土工格栅在路基工程中的技术分析

摘要：土工格栅等多种土工合成材料目前在各类岩土工程中得到了广泛的应用。本文通过对土工格栅应用于加筋土工程时筋土界面相互作用的试验及有限元分析总结，结合具体的工程实例，得出土工格栅加筋土工程中筋材对提高工程可靠性的影响作用。论述对于高、陡路堤及地震区路基工程，采用土工格栅加筋可有效提高其整体稳定性，并可有效防止路堤边坡的浅层溜坍。

关键词: 土工格栅、路堤、相互作用、稳定性、浅层溜塌

中图分类号：U213.1+1 文献标识码： A

1引言

土工格栅等多种土工合成材料已经在各类岩土工程中得到了广泛的应用。国内外众多学者已经做了不少研究，根据这些研究成果，土工格栅的计算理论和实际应用日益完善。研究表明，不同土体、不同加筋材料、不同布筋方式土体的强度和变形性能也不同，这就带来了土工格栅应用的广泛性和多样性。

目前，土工格栅广泛应用于高、陡路堤边坡加筋以增强路堤的稳定性；应用于地震区路基以增强路基的抗震性能；软土地基处理工程桩顶加筋形成复合地基；铁路工程增建二线帮宽及其他路堤加宽工程的边坡加筋；桥路过渡段加筋以减小差异沉降；加筋土挡墙等各类工程。

准池铁路位于内蒙古中部及山西省北部，

为Ⅰ级双线电气化万吨重载铁路。沿线大面积穿越山前洪风积湿陷性黄土高原区。地表沟壑纵横，路基工程高填、深挖、陡坡路基段落较多。这里结合准池铁路及其他铁路的设计及建设过程，主要讨论土工格栅应用于高、陡路堤及地震区路堤时对路堤稳定性的影响及抵抗边坡浅层溜坍的能力。

2实验研究及计算理论

土工合成材料加筋土工程的计算分析是十分复杂的问题，涉及填料、土工合成材料、地基的相互作用等因素。

实际应用中土工格栅对边坡稳定性影响的计算方法多采用圆弧滑动法或契体滑动法。土工合成材料与土之间的摩擦系数应通过试验确定，当试验条件不具备时，可参照当地经验或有关资料确定。

通过对不同筋带材料、不同土类的加筋土的拉拔试验，可大致得出筋土界面的剪切特性。

拉拔试验可得土工合成材料与土之间的似摩擦系数，由下列公式计算：，式中为似摩擦系数；为筋带被拉动时的最大拉拔力；为筋带埋入土中的面积。在试验过程中，筋带埋入土中的面积保持不变，由此可计算出相应的似摩擦系数值[1]。

由拉拔试验可知：当竖向应力在一定范围内时，筋带的拉拔力随竖向应力的增大而显著增加，但当竖向应力超出一定范围后，其对拉拔力的影响逐渐减弱，直至趋于稳定。在筋带与填料相同的情况下，填料本身的物理状态对筋带的似摩擦系数有显著影响，填料压实度越大，拉拔力越大，似摩擦系数值越高，填料在最佳含水量状态下的似摩擦系数值大于饱和含水量状态下的似摩擦系数值。筋带材料的粗糙度对筋－土界面摩擦特性有较大影响。

利用有限单元法，也可建立土工合成材料拉拔试验模型，分析筋土界面力学行为。有限元分析主要有三种方法：

(1)将土工合成材料单元与土单元分开考虑，土工合成材料单元与土单元之间设接触面单元；

(2)将土工合成材料与土揉为一体，作为复合材料考虑；

(3)将土工合成材料作为外荷载考虑，直接作用在土单元上，仅有土单元。

有限元分析中较多采用第一种方法。

有限元分析结果表明：筋土界面摩阻力并非均匀分布，位于拉拔端附近界面摩阻力有一峰值；对于高强度筋材，随着拉拔端拉伸位移的增大，峰值摩阻力逐渐后移，直至整个界面发生剪切滑动，从而发生拔出破坏；低强度筋材在拉伸荷载的作用下，筋材的影响区域较小，竖向力越大，影响区域越小，承载力低，荷载作用下容易发生拉断破坏；因此，拉伸荷载一定时，筋材的抗拉强度与筋土界面的抗剪需匹配，否则不经济。对于高强度筋材，加筋土结构的承载能力取决于筋土界面的抗剪强度；而低强度筋材，主要取决于筋材的抗拉强度[2]。对于相同填土高度和边坡坡率的路堤工程，不同的铺设位置取得的效果不一样，同等条件下土工格栅铺设在路堤中部靠下的位置可达到最佳效果[3]。

另外，通过对不同筋带材料、不同土类、不同加筋层数的加筋土的三轴实验可得：土样加筋后，在相同应变时能承受的应力随加筋层数的增多而增大；土样的黏聚力和内摩擦角都随加筋层数的增多而增大；不同加筋材料对不同土类的强度提高程度不同，其对强度指标的提高程度，除与加筋材料的特性有关外，还与土体本身的强度特性以及与加筋材料的相互作用有关。

3工程案例

此处以某地震区高路堤为例，来说明土工格栅加筋对路堤稳定性的影响。该工点所处地区地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度8度，地震动反应谱特征周期分区为一区，工点内地基土20m深度范围内的饱和细砂层为地震可液化层。该段路基平均填高12～14m。根据《铁路工程抗震设计规范》（2009年版）[4]，本工点抗震设防类别划分为D类工程，要求路基的稳定安全系数K≥1.1。该段路基工点的地层情况如下表1：

表1 地层主要物理力学指标

岩土名称 岩土状态 层厚(m) 粘聚力Cq 内摩擦角φq 压缩模量ＥS 基本承载力σ0

(kPa) (°) （Mpa) (kPa)

粉质黏土 软塑 2 18 8 4.5 100

细砂 稍密、饱和 15.3 0 32 190

砾砂 中密、饱和 4.3 0 40 400

黏土 硬塑 8.5 30 18 6 140

路堤稳定性检算采用瑞典条分法，考虑地震力时需对液化土层的摩擦力和摩擦角、抗剪强度等力学指标进行折减,折减系数的取值与标贯试验点深度和地基土抗液化指数有关, 其中得=0.63，由规范可得取值为0.33。

计算时地基可液化土层采用折减后的力学指标。经计算可知总的下滑力为1789.6kN，总的抗滑力为1441.9kN，滑动安全系数为0.806

本工程饱和细砂层厚达15.3m，上覆土层为厚2m的软塑状粉质黏土，基底承载力仅100kPa；细砂层以下为砾砂层，透水性较好。因此本工点的加固目标需同时满足消除饱和细砂层的地震液化性，提高地基承载力和加强路基整体抗震稳定性两个方面。

本段路堤采用C组粉质黏土填筑，通过对边坡进行土工格栅加筋，筋材采用TGSG50-50双向土工格栅，上部路堤全断面铺设，其下两侧路堤边坡每边铺设宽度8m，层间距均为0.6m。地基土采用挤密碎石桩加固，桩间距1.5m，桩长12m，梅花形布置。施工完成后于桩顶铺设0.4m厚碎石垫层，并于垫层中间夹铺一层TGDG120以上单向高强土工格栅。经计算可知，路基在考虑地震力时总的下滑力为1792.7kN，总的抗滑力为2182.6kN，滑动安全系数为1.22>1.1，从而能较好地保证路基的抗震稳定性。

由众多实验研究及工程实例可知，于路堤边坡内铺设土工格栅对提高路堤的稳定安全系数有很大作用，并可有效防止路堤边坡滑塌，减小路基两侧不均匀位移，防止路基开裂；同时对地震区路堤抗震性能的提高效果显著[5]。

准池铁路高、陡路堤工程大多位于湿陷性黄土地基上，采用C组砂质黄土填筑。湿陷性黄土地基遇水易产生湿陷，造成路基不均匀下沉；砂质黄土填料具有含水量不易控制，压实困难，填筑的路基边坡易受雨水冲刷，易造成边坡溜塌破坏等特性。

结合理论计算及工程实践，准池铁路设计中高、陡路堤工程多采用土工格栅进行加筋。高路堤边坡采用自地表起每填筑0.6m高，于路堤边坡水平宽3.0m范围内铺设一层TGSG25-25双向土工格栅，同时基床底层内满铺一层TGDG120以上的单向高强土工格栅，且基床以下路堤每填筑3.0m高通铺一层TGDG120以上单向高强土工格栅进行加固。陡坡路堤地段，路堤填筑体为薄条状时，为保证路堤的整体稳定性，路堤自地表起每填筑0.6m高通铺一层或隔两层通铺一层TGSG25-25双向土工格栅。湿陷性黄土地基采用灰土挤密桩加固地段于桩顶铺设0.3m厚二八灰土垫层内夹一层TGDG120以上的单向高强土工格栅形成复合地基，增强路基的整体稳定性，减少地基的不均匀沉降[6]。

4施工注意事项

土工格栅加筋土路堤施工时，首先将地表整平碾压至规定要求，然后分层填筑路堤。铺设土工格栅时，先将碾压密实的填土层平整，格栅铺设应平整，密贴，连接必须牢固，然后在其上填土。为防止护坡工程施工挖槽露出格栅，格栅外端距设计边坡坡面应保持一定的水平距离。平铺土工格栅后，严禁汽车直接行驶在土工格栅上，并要避免过量拉伸。土工格栅尽量避免长时间露天存放或施工暴露过久。

5结束语

通过对土工格栅应用于加筋土工程时筋土界面相互作用的试验及有限元分析总结，结合具体的工程实例，得出了加筋土工程中筋材对提高工程可靠性的影响作用。对于高、陡路堤及地震区路堤工程，采用土工格栅加筋可有效提高其整体稳定性，减少不均匀沉降，并可有效防止路堤边坡的浅层溜坍。

【参考文献】

[1]刘大超，马世洪，张涛.土工拉筋带似摩擦系数试验研究[J].路基工程：2010（2）：118-120.

[2]王仕传，凌建明.土工合成材料与土界面剪切特性数值模拟[J].路基工程：2010（4）：64-66.

[3]于天，冯卫江，邓永锋.加筋路堤稳定性分析[J].路基工程：2008（4）：159-160.

[4]中华人民共和国铁道部.GB 50111-2006 铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009：5-23.

[5]何海清，姚令侃，王建.土工格栅加固高路堤的抗震性能分析[J].路基工程：2010（3）：78-80.

[6]铁道第四勘察设计院.TB 10118-2006 铁路路基土工合成材料应用设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2006：22-23.

作者简介：王兰 （1983.9-），女，江西景德镇,大学本科 土木工程，工程师，研究方向：岩土工程及路基勘察设计