土工格室技术参数对绿洲区公路路基承载特性的影响

Influence of Geocell Technical Parameters on Bearing Characteristics of Highway Subgrades in Oasis Areas

摘要

为研究土工格室规格及铺设形式等技术参数对绿洲漫灌区公路土基承载能力及变形的影响，该文通过大型直剪试验，研究了素土和不同规格土工格室加筋层的剪切性状；基于室内压缩试验和现场载荷试验，标定不同地基土层的变形模量等数值模拟相关参数；采用\mathrm{F}\mathrm{L}\mathrm{A}{\mathrm{C}}^{\mathrm{3}\mathrm{D}}建立土工格室加筋公路路基数值模型，系统分析土工格室规格及铺设形式对路基竖向沉降、坡脚位移及加筋层下方竖向应力的影响。结果表明：不同规格土工格室均可有效降低地基沉降，40 cm焊距土工格室加固效果优于80 cm焊距土工格室，且加固效果随着土工格室层数的增加而增强。土工格室处理前后，坡脚水平位移沿深度方向变化趋势一致，两者的最大值均出现在2 m深度左右，其后逐步衰减，至6 m处趋于相同，土工格室的影响深度可达4~5 m。不同规格土工格室加固路基后，由于边界条件的影响，土工格室受力后产生挠曲变形，呈现出与地基表面沉降相似的性状。此外，由于土工格室加筋层具有较大的抗变形性能，产生应力扩散效应，降低地基内部的竖向应力。根据大型直剪试验、室内压缩试验和数值计算结果可知，采用土工格室加砾类土换填可有效提高换填材料的强度和模量参数，减小路基变形。一方面减少了公路建设单位的施工量，进而大大降低了因施工产生的碳排放；另一方面减少了高等级公路建设给绿洲‒荒漠区沿线生态环境造成的危害，节约了土地资源。该研究结果可为土工格室在绿洲区公路工程中的应用和理论研究提供一定参考。

Abstract

To study the effects of technical parameters, such as geocell specifications and laying types, on the bearing capacity and deformation of highway subgrades in oasis flood irrigation areas, the shear properties of plain soil and geocell-reinforced layers with different specifications were studied through large-scale direct shear tests. Based on indoor compression tests and field load tests, numerical simulation parameters, such as the deformation modulus of different foundation soil layers, were calibrated. A numerical model of the geocell-reinforced highway subgrade was established using, and the effects of geocell specifications and laying types on the vertical settlement of the subgrade, the displacement of the slope toe, and the vertical stress under the reinforced layer were systematically analyzed. The results show that geocells with different specifications can effectively reduce foundation settlement. The reinforcement effect of the geocell with a welding spacing of 40 cm is superior to that of the geocell with a welding spacing of 80 cm, and the reinforcement effect is enhanced with the increase in the number of geocell layers. Before and after the geocell treatment, the variation trend of the horizontal displacement of the slope toe along the depth direction is consistent. The maximum values of both appear at a depth of about 2 m, then gradually decay, and tend to be identical at 6 m, with the influence depth of the geocell reaching 4‒5 m. After the subgrade is reinforced by geocells with different specifications, due to the influence of boundary conditions, the geocells undergo flexural deformation after being stressed, exhibiting characteristics similar to the settlement of the foundation surface. At the same time, due to the substantial anti-deformation performance of the geocell-reinforced layer, a stress diffusion effect is generated, which reduces the vertical stress inside the foundation. According to the results of the large-scale direct shear tests, the indoor compression tests, and the numerical calculations, replacing the soil with a mixture of geocells and gravelly soil can effectively improve the strength and modulus parameters of the replacement materials and reduce the subgrade deformation. On the one hand, the construction volume of highway construction units is reduced, which greatly reduces the carbon emissions caused by construction; on the other hand, the harm caused by the construction of high-grade highways to the ecological environment along the oasis-desert areas is reduced, and land resources are saved. The research results can provide a certain reference for the application and theoretical research of geocells in highway engineering in oasis areas.

Graphical abstract

关键词

土工格室 / 格室类型 / 大型直剪试验 / 现场载荷试验 / 变形模量

Key words

geocell / geocell type / large-scale direct shear test / field load test / deformation modulus

0 引言

为了减少高等级公路建设给绿洲‒荒漠区沿线生态环境造成的危害，提高环境保护及节能减排能力，节约土地资源，高速公路建设的绿色低碳建造技术越来越受到研究人员的重视。

有关土工格室地基处理，国内学者进行了大量的研究。陈炳初^［1］以理论分析结合有限元数值模拟及室内模型试验为手段，对土工格室结构体系开展研究，验证了土工格室低路堤‒刚性路面结构体系的可行性；杨晓华等^［2-4］通过系统的室内试验、理论分析、有限元仿真计算以及工程实例分析，全面系统地研究了土工格室的材料特性和具体的工程应用特性，对土工格室加固软弱地基的稳定性分析提出了一套适用方法；晏长根等^［5］采用微型土工格室进行了加筋黄土及重塑黄土的三轴剪切试验，得到了加筋黄土及重塑黄土的应力‒应变曲线和抗剪强度指标，明确了其剪切性能和应力‒应变特性；杨利^［6］通过常规三轴试验，对普通粗粒土和土工格室加筋粗粒土后的力学特性以及土工格室的破坏情况进行了研究；孙州等^［7］通过对纯砂土路堤和土工格室加筋路堤进行模型试验，研究了在竖向荷载下土工格室的应变变化规律和土工格室加筋路堤的破坏形式；Leshchinsky等^［8］在静载和循环荷载两种工况下，通过室内模型试验模拟单层、双层土工格室加筋路堤的应力应变情况；Nair等^［9］通过对土工格室加筋砾类土进行静三轴和循环动三轴试验，分析其强度和刚度特性；左政等^［10］通过对5种不同规格的土工格室开展室内直剪试验，研究了条带高度、结点间距及法向应力对土工格室加筋砂砾土的剪切力学特性的影响；邱毅等^［11］采用FLAC^3D软件，基于摩尔‒库仑模型，对比了土工格栅和土工格室加筋位置对路基沉降和竖向应力分布的影响，分析了其作用机理，并提出了土工格栅‒土工格室组合施工方案；焦文慧等^［12］通过室内模型试验和有限元模拟等方法，对比了加筋土工格室、土工格栅和废弃轮胎对路堤承载特性的影响。

综上所述，目前关于土工格室技术应用于绿洲‒荒漠地带漫灌区这类有明确占地面积限制和环保要求的地基加固措施研究相对较少。鉴于此，该文以G217线库车至沙雅段为依托工程，通过室内模拟试验、现场载荷试验、数值计算等方法，研究了土工格室规格和铺设形式对漫灌区公路路基稳定性及变形的影响，以明确土工格室加固漫灌区地基的合理技术参数，可为类似工程的设计、施工提供技术参考。

1 工程概况及材料工程特性

1.1 工程概况

依托G217库车至沙雅段高速公路建设项目，设置了2个试验段（K39+480~K39+780、K56+444~K56+700），根据地勘报告及现场调研，各试验段的地基土类型如表1所示。

试验段地处冲积平原，地势较平坦开阔，现状为农田灌溉区，地基土第一层以粉土、粉质黏土为主，局部表层为粉砂，厚度0.6~3.5 m，土黄色，稍密，潮湿‒饱和；第二层以粉质黏土、粉土为主，揭示厚度 0.7~1.2 m，土黄色、灰黑色，饱和，软塑；第三层以粉细砂、粉土和粉质黏土为主。地下水位埋深0.3~3.0 m，该段发育软弱土，工程地质条件差。试验段中心路堤最大填方高度为5.97 m。

1.2 材料工程特性

试验所用土工格室的基本物理力学检测标准及检测方法汇总如表2所示^［13］。

1.3 土工格室结构层剪切性状

为了明确土工格室+砾类土结构层的强度特征，采用大型剪切试验装置进行强度试验^{［14‑15］}，试验装置如图1所示。大型剪切试验原理与室内剪切试验一致，采用特制的2个剪切盒，在固定上剪切盒后，施加竖向垂直压力，并对下面的剪切盒进行水平剪切。格室规格为两种：200 mm×400 mm、200 mm×800 mm。所用填料为现场的砾类土，基本物理力学指标见表3，试验方案见表4。

大型直剪试验结果如表5所示。由试验结果可知：土工格室结构层加筋后，砾类土的黏聚力和内摩擦角都有所提升，内摩擦角提升轻微，但黏聚力提高幅度明显。400 mm焊距的格室加筋效果略优于800 mm焊距的格室。

土工格室结构层加筋对砾类土抗剪强度的提升有显著作用，具体体现在黏聚力的提升，对内摩擦角提升相对较小。

1.4 土工格室结构层承载特性

为了明确土工格室加筋砾类土结构层的变形模量和回弹模量，根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）^［16］的规定，开展了室内载荷板承压试验。根据试验目的，设计了3种工况下的压缩试验，格室中填料的压实度要求不低于93%，按击实试验得到的最大干密度和最佳含水率压实，具体试验内容如表6所示。

试验在长宽高均为1.5 m的模型箱中进行，试验装置见图2。

试验加载通过千斤顶、轮辐式称重传感器和读数仪控制，保持千斤顶和传感器的轴线位置始终位于承压板的中央，承压板的沉降采用通过架在基准梁上的百分表量测，最终计算得到无格室砾类土层和两种规格土工格室加筋砾类土层的变形模量和回弹模量，结果见表7。

2 现场载荷试验

2.1 试验方案

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）^［17］，依据现场试验条件和路堤填筑高度，并借鉴贝克曼梁法，确定载荷试验方法，其中圆形荷载板直径为0.5 m，厚度为30 mm。分别对K39+480~K39+780和K56+444~K56+700试验段原地基进行现场载荷试验，试验装置如图3所示。

2.2 现场载荷试验结果

通过现场载荷试验得到K56试验段和K39试验段原地基载荷试验的试验数据，如图4所示。

由图4可知：K56试验段天然状态时在50 kPa的荷载作用下，坑底沉降量为6.84 mm，变形模量为2.45 MPa。极限荷载为150 kPa，地基承载力特征值为75 kPa。K39试验段地基天然状态时在100 kPa的荷载作用下，坑底沉降量为5.78 mm，变形模量为5.81 MPa。极限荷载为350 kPa，地基承载力特征值为175 kPa。

3 数值模拟

3.1 本构模型及参数选取

数值计算采用\mathrm{F}\mathrm{L}\mathrm{A}{\mathrm{C}}^{\mathrm{3}\mathrm{D}}软件，K56试验段和K39试验段分别使用800 mm焊距土工格室和400 mm焊距土工格室进行了地基处理。在后续数值模拟计算中，路堤填土赋予弹性本构模型，地基粉质黏土层和中密‒密实砂土层赋予摩尔库仑本构模型。为了简化土工格室与填土接触面及边界条件的设置，将土工格室及其内部的砾类填土视作复合体，本构模型采用摩尔库仑弹塑性模型。模型两侧设置水平方向约束，底部设置水平和竖向约束^［18-20］。由室内试验、现场试验及勘察报告可得计算参数如表8、表9所示。

两个试验段的路基模型的高度均为6 m，地层分布设计如图5所示。通过数值模拟，得到不同工况下的路基沉降特征如表10和图6所示。

3.2 计算结果及分析

由表10和图6可知：不对地基做任何加固处理，路堤高度6 m，填筑完成后，对于不同岩土体物理参数的地基模型，其沉降变形最大可达27.2 cm和29.8 cm，最大沉降点位于路基中线下方；最小沉降点位于路堤边缘下，沉降变形约为3.1 cm和3.3 cm；采用1层土工格室对地基土进行加固后，路堤填筑完成后的地基最大沉降变形量降至24.5 cm和26.7 cm，最大沉降值出现的位置依然在路基中线下方；最小沉降点位于路堤边缘下，沉降约为2.9 cm和3.1 cm；采用2层土工格室对地基土进行加固后，路堤填筑完成后的地基最大沉降变形量降至22.2 cm和24.5 cm，最大沉降值出现的位置依然在路基中线下方；最小沉降点位于路堤边缘下，沉降约为2.6 cm和2.8 cm；采用3层土工格室对地基土进行加固后，路堤填筑完成后地基的最大沉降变形量降至20.4 cm和22.5 cm，最大沉降值出现的位置依然在路基中线下方。最小沉降点位于路堤边缘下，沉降约为2.4 cm和2.5 cm。

经过土工格室加筋层加固后的地基，在路堤填筑期间，整体沉降值均有所减小，土工格室加筋层对路堤下任一点的加固规律都与坐标原点处相同。另外每种工况下都表现出：随着测点距坐标原点的距离增加，沉降变形越来越小。此外，随着距离路基中线水平距离的增加，地基土层的沉降量发生下降，且下降率逐渐增大。对地基土加固越不充分，这种下降率越大，因而地基沉降对比曲线表现出“左疏右密的特点”。也就是说，经土工格室加筋层加固后，距离路基中线越近的点对沉降变形越敏感，减小的沉降量越多，这与现有研究成果一致^［20］。

采用不同焊距及加筋层数土工格室处理后地基坡脚水平位移如图7所示。由图7可知：采用土工格室处理粉质黏土湿软地基时，不同层数土工格室对应最终水平位移都小于处理前时的水平位移。土工格室处理前后坡脚水平位移沿深度方向变化趋势一致，两者的最大值都出现在2 m深度左右，其后逐步衰减，深度为4~5 m时，各工况下对应水平位移还有一点差距，至6 m深度时趋于相同，说明土工格室的影响深度可达4~5 m；从水平位移值可以发现：土工格室加筋层能有效减小坡脚处的水平向位移。

图8为土工格室加筋层底面竖向应力分布曲线，从图8可以发现：土工格室加筋层加固后地基中竖向应力均有所下降，分布也比较均匀，最大值和最小值的差值远小于未经处理时的情况。因受边界条件的影响，土工格室处理后路基中线下应力出现突变，从第二点开始，应力值变化较均匀。这是由于土工格室受力后产生挠曲变形，呈现出与地基表面沉降相似的性状，降低了路基中线附近的竖向应力，并由于土工格室加筋层较大的抗变形性能而产生应力扩散，使得路基底面竖向应力分布更加均匀。

4 结论

基于大型直剪试验、室内压缩试验和现场载荷试验，采用数值模拟，定性定量研究了土工格室规格及铺设形式对绿洲区路基工程的影响规律。得出以下结论：

（1） 土工格室结构层加筋对砾类土抗剪强度的提升有显著作用，具体体现在黏聚力的提升，对内摩擦角提升相对较小。同时，砾类土经土工格室加固后，其变形模量可以增大24.5%~27.8%，回弹模量可以增大13.6%~14.2%。

（2） 相对于直接在原地基上修筑路堤产生的沉降，采用1层800 mm或400 mm焊炬的土工格室加固地基产生的最大沉降量的减小率为7.0%~9.9%，2层土工格室加固地基产生最大沉降量的减小率为17.8%~18.3%，3层土工格室加固地基产生最大沉降量的减小率为24.5%~25.0%。400 mm焊距土工格室相较800 mm焊距土工格室加固地基的效果可提升0.5%~2.9%。

（3） 不同规格土工格室处理前后地基坡脚水平位移沿深度方向变化趋势一致，两者的最大值都出现在2 m深度左右，其后逐步衰减，土工格室的影响深度可达4~5 m，至6 m左右趋于相同。

（4） 不同规格土工格室加固后，由于边界条件的影响，土工格室受力后产生挠曲变形，并由于土工格室加筋层较大的抗变形性能而产生应力扩散，地基加筋层下方竖向应力均有所下降，呈现出与地基表面沉降相似的性状。

（5） 根据大型直剪试验、室内压缩试验和数值计算结果可知，采用土工格室加砾类土换填可以有效提高换填材料的强度和模量参数，减小路基变形。利用土工格室换填处理软基，一方面减少了公路建设单位的施工量，进而大大降低了因施工产生的碳排放^［21］；另一方面由于土工格室加筋层对公路路基坡脚位移的限制及对路基下方竖向应力的削弱作用，减小了公路路基变形和应力的影响范围，降低了高等级公路建设给绿洲‒荒漠区沿线生态环境造成的危害，节约了土地资源。

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基金资助

新疆交投建设管理有限责任公司科研项目(KSGSGCJS-23-ZXFWHT-001)