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土工格栅加筋高填方路堤施工沉降探讨

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《兰州工业学院学报》2017年第6期

摘要:结合某道路高填方路堤工程,通过现场试验和数值分析方法,分析了土工格栅加筋高填方路堤的施工沉降变化规律和土工格栅铺设层数对路堤沉降值的影响.分析结果表明:土工格栅可以较好的控制路堤施工沉降,合理情况下,土工格栅铺设层数越多,沉降控制效果越好;加筋土路堤沉降趋于稳定的时间比无加筋土路堤提前,且沉降量要比无加筋路堤的小;从经济和施工难易角度出发,确定该路堤填方工程中土工格栅铺设的合理层数.

关键词:路堤边坡;土工格栅;施工沉降;数值分析

0引言

路基的稳定是高速公路运营安全的前提条件之一,其中高填方路堤的稳定尤为值得关注.高填方路堤,路基填土高度一般较高,对地基承载能力、填料性质以及施工控制提出了更高的要求,稍有不慎容易引起路基的沉降变形过大,最终引起路面结构破坏[1-4].因此,高路堤施工沉降控制及分析一直是新建公路关注的热点问题.针对高填方路堤施工沉降控制,已有较多的控制措施,包括强夯法、土工材料加筋法、土质改良、分层碾压法等,其中,土工材料加筋法由于具有施工简单、无需大型设备、强度高、柔性好、耐腐蚀等优点而得到广泛应用[5-8].其主要原理是通过土工材料与填料之间的摩阻作用,约束土体的位移,从而达到控制路基沉降的目的.然而不同的土工材料布置层数及间距对沉降变形的影响规律不同.基于此本文结合某高速公路的高填方路堤,通过现场试验和数值模拟的方法,研究土工格栅加筋路基的沉降规律,并从经济及施工难易角度探讨了土工格栅铺设的合理层数,为土工格栅在高路堤的沉降控制应用提供理论依据.

1工程概况

本道路工程是某市南部地区集散公路的重要组成部分,为新增公路线.该公路的建设对国际旅游岛建设和该市南部地区经济发展具有重要意义,必将提升该市与定安县城之间公路横向连接的服务水平,改善投资环境,强化区域内的联系,促进该地区的经济文化交流,推动沿线经济社会和旅游业的全面发展.该连接线工程采用双向两车道二级公路标准,设计速度60km/h,路基宽16m.局部路段采用双向四车道,一级公路标准,主线路面采用沥青砼路面,路线全长12.119km.路线中的高填方路基共15处,填土高度在20.1~22.8m之间.路线软土不甚发育,主要分布于冲沟地段以及河流一级阶地路段,软土的厚度差异较大,其埋深较浅,分布范围相对较大,直接影响路基稳定性,需对其加固处理,可采用水泥土搅拌桩、碎石桩或CFG桩对其加固处理;部分路段分布的软土,其范围相对较大,其埋藏较深,对路基稳定性的影响由设计验算确定,除填土和软土以外,其他各岩土层工程性能较好,均可作路基持力层,玄武岩残积土为高液限土,不能直接作为路基填料,应进行改良处理,路堤边坡坡率为1∶1.5.该公路所采用的填料为砂性黏土。

2现场试验及方案

2.1土工格栅性能

该工程采用了聚丙烯EG3030型双向土工格栅进行路堤沉降控制。

2.2土工格栅铺设方案选取

该线路中某一处100m的高填方路堤作为试验研究对象,该路堤的填土高度为21.3m,由于该填方路堤属于高填方路堤,加之地基承载能力一般,因此路堤的沉降会对路基的稳定产生较大的影响.本次试验采用聚丙烯双向土工格栅对试验段局部断面进行埋设,在地表以上填土5m处,填土每增加2m设置一层土工格栅,一共设置5层,另一部分路基则不铺设土工格栅,已形成对比研究方案.

2.3沉降观测

本文采用沉降板对路基施工沉降进行动态监测.沉降板的底板采用厚度为1cm,长、宽均为50cm的钢板,测杆为直径4cm的钢管,与底板中心采用焊接固定方式,同时测杆配备一定强度的塑胶管.测杆每50cm为一节,采用直接套筒连接.在路堤试验段底部和填土高度为10m的位置分别在路肩边缘及路基中线部位设置沉降板,共6块沉降板,如图1所示.采用水准仪对施工过程中的沉降进行实时监测,观测精度<1mm,初期监测周期为1d,当填土高度达到一定高度,则根据沉降变化适当增大观测周期.

3监测结果与分析

3.1无格栅路堤施工沉降分析

一般高路堤的施工沉降主要由填料间的空隙被挤密和填料土颗粒自身的压缩引起的.前者主要是填料通过机械碾压后,在填土重力等因素影响下土颗粒的间隙随着时间推移逐步被挤密的过程,即土体的固结,这部分占据了施工沉降的主要部分,后者主要的路堤填筑完成后,土颗粒在重力影响下发生压缩变形,即为次固结沉降,这部分对沉降的影响较小.通过路堤施工沉降的监测数据结果,绘制无土工格栅路堤的底层和填土高度为10m处的沉降随时间变化的曲线。

3.2加筋路堤施工沉降分析

土工格栅加筋路基填土,可以较好的解决因路基不均匀沉降造成的路基稳定性问题.当路基发生不均匀沉降时,加筋土工格栅受到拉应力作用,土工格栅与土体产生摩阻力,土工格栅将产生拉伸变形,从而达到路基竖向沉降产生的应力均匀分布的趋势,提高了路基的承载能力和缓解了路基的非均匀沉降.

4高填方加筋路堤数值分析

为了探索土工格栅加筋路堤沉降效果及优化土工格栅加筋层数,结合该工程项目,采用有限元软件对选取的高填方边坡断面进行加筋模拟分析.

4.1模型建立与参数选取

Madis有限元软件具有强大的计算功能,通过二维平面模型可以对路堤填土及土工格栅的应力应变等非线性问题进行模拟计算.本文对路堤填土采用自由划分单元网格形式,采用弹簧单元模拟土工格栅与填料之间的界面问题.

4.2模拟结果及分析

没有加筋材料和铺设不同层数的土工格栅的情况下,距离路堤中线水平方向5米范围内的沉降值变化曲线.从图中可以看出,越靠近路堤中线沉降值越大;土工格栅能够有效的控制路堤沉降,并随着土工格栅的铺设层数增加,控制沉降的效果越明显.与无土工格栅相比,不同铺设层数的土工格栅对路堤沉降值的降幅比例分别为:铺设1层土工格栅降幅比例达到12%左右,铺设2层降幅比例为16%左右,3层降幅比例为24%左右,4层降幅比例为30%,5层降幅比例为41%左右.

5结论

1)路堤的施工沉降变化规律与无格栅路堤沉降监测曲线变化规律趋势一致,随着路基填土高度的增加,初始沉降的变化速率较大,填土达到一定高度时,沉降变化率逐步减小并趋于稳定,且路堤中线部位的沉降变化值大于两侧路肩部位.在高填方路堤修筑中,应注重填土速率及填土厚度变化.

2)加筋土路堤趋于稳定的时间比无加筋土路堤提前,且沉降量要比无加筋路堤的小,土工格栅有效地降低了路堤的沉降量.3)随着土工格栅铺设层数的增加,沉降控制效果越明显.从经济和施工难易角度出发,该路堤填方工程的土工格栅的铺设层数为4层.

参考文献:

[1]邓卫东,陈永红,李聪.典型工况下填方路基稳定安全系数取值探讨[J].中国公路学报,2014,27(4):16-23.

[2]李广权,黄震,周国云.基于FLAC3D强度折减法的边坡稳定性影响因素分析[J].公路与汽运,2013(6):138-142.

[3]陈国庆,黄润秋,石豫川,等.基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2014,33(2):16-23.

[4]刘亚君.某典型路堑边坡稳定性及影响因素分析[J].公路与汽运,2017(2):101-103.

[5]甄俊杰.泡沫轻质土处治新旧路基差异沉降性能的研究[J].山西交通科技,2016(2):1-3,18.

[6]汪益敏,李庆臻,高水琴.差异沉降对土工格栅加筋路堤工作性能影响的试验研究[J].华南理工大学学报:自然科学版,2011,39(9):68-74.

[7]杨广庆,李广信,张保俭.土工格栅界面摩擦特性试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(8):948-952.

[8]贺军.高速公路扩建工程中桩乘式加筋路堤工作性状研究[D].广州:华南理工大学,2011.

作者:田静 单位:山西省交通科学研究院

兰州工业学院学报责任编辑:张雨    阅读:人次
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