(1.四川大学 锦江学院，四川 眉山 620860； 2.中建五局第三建设有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

随着国内高速公路建设的发展，交通量不断增大，过去的四车道高速路网已经不能满足交通运量的需求，提高高速公路通行能力迫在眉睫[1-2]。对已有高速路的拓宽改建具有投资小、不占有土地和相关资源，成为一种有效解决交通运输矛盾的有效方式[3-5]。而高速老路经营多年，沉降基本固结[6]，因此在老路基上进行拓宽容易导致新旧路基发生差异性沉降，引起裂纹、错台等疾病[7-10]。针对这种问题，采用土工格栅加筋技术[11-12]，在土体铺设拉筋材料，扩散土体应力[13]，传递拉应力[14]，限制路基上下变形[15-16]，从而提高结构的整体稳定性[17]。基于此，本文以某一工程实践为对象，通过数值模拟讨论了不同工况下加筋技术的改扩建效果，并给出最优的土工格栅优化设计方案。

1 工程模型构建

1.1 工程背景

项目为京港澳高速路石家庄段改扩建项目，扩建路段长237.13 km，其中新建路段51.29 km，另外有老路整治35.41 km。全线按照8车道高速公路标准新建，扩建8车道整体式路基宽42 m。扩建路段老路基宽26 m，路基高5 m，边坡1∶1.5，拟在路基两侧各加宽8 m。整体地基由上而下结构土层分别为粉质粘土8 m，粘土12 m，粉土10 m，如表1为地基土和土层结构参数。路基台阶开挖根据削坡施工确定，底部台阶宽2.25 m，高1.5 m，由下往上3个台阶宽1.5 m，高1 m，顶部台阶宽3 m，高3 m。

表1 地基土层结构参数Table1 Structuralparametersoffoundationsoillayer土层厚度/m泊松比容重/(kN·m-3)粘聚力/kPa内摩擦角/(°)渗透系数/(m·d-1)老路基5.00.302030280.001路基填土5.00.3518.73027—粉质粘土8.00.3018.824270.0008粘土12.00.3018.628180.0005粪土10.00.302033200.0005

1.2 模型建立

采用PLAXIS有限元软件建立模型，根据路基整体结构为中心对称，取半对结构建立模型，台阶开挖模拟按照确定的削坡施工方案进行，路面荷载形成用等效均布荷载20 kPa来处理。图1为进行建立的有限元模型。在PLAXIS软件中通过标准固定边界设置模型的边界条件，其中模型左边界和右边界定义为对称轴，水平固定，竖向自由，不排水；上边界定义为水平、竖向自由，排水；下边界水平和竖向均固定，不排水。

图1 路基结构有限元模型Figure 1 Finite element model of subgrade structure

2 加宽路基性能分析分析

图2为路基填筑不同阶段的竖向沉降曲线。可以看出，当新路基由1.5～5 m填筑高时，沉降曲线呈现出一个“勺形”分布变化。路基填挖初期，老路基坡脚处地基发生部分反弹现象，其中距老路基中心13 m产生最大反弹量，约0.8 cm。当新路基填筑完成后，距离老路基中心21 m位置产生最大竖向沉降量，沉降值约8.5 cm，此时老路基中心沉降量约1.5 cm，当工后1 a，老路基中心沉降变为2 cm，距老路基中心12 m处最大沉降量为9.1 cm，沉降趋于稳定。

图2 原路基竖向沉降曲线Figure 2 Vertical settlement curve of original subgrade

图3为路基填筑不同阶段的水平位移曲线。其中正值为指向道路外侧。在路基填筑3.5 m高，距离老路基中心25 m，即形成的新路基中心处产生最大水平位移，最大位移量为0.25 cm。当填筑高度达到5 m时，水平位移指向道路内侧，形成负值，工后1 a，产生的水平位移以老路坡脚为界，左侧水平位移指向道路外侧，右侧水平位移指向道路内侧，并在新路基中心垂线处产生最大水平位移，最大位移量为28.10 m。

图3 原路基水平位移曲线Figure 3 Horizontal displacement curve of original subgrade

3 加铺土工格栅加筋优化

3.1 加铺层方案

根据上面对施工方案分析可知，施工过程共开挖台阶5个，土工格栅的铺设需要与老路基台阶衔接，因此讨论不同土工格栅铺设层对加筋效果影响，具体分为5种工况：①铺设1层，分别选择1、3、5层3种铺设方式；②铺设2层，主要由4种铺设方式，分别为1和5层、2和4层、1和3层、3和5层；③铺设3层，分别为1、3和5层；2、3和4层；1、2和5层；1、4和5层；④铺设4层，分别为1、2、3和4层；2、3、4和5层；⑤全铺设，对5层开挖台阶进行全铺设。图4为加筋位置布置图。土工格栅弹性模量1×109kPa，轴向刚度1×106kN/m，面积为0.002 m2。

图4 加筋位置布置图Figure 4 Reinforced position layout diagram

3.2 加宽路基的性能优化

图5为加筋一层时的路边竖向沉降变化。结合表2中不同土层有效应力和位移量可以看出，加筋作用对路基沉降效果并不明显，但在一定程度上改善了路基的不均匀沉降，在第1层、第3层、第5层铺设土工格栅，路基顶部最大差异沉降分别为8.9、9.0、8.6 cm，相较于为铺设土工格栅的最大沉降时的9.1 cm，分别下降了2.20%、1.20%、5.49%，最大有效应力分别为602.14、602.08、602.10 kPa，较未铺设工格栅的最大有效应力602.02 kPa，在基体部位减幅最大，中间部位的减幅最小。分析土层最大水平位移可以看出，第1层、第3层、第5层铺设土工格栅后，土中最大水平位移分别为3.08、2.73、2.88 cm，相较于未铺设土工格栅的最大水平位移的3.09 cm，降幅明显。比较3种铺设方式可以看出，格栅铺设越往下，则降低不均匀沉降和土中有效应力越明显，但减少水平位移相对较差，因此，在铺设一层土工格栅是可考虑将其铺设在路基基底层。

图5 加铺一层新路基沉降Figure 5 Settlement of a new subgrade with an additional layer

表2 土中有效应力和位移Table2 Effectivestressanddisplacementinsoil有效应力/kPa最大水平位移/cm第1层602.143.08第3层602.082.73第5层602.102.88无格栅602.023.09

图6为加铺二层时的路基竖向沉降变化,结合表3中不同土层有效应力和位移量可以看出,在1/5层、3/5层、1/3层、2/4层铺设土工格栅，路基顶部最大差异沉降分别为8.5、8.6、8.7、8.8 cm，相较于为铺设土工格栅的最大沉降时的9.1 cm，分别下降了6.58%、5.46%、4.42%、3.30%，可以看出采用最底层+最上层的方式能够较好地控制路基沉降和应力。分析土中最大有效应力和最大水平位移，采用15层、35层、13层、24层的土中最大有效应力分别为602.12、602.08、602.13、602.10 kPa，最大水平位移分别为2.98、2.98、2.73、3.03 cm，相较于未铺设土工格栅的最大有效应力603.25 kPa，最大水平位移30.94 cm，采用最底层+中间层能有效控制土中水平位移量。综合比较土层沉降、有效应力以及水平位移可知，采用最底层+中间层(3/5层组合)能取得较好的控制效果。

图6 加铺二层新路基沉降Figure 6 Settlement of a new subgrade with an additional layer

表3 土中有效应力和位移Table3 Effectivestressanddisplacementinsoil有效应力/kPa最大水平位移/cm第1/5层602.122.98第3/5层602.082.98第1/3层602.132.73第1/3层602.103.03

分析铺设3层土工格栅后基沉降变化，如图7和表4所示，1/3/5层组合、2/3/5层组合、1/2/5层组合、1/4/5层组合路基顶部最大差异沉降分别为8.6、8.9、8.6、8.5 cm，相较于未铺设土工格栅的最大沉降下降了5.49%、2.21%、4.49%、6.52%，采用1/4/5组合铺设形式能够取得最优的抗沉降效果；最大有效应力分别为602.10、602.10、602.13、602.05 kPa，从有效应力方面采用1/4/5组合具有较好的抗应力效果。1/3/5层组合、2/3/5层组合、1/2/5层组合、1/4/5层组合土中最大水平位移分别为2.91、2.88、3.03、2.55 cm，相较于未铺设土工格栅的最大水平位移30.94 cm，采用1/4/5组合效果较好。综合考虑路基结构沉降和应力状态，选择1/4/5组合层铺设土工格栅具有较好效果。

图7 加铺三层新路基沉降Figure 7 Settlement of new subgrade with three additional floors

表4 土中有效应力和位移Table4 Effectivestressanddisplacementinsoil有效应力/kPa最大水平位移/cm第1/3/5层602.102.91第2/3/5层602.102.88第1/2/5层602.133.03第1/4/5层602.052.55

图8为铺设4层土工格栅后路基沉降变化，表5为土中有效应力和位移，其中1/2/3/4层组合、2/3/4/5层组合路基顶部最大差异沉降均为8.6 cm；最大有效应力分别为603.20、603.15 kPa，从有效应力方面采用2/3/4/5组合具有较好的抗应力效果。最大水平位移分别为2.97、2.37 cm，采用2/3/4/5组合效果较好。考虑路基应力状态和水平位移，选择2/3/4/5组合层铺设土工格栅具有较好效果。

图8 加铺四层新路基沉降Figure 8 Settlement of new subgrade with four additional floors

表5 土中有效应力和位移Table5 Effectivestressanddisplacementinsoil有效应力/kPa最大水平位移/cm第1/2/3/4层603.202.97第2/3/4/5层603.152.37

分析铺设5层土工格栅后路基沉降变化，如图9所示，组合路基顶部最大差异沉降为8.6 cm，相较于未铺设土工格栅的最大沉降下降了5.49%；最大有效应力为603.15 kPa；最大水平位移为2.37 cm。

图9 加铺五层新路基沉降Figure 9 Settlement of new subgrade with five additional floors

从不同铺设土工格栅方案对加宽路基沉降和水平位移、最大有效应力的影响可以看出。通过铺设土工格栅来减少路基沉降效果和降低地基中应力获得的效果并不明显，但能够较好地减少路基的水平位移量。加铺层数的增多也并未提升路基的抗沉降和改善应力幅值，且从经济角度考虑，较多的加筋将会提高路面施工经济成本，因此，综合考虑施工成本和路面性能改善，采取第1/4/5组合，即下部铺设两层，顶部一层加铺土工格栅具有较好的效果。

4 结论

a.原路基地表沉降曲线呈勺形，最大沉降出现在路肩处；地表水平位移曲线呈S型，以路基中心13 m为界，左侧水平位移指向内侧，最大位移为1.8 cm，右侧水平位移指向外侧，最大位移2.81 cm。

b.通过铺设土工格栅来减少路基沉降效果和降低地基中应力获得的效果并不明显，但能够较好地减少路基的水平位移量。从经济角度考虑，采用第1/4/5组合，即下部铺设两层，顶部一层加铺土工格栅具有较好的效果。