蜘蛛网仿生地格栅的3D打印与实验室测试：道路车辙减损新策略

针对传统双向/三轴地格栅(geogrids)在日益增长的交通负荷下性能不足的问题，研究人员通过3D打印技术开发了蜘蛛网仿生Y型地格栅(Y80_L)。实验室测试表明，新型地格栅虽未显著改善表面车辙(rutting)，但能将交通荷载分布范围扩大10%，为软弱地基(CBR<1%)道路加固提供了新思路。研究结合3D扫描和微型道路循环加载系统，为地格栅优化设计提供了创新方法。

　　

道路车辙作为永久性路面变形，长期困扰交通基础设施的耐久性。随着交通负荷持续增加，传统双向(biaxial)和三轴(triaxial)地格栅已难以满足需求。针对这一挑战，研究人员通过仿生学方法，从蜘蛛网次级框架("Y"结构)中获取灵感，利用3D打印技术开发了新型仿生地格栅，并在《Biogeotechnics》发表了创新性研究成果。

研究团队采用实验室尺度双层道路模型（含软弱红黏土路基，CBR_0.2in=0.76%），通过微型循环加载系统模拟交通负荷，结合3D扫描和力传感器监测技术，系统评估了传统三轴地格栅(Tr80)与仿生Y型地格栅(Y80_L)的性能差异。关键技术包括：1）基于Prusa i3打印机的聚丙烯(PP)地格栅快速成型；2）集成Arduino控制系统的循环加载装置（接触压力475kPa）；3）EinScan Pro HD手持扫描仪实现亚毫米级变形捕捉；4）FlexiForce传感器网络测量路基应力分布。

【BIO-INSPIRED GEOGRID DESIGN】
研究发现蜘蛛网次级框架能提升40倍能量吸收能力。据此设计的Y80_L地格栅在保持与传统Tr80相同肋间距(20.32mm)、深度(1.3mm)和宽度(0.9mm)基础上，每个单元增加6条次级肋条，形成类蜘蛛网荷载传递网络。

【RUTTING PERFORMANCE TESTING】
在软弱路基条件下，两种地格栅均减少约20%车辙深度（总车辙从0.62英寸降至0.47-0.50英寸）。LVDT数据显示二者表面变形趋势相似，但3D扫描揭示Y80_L使路基荷载分布宽度从3.32英寸增至3.70英寸，验证了蜘蛛网结构的荷载扩散优势。

【CONCLUSIONS】
研究证实仿生设计能优化地格栅的应力分布特性。虽然当前软弱路基条件限制了表面车辙改善效果，但Y80_L展现的"应力扩散效应"为未来地格栅开发指明方向。该研究首次将3D打印与生物力学原理结合应用于岩土工程材料创新，其采用的数字化变形分析技术为道路工程监测提供了新范式。

【FUTURE WORK】
作者建议后续研究应关注：1）较高CBR(≥5%)路基条件下的性能验证；2）PLA、TPU等不同3D打印材料的协同优化；3）蜘蛛丝材料-结构协同机制的工程转化。这些发现为开发适应恶劣地质条件的下一代地格栅奠定了科学基础。