

在道路改扩建工程中，国内已在有关土工格栅加固路基方面上取得较多的成果[3，4]。土体埋设土工合成材料，加筋材料及加筋方式的变化都会对土体的变形和整体稳定性产生一定的影响。王伟等[5]通过增大土工格栅的弹性模量得出，提高筋材模量对昔格达填土地基表面的水平位移有着较大的影响，能够有效地约束土体的变形。邓超等[6]研究高架桥下基础承台伸入路基上部土体边，通过铺设不同层数的土工格栅发现，随着土工格栅层数的增加，产生的上部路面沉降的作用更加明显。孙勇[7]运用有限元软件模拟土工格栅加固软土路基拓宽工程，结果表明，随着土工格栅的增加，使得路基的竖向、水平变形得到约束。方诗圣等[8]针对含地下管道对路面破坏影响，有限元模拟得出，布置土工格栅在一定程度上可减少弯沉，随着土工格栅层数的增加，效果不是相应的加倍。丁龙亭等[9]研究土工格栅处治涵洞路基差异沉降技术得出改进土工格栅铺设在一定程度上降低路基顶面的不均匀沉降，平缓路基差异沉降曲线。

本文以某道路扩建综合管廊工程为依托，考察埋设土工格栅对管廊周围土体变形的影响，为类似工程提供一定的参考。

2 工程概况

某路堤改建工程道路左侧临近高边坡，边坡高11 m,坡率为1∶1，右侧地面与道路标高一致。由于道路建设久远，现有功能不能满足城市化需求，随着城市的发展进步，需要在道路下方安设综合管廊用于铺设各种管道线路。改建方式主要对左侧边坡段进行开挖、管廊铺设及回填。

具体施工方法为：对土体开挖右侧采取阶梯式开挖，开挖完成后进行管廊的施工，完成后由下而上采用粘性土回填土进行逐层回填，加固方式采用铺设土工格栅的形式，每铺设一层，需要对回填土进行夯实后方可进行下一步的工序。

路段开挖深度H为7.0 m，地表开挖宽度为21.31 m。综合管廊为预制构件，标准段管廊尺寸为8.0 m×4.0 m，两侧外墙厚度为0.35 m，内墙厚度0.25 m，左右两舱室净高为3.3 m，地板和顶板厚度均为0.35 m。在综合管廊正下方铺设100 mm素混凝土保护层。以该工程为依托建立有限元模型，进行土工格栅对综合管廊周边填土的影响进行优化分析。工程路段剖面示意图1所示。图中n为管廊左侧土工格栅埋设层数，S为埋设间距。

图1 工程路段施工后剖面示意

根据地质勘察资料，场地岩土层从上到下依次为原路基土、可塑黏土、硬塑黏土，下伏基岩为白垩系全分化、强分化和中分化砂岩。砂土状全分化～强分化砂岩分化强烈，岩体较破碎，遇水水易软化，使得岩体强度降低。开挖段位于原路基土和可塑黏土中。

3 模型建立

3.1 数值计算模型

采用大型有限元软件Plaxis 建立路堤扩建综合管廊、土工格栅加固土体的二维数值模型，进行土体-土工格栅-综合管廊耦合作用的分析。为消除模型边界的影响，特选取计算模型高度为25 m，宽度为54 m。在模型底部采取固定约束，模型左侧竖直段和右侧采取水平约束，地表、边坡和堤脚水平处不设约束。

图2 有限元网格划分

表1 HSS本构模型物理力学参数

工程中安装的预制混凝土结构综合管廊用板单元模拟，其混凝土强度为C30，重度25 kN/m3,弹性模量设置为3×104MPa，泊松比v=0.20；土工合成材料用Plaxis软件中自带的土工格栅单元模拟。

针对土工格栅的有限元分析模型主要有三种模拟方法[11]：①把土工格栅和土体看成两个部分，土工格栅与土体之间设置界面单元，通过它们之间的力学性能起到土体加固作用；②把土体及土工格栅看成整体进行分析；③把土工格栅看成外部荷载施加在土体上。此计算模型采用在土体与土工格栅之间设置界面单元进行分析。在plaxis中单元间的应力传递主要取决于用参数Rinter表示的界面强度[12]，它反映了单元间相互作用的强度。单向土工格栅的多孔特性，能有效地与土体相互作用，产生较大的摩擦，形成刚性较大的回填层，故此取Rinter=1。

3.2 计算工况

按照具体施工过程，对模型进行的简化计算工况如下：

(1)初始阶段。初始由于土层不是整体平面，所以用“重力加载”的方式进行初始地应力平衡。

(2)开挖阶段。对开挖区进行逐层开挖。

(3)垫层激活。综合管廊预安设位置下方铺设100 mm素混凝土垫层,并位移清零。

(4)管廊激活。在素混凝土垫层上方安设综合管廊。

(5)回填。回填的过程中遵守逐层回填原则每层摊铺厚度为200 mm,每摊填一层后进行压实，根据要求[13]管廊回填土压实度为97%，压实结束后再进行摊填，直至回填到原地表。

4 加筋效果分析

4.1 土工格栅间距S对土体的影响

控制加筋层数n=6及初始轴向刚度EA=1000 kN/m不变的情况下，对不设土工格栅以及加筋间距0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.2 m进行对比分析。研究筋材间距的布设变化对该工程的边坡段和回填段的影响如图3和图4所示。其中边坡段首层土工格栅布设于开挖底层0.2 m处，回填交界处土工格栅布设于管廊上方0.2 m处。

图3 管廊左侧地表竖向沉降分布

图4 A-A竖向断面处土体水平位移分布

图5 无加筋竖向沉降等值线分布(单位：mm)

图6 加筋竖向沉降等值线分布(单位：mm)

从图3和图4可见，管廊左侧土体随着土工格栅埋设间距的递减，最大竖向沉降和水平位移分别从190.12 mm、52.01 mm减少到136.95 mm、26.21 mm,下降幅度分别为27.96%和49.61%。数据对比分析可得，缩小间距使得土工格栅对周围土体的约束作用得到了明显的加强，减小了土体的变形。

图7 无加筋水平位移等值线分布(单位：mm)

图8 加筋水平位移等值线分布(单位：mm)

随着不埋设土工格栅到埋设间距1.2 m的变化过程中，管廊左侧土体水平与竖向沉降曲线图俱变成“勺”形，曲线坡度随距管廊中心位置愈来愈缓。

图5～8为加筋与不加筋土体变形的等值线图，从图中直观的发现，土工格栅的埋设能通过改变土体变形的发展趋势，减小回填土变形。

综上所述，土工格栅铺设的间距不是越小就会越安全。加筋过密会造成“超筋土”现象，产生的效果远没有“适筋土”效果好。充分发挥土工格栅抗拉强度的优点的同时，选用合理的铺设层数是土工格栅研究的重点。

4.2 土工格栅刚度EA对土体的影响

设置土工格栅S=1.0 m、n=6不变，以EA=1000 kN/m为初始轴向刚度，对土工格栅轴向刚度1200 kN/m、800 kN/m、600 kN/m进行对比分析，研究单向土工格栅轴向刚度改变对综合管廊周边土体变形的影响。

由图9和图10可见，管廊左侧土体最大竖向沉降从154.52 mm减少到136.46 mm，减少幅度为11.69%；最大侧向位移从39.64 mm减少到34.82 mm，减少幅度为12.16%。随着土工格栅轴向刚度的增加，可明显的减少边坡处土体的竖向沉降及侧向位移。通过对比-3～-4 m范围内土工格栅变形情况，可见土工格栅轴向刚度的变化对其搭接处的约束作用可忽略不计。

图9 顶层土工格栅竖向沉降分布

图10 顶层土工格栅水平位移分布

综上所述，改变土工格栅模量，在宏观上对竖向沉降起到的效果最为明显，但是在减少幅度方面发现，改变土工格栅的模量对水平位移起到的作用优于竖向沉降。与郭铭培等[15]通过增大土工格栅模量，减少加筋路堤水平位移，提高路堤整体稳定性的结论基本一致。

4.3 土工格栅层数n对土体的影响

加筋设计时要考虑到土工格栅铺设数量的合理性。加筋数量的增加或许可以在一定程度上可以增大土层综合性能，可过于密集的布设，会导致部分土工格栅发挥的锚固能力较小，造成较大的资源浪费，即增加了施工的工序，延长了工期，又增大工程造价。为了探索加筋层数对该回填工程的影响，在加筋间距S=1.0 m、单向土工格栅轴向刚度EA=1000 kN/m为初始模量的前提下，对土工格栅铺设数量n进行分析。

由图11和图12可知，在加筋层数递增的过程中，管廊左侧土体距离随着距离管廊中心位置距离的增加，各点土体变形明显减少。土体水平位移曲线呈“鼓”状发展，随着继续增加土工格栅层数，水平位移减小的幅度剧降低。

图11 管廊左侧地表竖向沉降分布

图12 A-A竖向断面处土体水平位移分布

综上所述，超过一定的加筋数量会使得加筋效果不再显著。该道路改扩建项目最合适的加筋层数为5层，该铺设方案兼顾了土工格栅的加固能力、施工难度和工程成本。

5 加筋工况对稳定性的影响

图13为未设土工格栅的管廊左侧土体潜在滑动面云图。此时边坡潜在滑移面位置靠近边坡外侧，安全系数为1.03，在边坡工程规范[16]里属于“欠稳定状态”。

图13 无加筋滑移

图14～16为加筋间距、模量和层数对安全性影响的关系图。由图可见，管廊左侧土体安全系数在随着土工格栅的间距、模量和层数的增加而增加，安全系数最高值能够达到1.6，有效地增加了边坡的整体稳定性。

图14 加筋间距对安全系数的影响

由图16可知，土工格栅埋设层数为1、2、3时，安全系数大于1.05，处于基本稳定。层数大于3层后，处于稳定状态，鉴于该道路的重要性及土工格栅最大锚固能力可得，土工格栅埋设5层较为合理。

图16 加筋层数对安全系数的影响

在复杂地质条件下，无法进行分级施工，且对于安全性要求较高的边坡，可以优化土工格栅的模量和层数的来达到整体稳定性的要求。

图15 加筋模量对安全系数的影响

6 结论

(1)土工格栅的埋设能够很好地抑制土体的竖向和水平变形，可埋设间距过密产生的“超筋土”并不能达到理想值。

(2)通过对加筋间距、模量和层数可以得出该道路改扩建工程采用S=0.8 m、n=5和EA=1200 kN/m的加筋工况较为合理，既能充分发挥土工格栅的抗拉力学性能，也能兼顾施工工期和工程预算。

(3)对重要程度不同的边坡工程，可通过增加土工格栅埋设层数有针对性地提高边坡的整体稳定性。

(4)通过对加筋工况对比分析，可知加筋模量对该工程土体变形效果较为显著，而加筋层数对土体的约束效果较弱。