差異沉降對(duì)土工格柵加筋路堤工作性能影響的試驗(yàn)研究*

汪益敏 李慶臻 高水琴

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州510640;2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)

軟土地區(qū)公路擴(kuò)建工程中的舊路基經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，已基本完成固結(jié)，強(qiáng)度提高，剩余沉降很小;新拓寬的路基雖然普遍采用水泥攪拌樁等復(fù)合地基方法進(jìn)行軟土路基加固處理，但因路基加固處理時(shí)間短，仍可能存在較大的工后沉降，因此容易出現(xiàn)新舊路基不均勻沉降問(wèn)題.為了控制新舊路基差異沉降，避免擴(kuò)建道路路面因路基差異沉降導(dǎo)致縱向開(kāi)裂破壞，通常在道路拓寬部分采用土工格柵加筋路堤方式，鋪設(shè)一層或多層土工格柵于新拓寬路堤的填土中［1-3］.但是，土工格柵應(yīng)用于道路擴(kuò)建工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往都是經(jīng)驗(yàn)性的，現(xiàn)行路基設(shè)計(jì)規(guī)范中缺乏有關(guān)該部分明確的設(shè)計(jì)理論和方法，相關(guān)的研究報(bào)道也不多.現(xiàn)有研究成果主要集中在數(shù)值模擬分析加寬路堤不均勻沉降變形規(guī)律以及現(xiàn)場(chǎng)沉降觀測(cè)等方面［4-6］.在模型試驗(yàn)研究方面，翁效林等［7］利用離心試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展了預(yù)應(yīng)力管樁加固拓寬路基的模型試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管樁加上樁帽和土工格柵褥墊層可以有效地控制拓寬路基不均勻沉降.但是，目前關(guān)于拓寬路基發(fā)生不同程度的差異沉降時(shí)，土工格柵的變形特征以及加筋效應(yīng)的相關(guān)研究很少.

文中以廣東省廣三高速公路擴(kuò)建工程為背景，設(shè)計(jì)加工幾何相似比為1∶10的室內(nèi)模型，采用相同加筋材料，模擬軟土地區(qū)公路擴(kuò)建工程中的土工格柵加筋路堤，研究在差異沉降作用下，土工格柵控制差異沉降的效果及其受力與變形特征，為土工格柵應(yīng)用于軟土地區(qū)公路擴(kuò)建工程中的設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù).

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

廣三高速公路起點(diǎn)位于廣東省佛山市南海區(qū)，終點(diǎn)位于廣東省佛山市三水區(qū)，路線總里程30 km，1998年建成通車，全線路基普遍為軟土地基.原路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬24.5m，雙向4個(gè)行車道，擴(kuò)建后路基寬度為41m，雙向8車道，2009年開(kāi)始動(dòng)工擴(kuò)建.道路擴(kuò)建采用兩側(cè)路基直接拼接加寬方式，加寬路堤下部的軟土地基采用水泥攪拌樁和素混凝土樁進(jìn)行加固處理，加寬路堤填土底部和填土層上部分別鋪設(shè)一層土工格柵進(jìn)行加筋，處治路基不均勻沉降.

試驗(yàn)?zāi)Ｐ突趶V三高速公路路基拼接設(shè)計(jì)方案，模擬的工程條件為:路堤填土高度為4.8m，路基土厚度為4 m，路堤填土與路基土之間設(shè)厚度為0.6m的砂墊層.對(duì)稱分布的半幅路基頂面寬12 m，包括一個(gè)寬3.75m的舊路車道和兩個(gè)寬3.75 m的擴(kuò)建車道，擴(kuò)建車道外側(cè)為寬度0.75 m的路肩，路堤邊坡坡比為1∶1.5.在擴(kuò)建車道和路肩范圍內(nèi)，于路堤第一層和第五層填土的底面分別鋪設(shè)土工格柵，進(jìn)行拓寬路堤加筋處理.

按照相似比1∶10制作模型試驗(yàn)箱，如圖1所示，試驗(yàn)箱的凈空尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1.92m×1m×1m，試驗(yàn)箱框架采用槽鋼焊接而成，在槽鋼制成的鋼架里面安裝可拆卸的鋼板，鋼板厚5 mm.在試驗(yàn)箱的一側(cè)設(shè)有透明有機(jī)玻璃板，作為試驗(yàn)過(guò)程中的觀測(cè)窗.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D(單位:mm)Fig.1 Arrangement of test model(unit:mm)

模擬公路拓寬填土路堤下部軟土地基引起的路基差異沉降是文中試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的難點(diǎn).羊曄［8］研究路橋過(guò)渡段采用加筋路堤處治不均勻沉降的效果時(shí)，采用在填土底部預(yù)埋灌滿水的橡膠水袋，試驗(yàn)時(shí)打開(kāi)橡膠水袋閥門放水，模擬填土路堤下部軟土地基的下沉;黃琴龍等［9］在研究路基不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，在新路基的填土底部封存一層水融性化肥，在試驗(yàn)時(shí)向化肥里均勻注水，化肥層溶解后從固定的排水管中流出，模擬路基不均勻沉降;賈圣東等［10］在研究高速公路拓寬路堤加筋邊坡穩(wěn)定性時(shí)，將一定厚度的木板預(yù)埋在拓寬加筋路堤底部，試驗(yàn)過(guò)程中，間斷的將木板抽出，模擬新拓寬路基的沉降.綜合考慮文中模型試驗(yàn)研究的工程背景和研究目的，設(shè)計(jì)采用在新擴(kuò)建加筋路堤下部預(yù)埋一定厚度的高密度復(fù)合木板，一端外露試驗(yàn)箱，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)拉力裝置將木板抽出，模擬新老路基之間的差異沉降.模型試驗(yàn)路堤填土按照每層厚度為4cm，壓實(shí)度90%的控制原則分區(qū)進(jìn)行人工夯實(shí)填筑，當(dāng)填土至鋪設(shè)土工格柵層位時(shí)，將土工格柵展平，用U型鋼釘固定到舊路基臺(tái)階面上，然后再填筑上覆路堤土.

分別對(duì)新填路堤中不鋪設(shè)土工格柵時(shí)新舊路基發(fā)生0、30 mm差異沉降及在第一層和第五層填土底面分別鋪設(shè)1層土工格柵后新舊路基發(fā)生0、20、30、50mm差異沉降共6種工況進(jìn)行試驗(yàn)，模擬工況如表1所示.

表1 模擬試驗(yàn)工況Table 1 Simulating test cases

實(shí)際工程中，填土路堤頂面受到路面結(jié)構(gòu)層的重力和汽車荷載的作用，試驗(yàn)中采用平板荷載試驗(yàn)方法模擬路堤頂面荷載作用.根據(jù)平板荷載試驗(yàn)要求［11］，承載板的平面尺寸不應(yīng)大于模型平面尺寸的1/3，因此，設(shè)計(jì)尺寸為60cm×30cm×2.5cm(長(zhǎng)×寬×厚)的鋼板作為承載板，采用液壓千斤頂裝置分級(jí)加載，測(cè)試荷載作用下土工格柵加筋效應(yīng).試驗(yàn)時(shí)每級(jí)加載大小為12.6kN，最多可以施加10級(jí)荷載，每級(jí)加載完成后，隔15min測(cè)讀一次沉降數(shù)據(jù)，在此時(shí)間間隔內(nèi)如果加載板沉降量小于0.025 mm，則視為沉降穩(wěn)定，可以施加下一級(jí)荷載，加載過(guò)程中出現(xiàn)下列情況之一時(shí)即終止加載:(1)加載板周邊土出現(xiàn)明顯側(cè)向擠出現(xiàn)象，周邊土出現(xiàn)明顯隆起或徑向裂縫持續(xù)發(fā)展;(2)本級(jí)荷載的沉降量大于前一級(jí)荷載沉降量的5倍，荷載－沉降曲線出現(xiàn)明顯陡降;(3)在某級(jí)荷載下，24 h沉降速率不能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，還在繼續(xù)近似等速或加速發(fā)展.

2 試驗(yàn)材料

2.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)所用的土料取自廣三高速公路擴(kuò)建工程現(xiàn)場(chǎng)，土的顆粒級(jí)配和主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2和表3.根據(jù)JTG D30—2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于土的分類與定名規(guī)定，試驗(yàn)用土定名為粘土質(zhì)砂，記為SC.

表2 土的顆粒級(jí)配Table 2 Partical gradation of soil

表3 土的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 3 Physical and mechanical indices of soil

2.2 土工格柵

試驗(yàn)所用的土工格柵為廣三高速公路擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)采用的GSL40雙向土工格柵，格柵網(wǎng)格凈空尺寸為36.84mm×38.69mm，筋條橫向?qū)挾葹?.79mm，縱向?qū)挾葹?.58 mm.按照J(rèn)TG E50—2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》試驗(yàn)方法測(cè)定土工格柵的主要力學(xué)性能指標(biāo)匯總于表4.

表4 土工格柵的主要力學(xué)性能指標(biāo)Table 4 Main mechanical indices of geogrid

3 試驗(yàn)觀測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)的布置

試驗(yàn)觀測(cè)項(xiàng)目包括:路堤頂面荷載P，時(shí)間t，承載板沉降S1，路堤土頂面沉降S2，土工格柵應(yīng)變?chǔ)牛返添斆娉霈F(xiàn)裂縫的時(shí)間T以及對(duì)應(yīng)的P、S1、S2、ε.

路堤頂面沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置如圖2所示.在填土頂面共布設(shè)30個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其中承載板兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)兩個(gè)千分表觀測(cè)承載板沉降，填土頂面其余測(cè)點(diǎn)按照6個(gè)斷面、每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)的方式進(jìn)行布設(shè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)鋼尺，根據(jù)鋼尺與基準(zhǔn)線相對(duì)位置變化測(cè)出路堤土頂面沉降.

圖2 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:mm)Fig.2 Arrangement of ground settlement measurement(unit:mm)

應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)的布置如圖3所示，工況C1、C2、C3、C4在拓寬路堤第一層和第五層填土底面分別鋪設(shè)1層土工格柵，每層土工格柵均布設(shè)有18個(gè)應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)，按6個(gè)斷面、每個(gè)斷面3個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)應(yīng)變片.各斷面位置與開(kāi)挖臺(tái)階立面距離分別為60、120、190、320、510、780 mm，其中斷面 1 位于舊路堤臺(tái)階面上，其余5個(gè)斷面位于擴(kuò)建路堤填土范圍內(nèi).為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，此次試驗(yàn)采用直接與計(jì)算機(jī)相連接的DH3818型高精度數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集不同工況荷載作用下土工格柵應(yīng)變片數(shù)據(jù).

圖3 土工格柵應(yīng)變片布置圖(單位:mm)Fig.3 Arrangement of strain gauges on geogrid(unit:mm)

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 承載板的沉降

各工況加載過(guò)程中承載板的沉降曲線如圖4所示.由圖4可見(jiàn)，相同荷載作用下，工況A2承載板發(fā)生的沉降最大，路堤中鋪設(shè)土工格柵后，可以明顯減少承載板的豎向沉降變形.對(duì)比工況A2和C3，兩者在試驗(yàn)初期給定的路基差異沉降均為30 mm，當(dāng)試驗(yàn)荷載小于50.4 kN時(shí)，鋪設(shè)土工格柵與否對(duì)沉降板的沉降影響不明顯，但是當(dāng)荷載逐級(jí)增大至63.0、75.6、88.2、100.8kN 時(shí)，拓寬路堤中鋪設(shè)土工格柵的試驗(yàn)工況C3發(fā)生的沉降板沉降明顯減小，工況C3沉降板發(fā)生的沉降相當(dāng)于工況A2對(duì)應(yīng)荷載時(shí)沉降板沉降量的86%、74%、64%和52%，分別減少了14%、26%、36%和48%.荷載越大，土工格柵對(duì)于減小豎向沉降發(fā)揮的作用越明顯.

圖4 荷載與承載板沉降關(guān)系曲線Fig.4 Curves of load and loading-board settlement

4.2 路堤土頂面的沉降

本研究在路堤頂面布設(shè)了6個(gè)斷面共30個(gè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，每一個(gè)斷面設(shè)有5個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，路堤沉降分析時(shí)，將沿路線縱向同一斷面上5個(gè)點(diǎn)的沉降觀測(cè)值進(jìn)行算術(shù)平均，作為該斷面位置的沉降代表值繪制沉降曲線，各工況路堤頂面出現(xiàn)開(kāi)裂時(shí)，路堤頂面的沉降分布曲線如圖5所示.

圖5 路堤頂面沉降分布曲線Fig.5 Settlement distribution curves of embankment surface

由圖5可見(jiàn)，路堤頂面開(kāi)裂時(shí)，各工況條件下路堤橫斷面不同位置沉降分布曲線呈現(xiàn)靠近舊路路堤越近，沉降值越小，靠近新填路堤邊坡越近，路堤頂面沉降越大的分布規(guī)律;各工況下從斷面1至斷面6，路堤沉降逐步增大，并且受承載板加載的影響，沉降分布曲線在斷面3和斷面4處出現(xiàn)2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，反映路堤頂部荷載作用加劇路堤沉降沿路堤橫斷面方向的不均勻性.不鋪設(shè)土工格柵時(shí)，工況A2路堤表面迅速產(chǎn)生裂縫，新拓寬路堤(斷面4－斷面6)的沉降明顯大于老路堤(斷面1－斷面3)的沉降，其中斷面6的最大沉降達(dá)13.12 mm，相當(dāng)于斷面3沉降值的3倍.在填土內(nèi)部加鋪2層土工格柵后，工況C1－C4中只有當(dāng)模擬拓寬路基發(fā)生50 mm的差異沉降時(shí)，工況C4的路堤頂面產(chǎn)生了較大的地表沉降，其余3種試驗(yàn)工況路堤頂面的沉降值大小較為接近，說(shuō)明當(dāng)加筋路堤下部路基發(fā)生的差異沉降在一定范圍之內(nèi)時(shí)，土工格柵可以起到較好的均化路堤頂面沉降分布作用，有效減小新舊路堤分界處的不均勻沉降.

4.3 土工格柵的應(yīng)變

文中模型試驗(yàn)分別在第一層和第五層填土底面鋪設(shè)土工格柵，每層土工格柵上布設(shè)有6個(gè)斷面共18個(gè)應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)，土工格柵應(yīng)變分析時(shí)，將沿路線縱向同一斷面上3個(gè)點(diǎn)的有效應(yīng)變觀測(cè)值進(jìn)行算術(shù)平均，作為該斷面位置的應(yīng)變代表值繪制土工格柵應(yīng)變曲線，進(jìn)行土工格柵工作性狀分析.加鋪土工格柵的各試驗(yàn)工況路堤破壞時(shí)，土工格柵的應(yīng)變分布曲線如圖6所示.

圖6 土工格柵應(yīng)變分布曲線Fig.6 Strain distribution curves of geogrid

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)拓寬路堤發(fā)生差異沉降時(shí)，土工格柵的受力沿路堤橫斷面是不均勻分布的，最大應(yīng)變基本都發(fā)生在斷面1的位置，即靠近新舊路堤分界處;從斷面1至斷面6方向，土工格柵應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸減小的分布規(guī)律.其中，拓寬路基差異沉降最大的工況C4土工格柵應(yīng)變沿路堤橫斷面的分布最不均勻，新舊路拼接結(jié)合處土工格柵發(fā)生的應(yīng)變相當(dāng)于路堤邊坡附近土工格柵應(yīng)變值的15倍左右.此外，相同斷面處下層土工格柵發(fā)生的應(yīng)變普遍大于鋪設(shè)在其上方的土工格柵的應(yīng)變，結(jié)果反映鋪設(shè)在路堤下部的土工格柵其工作性能受路基差異沉降的影響更大.當(dāng)新舊路基未發(fā)生差異沉降時(shí)，工況C1中鋪設(shè)在靠近路堤頂面的土工格柵發(fā)生的應(yīng)變?cè)诤奢d作用位置附近最大，斷面3的土工格柵應(yīng)變大小相當(dāng)于斷面1土工格柵應(yīng)變值的2倍左右，斷面4的土工格柵應(yīng)變也相當(dāng)于斷面1的1.5倍左右，很顯然，當(dāng)路堤頂面作用荷載時(shí)，在路堤上部鋪設(shè)土工格柵可提供明顯的加筋作用.

從圖6還可以看出，各種工況條件下土工格柵的應(yīng)變均不大，差異沉降為50 mm時(shí)測(cè)得的應(yīng)變最大值僅為0.44%.文獻(xiàn)［12］曾報(bào)道，在寧杭高速公路二期工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得填土平均高度為2 m的單層土工格柵加筋路堤中土工格柵發(fā)生的最大應(yīng)變?yōu)?.6%，并采用FLAC3D數(shù)值分析軟件模擬計(jì)算攪拌樁處理軟基后加筋路堤中土工格柵發(fā)生的最大應(yīng)變?yōu)?.25%，普通填土高度加筋路堤中土工格柵發(fā)生的應(yīng)變均未超過(guò)1%，其研究結(jié)論與文中的試驗(yàn)結(jié)果較為接近.但是，目前廣三擴(kuò)建工程中設(shè)計(jì)采用的雙向土工格柵縱向最大伸長(zhǎng)率為23.86%，橫向最大伸長(zhǎng)率為10.05%，抗拉伸變形指標(biāo)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)研究中測(cè)得的最大應(yīng)變值，反映設(shè)計(jì)采用的土工格柵筋材在抗拉伸變形指標(biāo)選擇方面可能過(guò)于保守，具有進(jìn)一步優(yōu)化的可能性和必要性.

工況C2上、下兩層土工格柵不同斷面位置的應(yīng)變－荷載關(guān)系曲線如圖7所示.

由于鋪設(shè)在路堤填土下部的土工格柵除了受到路堤頂面荷載引起的附加應(yīng)力作用外，同時(shí)受下覆路基差異沉降的影響非常大，在新舊路基搭接處，土工格柵發(fā)生的應(yīng)變最大，工況C3和C4的下層土工格柵應(yīng)變測(cè)試結(jié)果也反映了上述分布規(guī)律，結(jié)果如圖8所示.因此，在軟土地區(qū)路基擴(kuò)建工程中采用土工格柵控制路基不均勻沉降，填土層底部鋪設(shè)土工格柵時(shí)，必須做好土工格柵與舊路基之間的穩(wěn)固連接，使土工格柵調(diào)節(jié)不均勻沉降的加筋效果得到有效的發(fā)揮.

圖7 工況C2土工格柵各觀測(cè)斷面應(yīng)變－荷載曲線Fig.7 Strain-load curves of geogrid testing sections in case C2

圖8 不同工況下下層土工格柵各觀測(cè)斷面應(yīng)變－荷載曲線Fig.8 Strain-load curves of bottom geogrid testing sections in different cases

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)6種不同路基差異沉降條件下的土工格柵加筋路堤的工作性狀的試驗(yàn)研究，可初步得到以下結(jié)論:

(1)在拓寬路堤填土內(nèi)部加鋪土工格柵，可以有效地減少路基差異沉降與堤頂荷載作用導(dǎo)致的路堤填土沉降變形;填土頂面作用荷載越大，土工格柵對(duì)于減小路堤填土沉降發(fā)揮的作用越明顯;相同路基差異沉降條件下，加鋪2層土工格柵的加筋土路堤相比未加筋路堤，荷載作用位置發(fā)生的沉降最大可以減少48%.

(2)當(dāng)擴(kuò)建公路新舊路基發(fā)生的差異沉降在一定范圍之內(nèi)時(shí)，采用在擴(kuò)建路堤填土頂層和底層加鋪土工格柵的2層加筋法，可以有效調(diào)節(jié)新舊路堤結(jié)合處的不均勻沉降，均化路堤頂面沉降分布.

(3)不同路基差異沉降條件下，土工格柵加筋拓寬路堤中土工格柵發(fā)生的應(yīng)變均未超過(guò)0.5%，相比工程設(shè)計(jì)中采用的土工格柵材料抗拉性能指標(biāo)，有較大的抗拉安全余度.

(4)新舊路基差異沉降作用下，土工格柵的應(yīng)變沿路堤橫斷面分布不均勻，靠近新舊路堤分界處土工格柵發(fā)生的應(yīng)變最大，施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)重視土工格柵與舊路堤之間的穩(wěn)固連接，確保土工格柵調(diào)節(jié)不均勻沉降的加筋效果得到有效的發(fā)揮.

需要指出的是，上述結(jié)論是針對(duì)采用幾何相似比1∶10的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停M路堤填土高度為4.8m，半幅路堤頂寬度12 m，1個(gè)舊車道外側(cè)直接拼接2個(gè)新拓寬車道的高速公路擴(kuò)建工程獲得的，對(duì)于其他參數(shù)范圍的公路擴(kuò)建工程，尚有待進(jìn)一步研究.

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