第35卷 第4期 岩 土 工 程 学 报 Vol.35 No.4 2013年4月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Apr. 2013 高速公路路基加宽土工格栅加筋优化技术研究
沈立森1，杨广庆1*，程和堂1，郑瑞君2，陈君朝3
（1. 石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043；2. 河北省高速公路石安改扩建筹建处，河北 邢台 054004；
3. 河北省高速公路京石改扩建筹建处，河北 保定 071051）
摘要：基于分析高速公路改扩建工程新老路基间不协调变形的原因、控制技术方法及控制标准，对高速公路改扩建路基加宽土工格栅加筋优化技术进行了研究。以京港澳高速公路石家庄至磁县（冀豫界）段改扩建工程典型试验段为研究对象，建立了高速公路路基加宽有限元计算模型，分析了施工期路基填筑高度和竣工后15 a的地表附加沉降、附加水平位移和路面横坡比变化规律。采用土工格栅加筋新路基技术，通过改变土工格栅的弹性模量、加筋层数和加筋长度等技术参数，研究分析了土工格栅参数变化对路基表面沉降量及路面横坡比的影响。根据计算结果提出了高速公路路基加宽土工格栅加筋优化设计技术方案，该研究结果为高速公路改扩建土工格栅加筋路基设计提供了技术参考。
关键词：改扩建；差异沉降；有限元；土工格栅
中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2013)04–0789–05
作者简介：沈立森(1986–)，男，硕士研究生，主要从事岩土工程与加筋结构研究。E-mail: shenls775@https://www.doczj.com/doc/5211115226.html,。
Optimization technology for geogrid-reinforced subgrade widening
projects of highways
SHEN Li-sen1, YANG Guang-qing1, CHENG He-tang1, ZHENG Rui-jun2, CHEN Jun-chao3
(1. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 2. Department of Preparatory Construction
for Hebei Province Shi'an Reconstruction & Extension Expressway, Xingtai 054004, China; 3. Department of Preparatory Construction for
Hebei Province Jingshi Reconstruction & Extension Expressway, Baoding 071051, China)
Abstract: The causes, control methods and standards for uncoordinated deformation between new and old subgrades in highway reconstruction and extension projects are analyzed. According to the typical test section of Shijiazhuang to Cixian (demarcation line between Hebei Province and Henan Province) reconstruction and extension project of Beijing-Hongkong- Macao Highway, a finite element model for subgrade widening of highways is established. The additional settlement and horizontal displacement of ground surface as well as transverse slope ratio of pavement are analyzed during the construction period of new subgrade and after construction of 15 years. The geogrid-reinforced technology for the new subgrade is used in this project. The geogrid modulus, reinforced layers and reinforcement length are changed during calculation. The effects of these parameters on surface settlement of the subgrade and transverse slope ratio of pavement are studied. Based on the computational results, the optimization design technology of geogrid-reinforced subgrade widening for highways is presented.
The test results can be used as a reference for future studies and design of geogrid-reinforced subgrade in highway reconstruction and extension projects.
Key words: reconstruction and extension; differential settlement; finite element analysis; geogrid
0 引 言
随着社会经济的发展和交通量的逐渐增大，早期建设的高速公路已不能满足需求，需要由原来的双向四车道加宽成双向六车道甚至双向八车道。老路基经过多年的自重荷载和行车荷载作用，沉降己趋于稳定，剩余沉降量已经很小，但作为刚成型的新路基需经历一个新的沉降过程，从而会造成新老路基间的差异沉降[1]。差异沉降过大将会导致路面产生纵向裂缝，给安全行车带来隐患。因此，在高速公路改扩建工程中，如何解决新老路基的差异沉降将成为关键问题。
广佛高速公路是我国首条扩建加宽的高速公路，而后也有多条高速公路进行了改扩建，积累丰富的工
───────
基金项目：国家自然科学基金项目（51178280）；河北省科技计划项目（11215612D）；河北省交通运输厅科技计划项目（Y-2011001）
收稿日期：2012–04–28
*通讯作者
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程实践经验并对此作了大量的研究。周志刚等[2]利用有限元法研究了采用层铺土工格网处理填挖交界路基非均匀沉降的机理，黎志光[3]依托广佛高速公路改扩建工程，对台阶的开挖数量和新老路基的衔接效果进行了研究。孙四平等[4]对路基加宽工程中的处治方案和理论分析作了初步研究，晏莉等[5]从路基位移、路基顶面应力及土工合成材料拉筋分布等方面，研究土工合成材料处治新老路基结合部的作用机制，分析不同加筋层数和不同路基填土高度下的处治效果，贾宁等[6]对加宽路基沉降及变形问题进行分析并提出了把新、老路基工后沉降差作为控制标准的观点，余常俊[7]认为新老路基应根据软土厚度情况采用矿渣分层填筑、土工格栅加筋连接等措施，胡汉兵等[8]采用与老路基相同或力学性能较好的材料进行填筑，并提出新老路基结合部位及其下部地基应作为加固处理的重点。
1 新老路基间的不协调变形及控制标准
新老路基的差异沉降主要由3个部分组成：一是由于地基在新路基荷载作用下发生的固结沉降，二是新路基在自身荷载作用下发生的压缩沉降，三是新路基在行车荷载作用下发生的累计塑性变形[9]。
在公路的改扩建设计中，必须保证加宽部分路基与老路基之间的有效衔接，并采取相应措施减小新老路基的差异沉降，从而防止路面产生纵向裂缝。因此，加强新老路基的拼接以及采取合理的地基处理方式对高速公路的改扩建工程起着至关重要的作用。
（1）采用合理的地基处理措施，控制新老路基的差异沉降
高速公路老路基地基的固结沉降已基本完成，稳定性较强，剩余沉降较小，而新加宽的路基施工完成后尚未经过车辆荷载作用，固结程度不充分，稳定性也较老路基差，施工沉降和工后沉降不完全，这会对老路基路面产生一定影响，尤其是当高速公路处于软土地基地段时，差异沉降更为显著。目前，软土地基最常用的处理方法主要有换填法、排水固结法和复合地基法。
（2）加强新老路基的拼接部，提高其整体性和协同能力
新老路基的拼接技术对路基的差异沉降有重大影响。合理有效的拼接技术不仅能控制路基变形，而且还能减小路面结构的破坏，目前比较常用的新老路基拼接技术有：
a）在老路基边坡上开挖台阶
开挖台阶前挖除边坡上一定深度范围内的表层土，清坡后的填土能获得更高的压实度；新老路基结合部是一个薄弱环节，开挖台阶能增大新老路基结合部的接触面积，从而增强了路基的抗剪能力；在老路基边坡上开挖台阶同时也提供了铺设土工格栅加筋的锚固位置。
b）结合部铺设土工格栅
为了使新路基和老路基衔接成一个整体，减少新老路基的差异沉降，防止路面开裂，路基加宽工程经常采用土工格栅加筋技术提高新老路基结合面的有效衔接。
（3）综合国内高速公路改扩建工程实践经验，目前改扩建路段拼接路基沉降控制标准[10]：加宽路基工后总沉降量小于10 cm，老路基与新路基的路拱横坡比的工后增大值不应大于0.5%。
2 工程概况
京港澳高速公路石家庄至磁县（冀豫界）段于1997年底建成通车后，至今已运营15 a，随着交通量迅速增长，服务水平也趋于饱和。因此，扩建本段高速公路是十分必要的。京港澳高速公路石家庄至磁县（冀豫界）段改扩建项目全长165.01 km，为双向四车道扩建成双向八车道。
本文以京港澳高速公路石家庄至磁县（冀豫界）段改扩建工程K442+110断面位置5.0 m高路基为例进行数值模拟。根据地质勘察资料，地面以下土层分别为粉土（厚4.5 m），淤泥质粉质黏土（厚5.7 m），粉质黏土和粉土（厚11.3 m）。
3 数值模拟
3.1 计算假定
（1）路基足够长，故将三维空间问题转化为二维平面问题，按照平面应变问题进行处理。
（2）新路基与老路基完全连续。
（3）地基土和路基填土的本构关系采用莫尔–库仑（Mohr-Coulomb）模型。
（4）老路基固结沉降已经完成。
（5）路基加宽后，地基和路基中的初始应力场由地基土和老路基土的自重形成。
（6）路面荷载和车辆荷载之和等效为均布荷载。
3.2 模型建立
模型断面选取路基面宽度为26 m的双向四车道加宽至宽度为42 m的双向八车道的公路横断面，路基填高为5 m，边坡斜率均为1∶1.5，土层分布如图1所示，以路基的中心线为对称轴，取半结构建立模型。
土层的计算参数如表1所示。模型坐标系统和网格划分如图2所示。
新路基从填土高1 m至5 m时，地基表面附加沉降曲线如图3所示（图中的正纵坐标值为Z轴正方向，负纵坐标值为Z轴负方向）。可以看出，老路基的中
第4期沈立森，等. 高速公路路基加宽土工格栅加筋优化技术研究791
表1 土层计算参数
Table 1 Parameters of soils
土层厚度
D/m
湿重度
γ/(kN·m-3)
弹性模量
E/kPa
泊松
比ν
黏聚力
c/kPa
水平渗
透系数K x
/(m·d-1)
垂直渗
透系数K y
/(m·d-1)
内摩
擦角
?/(°)
路基土 5.0 20.0 12000 0.30 30.0 0.0150 0.0100 28.0
粉土 4.5 20.0 2800 0.30 10.0 0.0100 0.0050 20.0 淤泥质粉质黏土 5.7 17.0 2000 0.34 22.0 0.0015 0.0005 16.0 地基
粉质黏土和粉土11.3 19.0 3000 0.30 12.0 0.0150 0.0100
18.0
图1 地基土层分布
Fig. 1 Distribution of foundation soils
图2 模型坐标系统和网格划分
Fig. 2 Coordinate system and model grids
心位置会在新路基的填筑初期发生“反弹”，新填路基高度1 m或2 m时反弹最大，反弹值约为3 cm。路基加宽后老路中心沉降最小，老路中心两侧沉降逐渐增加，并在加宽路基路肩边缘附近出现最大值。随着新路基高度的增加，老路中心的附加沉降、加宽部分的最大沉降值均逐渐增大。差异沉降较小位置处位于老路基中心和老路肩边缘处之间，而差异沉降较大位置处位于新老路基衔接处和新路基路肩之间。主要原因是老路基宽度比两侧加宽部分路基的宽度大，使新加宽的路基对老路基的作用力对老路基中心线处影响变小。
加宽路基从填土高1 m至5 m时，地表附加水平位移曲线如图4所示（图中正纵坐标为Y轴正方向，负纵坐标为Y轴负方向）。地表附加水平位移在新路荷载的重心处分界，附加水平位移左侧向内，右侧向外，在老路坡角附近最大，在老路中心处附加水平位移为零。从分界向外，附加水平位移逐渐增大，到新路中心附近达到最大。无论分界内侧还是外侧，地表的附加水平位移都随着填筑高度的增加而增大，且曲线形状越来越陡。
图3 路基加宽后地表附加沉降
Fig. 3 Additional settlement of ground surface after widening
图4 路基加宽后地表附加水平位移
Fig. 4 Additional horizontal displacement of ground surface after widening
3.3 横坡比对路面影响
新路基在填筑完成时和工后15 a的横坡比变化如表2所示。新老路基的横坡比过大可能会导致路面开裂，严重时影响行车安全。在这种情况下，必须对新路基地基和路基进行处理，减小路基的横坡比，保证行车安全[10]。
表2 填筑完成时和工后15a的横坡比变化 Table 2 Transverse slope ratios at construction and after
construction of 15 years
由表2可以看出，该计算断面在未进行处理或没有其他技术措施条件下，新路基填筑完成后，新老路横坡比远远超出了改扩建路段拼接路基沉降控制标准，而且随着改扩建段的运营，横坡比会进一步增大，横坡比填筑完成工后15 a
老路9‰ 10‰
新路15‰ 17‰
新老路11‰ 14‰
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这必然会降低公路的服务性能，影响行车的安全。
4 土工格栅加筋效果分析
为减小新老路基间的不均匀沉降，在新老路基间横向铺设土工格栅，提高路基的整体性，最大限度的减少新老路基的不均匀沉降。由于土工格栅是一种只能受拉，不能受压，且抗弯刚度很小的材料，因此计算中采用ADINA中的杆（truss）单元模拟。
计算时，在新填筑路基范围内，格栅按不同的模量、层数和长度进行布置，获得不同的格栅布置对路基变形的影响，为改扩建工程提供合理的施工方案。
4.1 土工格栅弹性模量对新老路基沉降的影响
通过调整土工格栅的弹性模量来分析其加筋效果，土工格栅弹性模量分别选取0.1，0.5，1和2 GPa，路基表面最大沉降量与土工格栅弹性模量关系如图5所示，横坡比与土工格栅弹性模量关系如表3所示。
图5 路基表面最大沉降量与格栅模量关系图 Fig. 5 Relation between surface settlement of subgrade and geogrid modulus
表3 横坡比与土工格栅弹性模量关系
Table 3 Relation between transverse slope ration and geogrid modulus
计算结果显示，当土工格栅弹性模量由0.5 GPa 增大到1 GPa时，路基表面最大沉降量由10.2 cm降低到6.7 cm，减小了34.3%，横坡比由5.0‰减小到3.3‰。由此可见，当土工格栅弹性模量增加到1 GPa 时，新路基的各项指标已明显改善，但随着模量继续增大，加筋效果的提高将不再明显。由此可见，从技术经济比较分析，土工格栅最佳的弹性模量为1 GPa。
4.2 土工格栅加筋层数对新老路基沉降的影响
取土工格栅弹性模量为1 GPa，加筋层数由2层逐渐增加到4层。路基表面沉降量与格栅层数关系如图6所示，横坡比与格栅层数关系如表4所示。
图6 路基表面沉降与格栅层数关系图 Fig. 6 Relation between surface settlement of subgrade and geogrid layers
表4 横坡比与格栅层数关系
Table 4 Relation between transverse slope ratio and geogrid layers
计算结果显示：当加筋层数由2层增加到3层时，路基表面最大沉降量由6.7 cm降低到4.7 cm，减小了30.9%；横坡比由3.3‰减小到2.3‰，加筋效果明显提高。而加筋层数增加到4层时，加筋效果的提高不再明显。由此可以得出，对本研究工点而言，最佳的加筋层数为3层。
4.3 土工格栅长度对新老路基沉降的影响
以均匀铺设3层土工格栅为例，逐渐减小拉筋长度来模拟加筋长度对路基沉降变形的影响，拉筋布置方式如图7所示。土工格栅长度分别为8m（全铺）、6m和4m（半铺）。
图7 土工格栅长度变化布置图
Fig. 7 Arrangement of geogrid length
图8 路基表面沉降量与土工格栅长度关系图 Fig. 8 Relation between surface settlement of subgrade and geogrid length
路基表面沉降量与土工格栅长度关系如图8所示，横坡比与土工格栅长度关系如表5所示。
模量/GPa
横坡比
0.1 0.5 1 2 老路 2.2‰ 1.7‰ 1.4‰ 1.2‰ 新路13.5‰ 10.4‰ 6.4‰ 5.8‰ 新老路 6.5‰ 5.0‰ 3.3‰ 3.0‰
加筋层数
横坡比
2 3 4 老路 1.4‰ 1.1‰ 1.1‰ 新路 6.4‰ 4.3‰ 4.2‰ 新老路 3.3‰ 2.3‰ 2.2‰
第4期沈立森，等. 高速公路路基加宽土工格栅加筋优化技术研究793
计算结果显示：对于路基表面沉降，土工格栅在全铺、铺设6 m和半铺时，最大沉降量分别为4.6，5.7和7.2 cm，横坡比分别为2.3‰，2.9‰，3.6‰，在3种格栅铺设方式中，格栅全铺时最大沉降量和横坡比最小。因此，选用格栅全铺的方式，效果更优。
表5 横坡比与土工格栅长度关系
Table 5 Relation between transverse slope ratio and geogrid length
综上所述，针对本高速公路改扩建典型路段路基加宽工程，建议选用土工格栅弹性模量为1 GPa，加筋层数为3层，加筋长度为8 m（全铺）的技术方案。经过铺设土工格栅处理后，路基表面最大沉降为 4.6 cm，新老路基横坡比为2.3‰，满足规范要求。
5 结 论
本文结合京港澳高速公路石家庄至磁县（冀豫界）段改扩建项目典型工点进行了高速公路路基加宽土工格栅加筋优化技术研究，得出如下结论：
（1）老路基的中心位置会在新路基的填筑发生“反弹”，路基加宽后老路中心沉降最小，新路基填筑过程中，老路中心沿两侧沉降逐渐增加，在加宽路基路肩边缘附近出现最大值。地表附加水平位移在新路基的重心处分界，在老路坡角附近最大，在老路中心处附加水平位移为零，从分界向外，附加水平位移逐渐增大，到新路重心附近达到最大值。
（2）土工格栅弹性模量越大，加筋效果越好，但是当弹性模量超过1 GPa时，随着数值继续增大，加筋效果变化不再明显。
（3）加筋层数越多，加筋效果越好，加筋3层时效果最佳。
（4）土工格栅加筋长度越长，加筋效果越明显，土工格栅在路基中全铺时，效果最佳。
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横坡比8 m 6 m 4 m 老路 1.1‰ 1.2‰ 1.5‰ 新路 4.3‰ 5.5‰ 7.0‰ 新老路 2.3‰ 2.9‰ 3.6‰