摘要：随着经济建设的飞速发展，一些原有公路已不能满足现有交通需要。在旧路拓宽改建过程中，新老路基的不均匀沉降问题一直困扰着公路工程技术人员，本文分别对单层土工格栅和土工格室铺设于路堤不同层位、多层土工格栅和土工格室采用不同层数、不同层位处治情况进行比较分析，研究土工格栅和土工格室加筋方案对控制路堤沉降及侧向位移控制效果及技术经济性。结果表明：在同等技术要求条件下土工格室明显优于土工格栅；多层处治存在性价比最佳层数；控制沉降和侧向位移土工材料所处最佳层位不同。
关键词：不均匀沉降；仿真分析；侧向位移
高速公路拓宽路堤不均匀沉降及侧向位移是扩建工程可能产生的主要病害之一，对控制措施做了大量研究，其中最为常用的控制措施是铺设土工格栅和土工格室。但是，在同等条件下，土工格栅、土工格室及二者综合处理的效果及经济效益比较研究则不多见，而实际工程则提出了进一步优化高速公路拓宽路堤拼接设计、提高拼接质量的要求。
一、土工材料控制沉降分析
1、基本参数。公路工程带状实体结构的纵向对称以及横断面轴向对称的特点，将对半幅路堤进行研究分析。
研究对象取自某高速公路改扩建工程”拓宽路堤典型断面：（1）老路堤半幅宽13m，拓宽后为21m，两侧对称拓宽；（2）依据现状情况，路堤计算高度取5 m，边坡采用1∶1.5并在试验段落设置四个分析观察特征点，分别是拼宽段路堤顶面中心P1、路堤拼接部位顶面拼接点P2、拼宽段路堤顶面边缘点P3 以及拼宽段路堤坡脚点P4。
同时，为增加新旧路基的整体协调性，避免或减少横向错台和纵向裂缝的发生，在加快填筑路基前，先对老路基边坡进行30cm-50cm（垂直于坡面方向）的清坡处理，开挖台阶。根据地质和土质情况，台阶高度不宜太大，坡脚处第一级台阶按宽200cm、高133.3cm开挖外，上部台阶高度调整宽为100cm，高位66.7cm，开挖后及时进行拼接填筑，自下而上开挖一级及时填筑一级。开挖拼接至路床底面的台阶时，根据路基填高确定其台阶高度和宽度，台阶面距离路床顶面小于220cm时，路床部位120cm作为单独台阶开挖，其余小于100cm作为一个台阶开挖回填；台阶面距离路床顶面大于220cm时，路床部位120cm作为单独台阶开挖，其余大于100cm部分应分为66.7cm和≥33.3cm两个台阶高度开挖回填。
2、土工材料铺于不同层位时路基顶面各点的沉降。
土工材料要能起到好的沉降控制作用，理论上应铺设在路堤底层，这样可以最大限度发挥土工材料的索土抗拉性能。为了验证并比较两种土工材料（土工格室、土工格栅）铺于不同层位的效果，将单层土工格栅或格室铺设于路堤底面及其他层面后，分别计算观察特征点的沉降情况，土工合成材料铺设位置越接近路基底面，控制新老路基绝对沉降和最大差异沉降（Y3-Y1或Y3-Y1）的效果就越好，反之则越差。其中，土工格栅铺于路堤底层时最大差异沉降比无土工材料减少了3.3%，土工格室铺设后则减少了6.5%，其效果是土工格栅的2倍。而当二者分别铺于较上层位时，则控制差异沉降的作用不明显。整体上看，土工格室控制沉降的效果要优于土工格栅。
3、铺设多层土工材料路基顶面各点的沉降。土工材料控制沉降的效果，其单层铺设层位从路堤底面至路堤顶面逐步降低。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为分析和比较多层铺设的效果，则从路堤底面开始，逐层向上铺设土工格栅或格室，每一级台阶处布置一层，路堤底面开始为1 层，台阶1 铺设后为2 层，台阶2 铺设后为3 层，以此类推。随着铺设层数的增加，新老路基不均匀沉降随之减小，其中，铺设两层土工格栅后最大差异沉降比无土工材料减少3.9%，铺设两层土工格室时最大差异沉降比无土工材料减少了7.8%。可以看出土工格室的工程效果仍然是土工格栅的2 倍。当土工格栅或土工格室铺设3 层及以上时对控制总沉降和差异沉降的贡献率并不大。
二、土工材料控制侧向位移分析
新老路堤拼接后在拼接缝处的开裂，拓宽路堤不均匀沉降和拓宽土体侧向位移叠加所致。因此，侧向位移也是导致拼接缝裂隙可能扩张的主要原因之一。为此，在沉降分析的同时，还分析了侧向位移的变化情况，分析如下。
1、单层土工格栅铺于不同层位时路基顶面各点的侧向位移。将单层土工格栅或格室分别铺置于路基底面及其他层面后，各特征点位的侧向位移监控可知，单层格栅铺设层位减小观察点侧移效果的优劣次序是，越靠近路堤顶面越好。单层土工格室则不一定，视观察点的不同而有所不同，就观察点P2 而言，与土工格栅正好相反，即铺设层越靠近路堤底部越好，减少侧移的效果越显著，靠近路基顶面的台阶4 处铺设土工格室侧向位移比不设可减小10%。总的来看，铺设土工材料后相对于不铺设时，对P3、P4 点侧向位移的减小比较显著。比如，在路堤底层铺设格栅，P2 点侧向位移比不设只减小2%，P3 点则减少了14．3%，P4 点侧向位移减少了17.1%；而铺设格室，P2 点侧向位移比不设只减小1．6%，P3 点侧向位移则减少了34.9%，P4点侧向位移则减少了72．4%。但是，就工程而言，对P2 点的侧向位移会更关注，因为它将直接影响拼接缝开裂张开的程度。仅从控制拼接缝处侧向位移的角度来看，土工格室仍然明显优于土工格栅。
2、多层土工格栅路基顶面各点的侧向位移与控制沉降分析类似，为分析和比较多层土工材料铺设后侧向位移的控制效果，从路堤底面开始，逐层向上铺设土工格栅或格室，每一级台阶布置一层，路堤底面开始为1 层，台阶1 铺设后为2 层，台阶2 铺设后为3 层，以此类推。分析可知，对于新老路堤拼接点P2 来说，多层土工格栅的铺设，可以从一定程度上减小其侧向位移，但是随着层数的增加，效果改变不大。
三、技术经济分析
1、技术分析。由分析结果可知，在基底及接近底部铺设2 层土工格栅或1 层土工格室的处治情况基本等效：经过土工格栅和土工格室处治后的差异沉降控制率分别为21.80% 和24．79%，其中，差异沉降控制率=（处治前最大差异沉降－处治后最大差异沉降）/处治前最大差异沉降，比较情况两种处治方式的侧向位移效果基本一致。
2、经济分析。作为示例，取该高速公路改扩建工程”项目100m 路段进行经济分析。鉴于高速公路扩建工程对新老路堤特别设置了差异沉降控制指标，在经济分析中专门设定“沉降控制经济指标”=（控制技术总造价/差异沉降控制率），以此比较不同技术方案的经济状况可知，虽然单位面积土工格室的造价高于土工格栅，但“沉降控制经济指标”则明显优于土工格栅。以此，实际工工程当中，可以优先考虑使用土工格室来控制拓宽路基不均匀沉降。
结论
（1）土工格栅和土工格室的铺设均可部分控制拓宽路堤不均匀沉降及侧向位移，技术经济综合比较，土工格室优于土工格栅。
（2）土工格栅和土工格室的铺设层位越靠近路堤底部，控制沉降的效果越好。但控制侧向位移时，则是越靠近顶面效果越好。
（3）多层加筋比单层加筋效果要好，但加筋层数存在一个最佳值，与路堤高度有关。对于本文特例而言，综合比较后，推荐方案为：底部一层格室+顶部两层格栅。
参考文献
［1］俞建霖，曾开华，龚晓南．高速公路拓宽改造工程路基拼接技术应用综述［J］．现代交通技术，2015（6）20．
［2］宇云飞，张文彤．杭甬高速公路拓宽工程理论分析及监测［J］．岩土工程学报，2014，26（6）：60．
［3］马军霞，张能奎． 高速公路软土路基拓宽粉喷桩处治方案分析与验证［J］． 岩土工程学报，2013，27（2）：15．
论文作者:邵庆双
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/28
标签：土工论文; 路堤论文; 格栅论文; 位移论文; 路基论文; 台阶论文; 效果论文; 《建筑学研究前沿》2018年第18期论文;