第３０卷第３期 ２０１３年９月 土木工程与管理学报 Ｖｏｌ＿３０ Ｎｏ．３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｅｐ．２０１３ 土工格栅和土工格室处理拓宽路堤沉降 及侧移比较研究 马国栋 ， 吴瑞麟 ， 孙 钊 ， 颜昌清 ， 樊金山 ， 赵静怡 ， 冯 灿 （１．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉４３００７４；２．长沙梅溪湖实业有限公司，湖南武汉４３００５６） 长沙４１０２０５； ３．中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北摘要：土工材料（土工格栅和土工格室）加筋处治是控制拓宽路堤不均匀沉降的常用技术措施。针对实例， 利用有限元仿真分析软件，分别对单层土工格栅和土工格室铺设于路堤不同层位处治情况、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。计算实例拓宽路堤推荐方案：底部２层 格室＋顶部ｌ层格栅。 关键词：拓宽路堤；不均匀沉降；仿真分析；侧向位移；土工格栅；土工格室；经济分析 中图分类号：Ｕ４１６．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－０９８５（２０１３）０３－００３８－０５ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓｗａｙ Ａｂｏｕｔ Ｇｅｏｇｒｉｄ ａｎｄ Ｇｅｏｃｅｌｌ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｗｉｄｅｎｅｄ Ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ＭＡ Ｇｕｏ—ｄｏｎｇ ，ＷＵ Ｒｕｉ—ｌｉｎ ，ＳＵＮ Ｚｈａｏ ，ＹＡＮ Ｃｈａｎｇ—ｑｉｇ ，ＦＡＮ ｎＪｉｎ—ｓｈａｎ ，ＺＨＡＯ Ｊｉｇ一ｎ ，ＦＥＮＧ Ｃａｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｍｅｉｘｉｈｕ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４ １ ０２０５，Ｃｈｉｎａ； ３．ＣＣＣＣ Ｓｅｃｏｎｄ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ Ｃｏ Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ ４３００５６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｄｅｎｉｎｇ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｗｉｔｈ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ｇｅｏｇｒｉｄ ａｎｄ ｇｅｏｃｅｌ１）ｉｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｔａｒｇｅｔｅｄ ａｎ ｉｎｓｔａｎｃｅ，ｔａｋｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒ ｇｅｏｇｆｉｄ ｏｒ ｇｅｏｃｅｌｌ ｌａｉｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ，ｍｅａｎ ｗｈｉｌｅ，ｅｃｏｍｐａｒｅｄ ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒｓ ｇｅｏｇｒｉｄ ｏｒ ｇｅｏｃｅｌｌ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｌａｙｅｒｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ， ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｅｃｏｎｏｍｙ ｏｆ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｗｈｔｈ ｇｅｏｇｒｉｄ ａｎｄ ｇｅｏｃｅｌｌ ｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ：ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｔｈｅ ｇｅｏｃｅｌｌ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｇｅｏｇｒｉｄ；Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｘｉｓｔｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｌａｙｅｒｓ；Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｆｏｒ ｗｉｄｅｎ ｔｈｅ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｓ：２ ｌａｙｅｒｓｇｅｏｃｅｌｌ ｏｎ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ＋１ ｌａｙｅｒ ｇｅｏｇｒｉｄｏｎ ｔｈｅ ｔｏｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｄｅｎｉｎｇ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ；ｕｎｅｖｅｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ； ｇｅｏｇｒｉｄ；ｇｅｏｃｅｌｌ；ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ 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…。国内外 许多学者对其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。本 收稿日期：２０１３－０４—１５修回日期：２０１３－０６—１８ 作者简介：马国栋（１９８４－），男，山西人，硕士研究生，研究方向为道路工程扩建技术（Ｅｍａｉｌ：ｓｈｕｎ５２１０＠ｑｑ．ｃｏｍ） 第３期 马国栋等：土工格栅和土工格室处理拓宽路堤沉降及侧移比较研究 ‘３９・ 文就是在这种背景下展开研究的，期望为实际工 衔接，由上至下，沿老路堤边坡开挖高、宽各１ ｍ 程方案优化提供一定的理论依据。 的拼接台阶，分别编号为台阶４、台阶３、台阶２、 台阶１和路堤底面（图１），格栅、格式锚固长度均 按１ ｍ考虑。根据地质勘测报告，采用相对不利 １ 土工格栅（格室）控制沉降有限元 分析 １．１建模及计算参数 鉴于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，本文将采用二维有限元 地质条件进行分析计算。具体参数选用情况见表 １＿６ Ｊ，建模分析见图２，沉降及侧移均为工后终值。 ＴＥＰ＝Ｉ Ｉ７１Ｙ ｕＹ（ｈｖｏ） 方法，对半幅路堤进行仿真分析。 假设土体为弹塑性材料，运用Ｄ－Ｐ模型、 Ｐ￣ＮＥ８２单元。研究对象计算模型取自“京港澳 高速公路涿州（京冀界）至石家庄段改扩建工程” 拓宽路堤典型断面：（１）老路堤半幅宽１３ ｍ，拓宽 后为２１ ｍ，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。根据经验， 枷 ㈣盘 １３ ‰３２４ 图２半幅横断面建模分析 表１计算参数 类别蟹 ） 泊 老路堤 ５ 新路堤 ５ 地基 １０ ２０ ２０ ２０ ５０ ３０ ６ ０．３ ０．３ ０．３ ３０ ２５ ２０ 粘聚（ｋＰ加ａ） ２５ ２０ １５ 计算模型基础深度取１０ ｍ，计算宽度取５０ ｍ；设 置四个计算分析观察特征点，分别是路堤顶面中 心Ｐ１、路堤顶面拼接点Ｐ２、拓宽后路堤顶面边缘 点Ｐ３以及拓宽后路堤坡脚点Ｐ４（图１）。 土工格栅０．Ｏ１ ２０ ２ＯＯＯ ０．２５ 土工格室０．１５ ２０ ２ＯＯＯＯ ０．１５ 一 一 一 一 同时，为了保证新老路堤接触面具有良好的 １．２单层土工格栅（格室）铺于不同层位时路基 顶面各点的沉降 Ｉ 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 工材料的抗拉性能。为了验证并比较两种土工材 料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，计算结果详见表２，直观分析图 图１建模几何尺寸／ｍ 参见图３～６。 表２单层土工格栅（格室）铺设于不同层位时路基顶面各点的沉降 注：（１） 分别为在相应层位铺设土工格栅后Ｐ 的沉降， Ｉ贝０为铺设土工格室后Ｐ 的沉降；正值为隆起，负值为下降；（２） 为铺 设土工格栅后的最大差异沉降，ｚｚ为铺设土工格室后的最大差异沉降。 分析表２和图３～６可知，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（ 一 或ｌ，３ 一 ）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。 图３格栅不同层位时各点沉降 ・４０・ 土木工程与管理学报 ２０１３往 图４格室不同层位时各点沉降 图７格栅层数不同顶面关键点沉降 图５格栅不同层位时最大差异沉降 ｆ－ ＿ｉ－－一 无土工格栅路基底面 台阶１ 台阶２ 台阶３ 台阶４ 图８格室层数不同顶面关键点沉降 加 ∞ ８ ８ ８ ８ ８ ７ ７ ７ ７ ７ 鲫 图６格室不ｌ司层时最大差异沉降 １．３铺设多层土工格栅（格室）路基顶面各点的 沉降 Ｉ ■■ ｌ层 ２层 ３层 ４层 ５层 图９格栅层数不同最大差异沉降 从上面的分析可知，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 差 ●■■■ ■■■■■一 ■■■■■■●■■■■■■■Ｉ 降低。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。计 算结果见表３，直观分析如图７—１０。 ｌ¨ － 一 Ｉ １层 ２层 ■ ＿ ■ ３层４层 ５层 图１０格室层数不同最大差异沉降 表３多层土工格栅（格室）铺设层数不同时路基顶面关键点沉降 注：（１） 分别为铺设土工格栅后Ｐ 的沉降，Ｙｉ 则为铺设土工格室后Ｐ 的沉降；正值为隆起，负值为下降；（２）ｚｌ为铺设土工格栅 后的最大差异沉降，ｚ２为铺设土工格室后的最大差异沉降。 分析表３和图７一图ｌ０可知，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 模型特例，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 。也就是说，从控制沉降的角度来看，就本 文计算模型尺寸而言，２层加筋是一个技术经济 的相对最佳的层数，或称性价比最佳的层数。 工程效果仍然是土工格栅的２倍。对于本文计算 第３期 马国栋等：土工格栅和土工格室处理拓宽路堤沉降及侧移比较研究 －４１・ 铺设土工格室侧向位移比不设可减小１０％。 ２ 土工格栅（格室）控制侧向位移有 总的来看，铺设土工材料后相对于不铺设时， 限元分析 新老路堤拼接后在拼接缝处的开裂，可以看 做是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，在上述沉降计算 分析的同时，本文还计算了侧向位移的变化情况， 分析如下。 ２．１单层土工格栅（格室）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计算结果 见表４，直观分析图则详图１１、图１２。 表４单层土工格栅（格室）铺于不同层位时 各点的侧向位移量 铺设层位＿ — — 壁 ｌ＿＿可 无土工材料０．Ｏ０ ０．００ １．９０ １．９０ ０．６３ ０．６３ １．２３ １．２３ 路堤底面０．Ｏ０ ０．Ｏ０ １．８６ １．８７ ０．５４ ０．４１ １．０２ ０．３４ 台阶１ ０．Ｏ０ ０．００ １．８９ １．８７ ０．６２ ０．５５ １．１４ ０．９４ 台阶２ ０．Ｏ０ ０．Ｏ０ １．８９ １．８８ ０．６２ ０．６０ １．２１ １．１８ 台阶３ ０．Ｏ０ ０．Ｏ０ １．８８ １．８５ ０．６２ ０．７２ １．２５ １．３０ 台阶４ ０．００ ０．００ １．８７ １．７１ ０．７１ １．０８ １．２５ １．３０ 注：（１）Ｘ 分别为相应层位铺设土工格栅后Ｐｆ的侧向位移； Ｘｆ 则为铺设土工格室后Ｐ 的侧向位移；（２）侧向位移以向路基 外方向为正，向路基中心线方向为负。 图１１格栅不同层位顶面各点侧向位移 图１２格室不ｌ司层位顶面各点侧向位移 分析表４和图１１、图１２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 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，人们对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（即观察点Ｐ２）侧向位移的角度来看，土工格 室仍然明显优于土工格栅。 ２．２多层土工格栅（格室）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。计算结果 见表５，直观分析图如图１３、图１４。 表５多层土工格栅（格室）铺设层数不同时 各点的侧向位移量 注：（１）ｘ 分别为铺设土工格栅后Ｐ 的侧向位移； 则为铺 设土工格室后Ｐ 的侧向位移；（２）以向路基外方向为正，向路基 中心线方向为负。 １ ２ ３ ４ 图１３格栅层数不同顶面各点侧向位移 １ ２ ３ ４ 图１４格室层数不同顶面各点侧向位移 ・４２・ 土木工程与管理学报 ２０１３年 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。而 多层土工格室的铺设则效果要明显得多。 表７土工材料控制侧移效果比较 沉 降 最 大 ３技术经济分析 ３．１技术分析 ｌ’一一一 绎 ０ ７ ６ ８ ６ 注： 为点Ｐ 的侧移。 由上述计算分析结果可知，在基底及接近底 部铺设３层土工格栅或２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 ３．２经济分析 作为示例，取“京港澳高速公路涿州（京冀 界）至石家庄段改扩建工程”项目１００ １３１路段进 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一处治 后最大差异沉降）／处治前最大差异沉降 Ｊ，比较 情况如表６所示；两种处治方式的侧向位移效果 基本一致，见表７比较情况。 表６土工材料控制沉降效果比较 行经济分析。为加快排水固结，所有方案均在路 堤底部铺设砂砾垫层，厚度为４０ ｃｍ，计算土石方 运距取１ ｋｍ。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，本文在经济分 析中专门设定“沉降控制经济指标”＝（控制技术 型 控制技术 不处理土工格栅 土工格室 （下部３层）（下部２层） ０．１８ —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，示例比较结果见表８、表９。 由此可知，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。 ０．１２ —４．２０ ４．１６ —８．１８ ——７．９２ ３．５８ ３．０６ ８．３６ —８．０４ 差异沉降控制率／％注： 为点Ｐ 的沉降。 ０ 表８ 土工格栅的工程费用及沉降控制经济指标分析 层数存在一个最佳值，与路堤高度有关。 ４ 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 对于本文特例而言，综合比较后，推荐方案 为：底部两层格室＋顶部一层格栅。 参考文献 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。 ［１］ 余海洋．拓宽路堤不均匀沉降仿真分析研究［Ｄ］． 武汉：华中科技大学，２００７． ［２］ 周志刚，郑健龙，李强．土工格网处理填挖交界路 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