使用FWD（前方动态加载仪）、LWD（履带式动态加载仪）和动态CBR（车辙压痕试验）方法，对铺设在软弱路基上的加筋土格子和加筋土单元路面进行现场性能评估

《Geotextiles and Geomembranes》：Field performance assessment of geogrid- and geocell-reinforced pavement on weak subgrade using FWD, LWD, and dynamic field CBR tests

　　摘要
本研究采用多种现场测试方法（即落锤式弯沉仪、轻型弯沉仪和动态现场CBR测试），并结合IITPAVE的力学分析，全面评估了双层土工格栅-土工格室加固以及土工格栅铺设深度对建在弱地基（CBR=2.52%）上的未铺装道路机械性能的影响。在实地建造了六个装有传感器的路面测试段，这些测试段采用了不同的加固配置，并根据刚度提高、变形减少、应力分布、使用寿命和加固效益等方面对它们的性能进行了评估。结果表明，采用双层土工格栅-土工格室加固的测试段具有更优越的力学性能，其次是单独使用土工格室加固的测试段。在不同的土工格栅铺设配置中，发现底层厚度的四分之一是土工格栅的最佳铺设深度，因为这种配置能够改善其力学性能和加固效果。成本效益分析表明，尽管加固段的初期材料成本较高，但提升的结构性能带来了更高的成本效益。此外，本研究还将LWD测试的结果与FWD测试的结果进行了比较，以评估基于LWD的测量方法在快速初步现场评估中的可靠性和一致性，而FWD测试则提供了更全面的系统级响应评估。

引言
印度的道路网络长达560多万公里，构成了这个人口众多且多样化的国家的交通基础，从而推动了其经济增长。该网络中约72%为农村道路，其中大部分为未铺装道路，这些道路对于偏远地区的低流量交通起着关键作用（MoRTH，2024年）。尽管这些未铺装道路很重要，但由于地基土壤较弱（通常表现为加州承载比（CBR）低于3%，表明承载能力较差），它们经常面临严重挑战（IRC:SP 72，2015年）。地基薄弱、交通负荷变化大、材料质量差以及压实不足常常导致路面过早损坏，从而影响其性能和使用寿命。

传统的解决地基薄弱问题的方法通常是用地质合成材料（如土工格栅和土工格室）来加固柔性路面（Baadiga等人，2021年；Deshmukh等人，2021年；Mir等人，2025年；Banerjee等人，2025a年；Sharma等人，2026年）。土工格栅以其平面网格结构提供拉应力加固，并改善与周围土壤或骨料的互锁效果，从而提高荷载分布和路面稳定性（Baadiga等人，2021年；Singh等人，2019年，2022年；Rasool等人，2025年）。土工格室则因其三维蜂窝结构而能够限制填充材料，通过拉伸膜效应增强刚度、抗弯刚度和承载能力（Banerjee等人，2024年，2025a年）。虽然已有研究表明在地基或基层层铺设土工格栅可以改善路面结构性能（Mir等人，2025年；Singh等人，2019年，2022年；Rasool等人，2026年），但土工格室在稳定基层和弱地基方面尤为有效（Banerjee等人，2025a年；Mamatha和Dinesh，2019c年；Banerjee等人，2025b年；Rajagopal等人，2014年）。此外，这些材料被证明具有成本效益和环境可持续性，适用于印度等快速增长经济体的大规模农村连接项目（Ibrahim等人，2017年；Banerjee等人，2025a年；Bodhanam S等人，2025年）。最近的一些实验室研究（Connolly和Yu，2021年；Cui等人，2023年；Yang等人，2026年）表明，地质合成材料加固可以显著改善颗粒土壤在循环荷载下的破坏行为。Cui等人（2023年）报告称，与未加固土壤相比，土工格栅加固的粗粒土壤具有更高的塑性破坏限度。Zhang等人（2024年）观察到，在长期循环荷载下，土工格室加固的土壤轴向应变累积显著减少。Yang等人（2026年）还通过循环三轴试验研究了土工格室加固沙土的塑性累积变形，考虑了围压、土工格室材料刚度和循环应力幅度的影响。随后进行了破坏分析，以量化相应的塑性破坏限度和塑性蠕变限度。

对于土工格栅加固系统，Zadehmohamad等人（2022年）和Giroud等人（2023年）解释了通过骨料颗粒与土工格栅孔隙之间的互锁机制实现的基本加固效果，进而形成稳定的复合层。这种复合效应增强了横向约束，促进了应力重分布，并提高了荷载传递效率。土工格栅的加固性能受其在基层层内的铺设深度和其抗拉强度的显著影响，这两者共同决定了应力分布的效率（Zadehmohamad等人，2022年；Tan等人，2026年；Mamatha和Dinesh，2019a年）。此外，土工格栅与骨料之间的相互作用形成了一个剪切带，控制着加固机制的发挥。剪切带的范围主要受名义骨料粒径（D50）的影响（Jia和Zornberg，2025年；Jia等人，2024年；Vangla和Latha，2015年；Westgate和DeJong，2023年；Lashkari和Jamali，2021年）。尽管取得了显著进展，但关于土工格栅和土工格室在路面系统中的最佳铺设方式和组合使用仍存在关键知识空白。关于最有效的土工格栅定位，研究结果不一：一些研究建议将土工格栅放置在基层顶部，以减少拉应变并通过更好的荷载分布和应力释放来提高疲劳寿命（Mir等人，2025年；Singh等人，2019年；Abo El-Naga等人，2020年；Perkins等人，2010年；Abu-Farsakh等人，2016年）；而另一些研究则推荐将其放置在地基或基层-底层界面（Singh等人，2022年；Zhou和Wen，2008年；Yoobanpot等人，2026年）。还有一些研究指出，将其放置在中间位置可以获得更好的加固效果（Abu-Farsakh等人，2012年；Barksdale等人，1989年）。还有一些研究强调了将土工格栅更深地放置在基层或基层层中的好处，以最大化弱土壤的稳定性（Zhou和Wen，2008年；Saad等人，2006年；Kamel等人，2004年；Barksdale等人，1989年）。Mamatha和Dinesh（2019b）发现，将土工格栅放置在基层-地基界面可以有效减少路面结构内的压缩应变；然而，它对表层以下产生的拉应变影响较小。不过，Xiao和Xue（2024年）报告称，当土工格栅靠近基层-地基界面放置时，更容易受到弱地基条件空间变化的影响，从而可能限制其在实现均匀应力分布和变形控制方面的有效性。尽管进行了大量研究，但目前仍未就土工格栅在路面系统中的最佳铺设深度达成共识，这突显了进一步研究的必要性。值得注意的是，大多数研究报告单独研究了土工格栅和土工格室的加固效果，无论是通过实验室测试还是现场研究。尽管Divakar等人（2024年）研究了双层土工格栅-土工格室加固系统并报告了路面刚度的显著提高，但这些结果基于实验室规模的研究。因此，关于在弱地基上铺设双层土工格栅-土工格室路面的全面现场研究在文献中较少，亟需进行基于现场的考察。

根据AASHTO T222-81（2017年）和ASTM D1195/D1195M（2021年），板载试验（PLT）是确定路面模量的传统方法。然而，PLT耗时、劳动密集且成本较高，这限制了其在常规现场评估中的实用性。为了克服这些缺点，开发了非破坏性测试设备，如落锤式弯沉仪（FWD）和轻型弯沉仪（LWD）。但应注意的是，这些传统的非破坏性测试方法（包括PLT、FWD、LWD和现场CBR测试）并不能完全模拟移动交通荷载的动态特性（Akmaz等人，2026年，2025年）。这些方法主要施加瞬态冲击荷载，因此无法完全捕捉实际交通条件下车辆与路面的连续相互作用或重复循环荷载。尽管如此，它们仍被广泛接受并用于评估路面结构能力、层刚度和加固性能，因为它们提供了快速、可靠且可重复的测量数据，便于对路面系统进行比较评估（ASTM D6637 ? 11，2014年；Banerjee等人，2026年，2025a年；Duddu等人，2024a年；Deshmukh等人，2025年；Xiao等人，2025年）。FWD已被证明是估算脉冲荷载（20-60毫秒）下500至1500千帕应力水平层模量的有效工具，模拟移动轮荷载（Banerjee等人，2025a年；Deshmukh等人，2025年；Xiao等人，2025年）。相比之下，LWD施加短时冲击（约10-20毫秒）到刚性板上，产生的应力水平通常在100-300千帕范围内，并提供主要代表近表层材料的动态变形模量。虽然LWD作为一种实用、便携且成本效益高的技术，在路面和地基的初步现场评估中越来越受到关注（Duddu等人，2024a年，2024b年；Deshmukh等人，2021年；Umashankar等人，2016年；Akmaz等人，2026年），但其直接应用于路面设计的可行性仍有限。这主要是由于其与FWD在加载方式、应力水平和影响深度方面的差异，以及LWD导出的参数与FWD反算模量之间缺乏成熟的相关性。

现有研究广泛报道了地质合成材料加固在柔性路面中的好处。然而，关于土工格栅在基层/基层层中的最佳铺设深度仍存在显著空白。此外，几乎没有现场研究通过全面现场测试来评估双层土工格栅-土工格室加固路面系统在弱地基土壤上的有效性。这种混合加固系统的成本效益比较分析在文献中也尚未充分探索。最重要的是，虽然从地质合成材料加固段测试中经常报告出改进的模量值，但将其纳入IITPAVE等力学-经验设计框架中的做法在文献中仍存在较大不一致性。

因此，为了解决这些空白，本研究在控制条件下对建在弱地基上的未铺装道路段进行了详细的现场测试，使用土工格栅和土工格室作为基层层的加固材料。连续建造了六个测试段（一个未加固段和五个地质合成材料加固段），每个段长1.5米，宽3.75米。每个测试段的主要承重层为湿拌沥青碎石（WMM），没有铺设有沥青混凝土。这种配置代表了印度单车道农村 feeder 道路的情况，由于成本限制无法铺设沥青表面，WMM基层层加上薄层颗粒材料构成了行车表面。分别使用落锤式弯沉仪（FWD）、轻型弯沉仪（LWD）和动态现场加州承载比（CBR）测试来评估路面的刚度和强度。然后利用FWD、LWD和现场CBR测试的结果，通过性能指标（如模量改进因子（MIF）和加固率）来量化地质合成材料加固的好处。现场获取的数据进一步用于使用IITPAVE进行应力分析，以确定不同加固测试段的使用寿命比（SLR）。最后进行了成本效益分析，以评估各种加固配置的经济影响。此外，还将LWD测试的结果与FWD测试的结果进行了比较，以评估基于LWD的测量方法在快速初步现场评估中的可靠性和一致性。然而，FWD测试提供了更全面的系统级响应评估。

本研究的独特之处在于它采用了多种现场测试方法（FWD、LWD和现场CBR测试），并结合IITPAVE的力学分析，全面评估了双层土工格栅-土工格室加固以及土工格栅铺设深度对建在弱地基上的未铺装道路机械性能的影响。该研究的科学贡献主要体现在以下几个方面：
- 确定了土工格栅在路面基层中的最佳安装深度，以确保其最大效益。
- 评估了土工格栅与土工格子联合系统在基层中的优越加固效果，这得益于其更均匀的应力分布、更高的模量以及更长的使用寿命。
- 将土工合成材料的改进模量值纳入机械-经验设计框架中，利用IITPAVE工具计算不同加固方案的使用寿命比。
- 进行了成本-效益分析，以评估各种路面加固配置的经济可行性。

因此，这项实地研究的科学成果将有助于丰富目前关于土工合成材料加固路面系统的知识。

### 研究地点
实地调查在印度查谟理工学院（Indian Institute of Technology Jammu）进行，该学院位于北纬32°80′、东经74°89′（见图1(a)），属于印度查谟和克什米尔联邦属地。校园位于查谟市北部边缘，紧邻44号国道（见Google Earth图1(b)）。该地区地处喜马拉雅山脉的希瓦利克山脉（Shivalik Range）的山脚下，平均海拔高度为327米。

### 研究方法
本研究采用了机械-实验框架来评估加固与未加固路面系统在实地条件下的短期结构响应（见图2），重点在于量化土工合成材料加固对刚度、荷载分布和应力-应变响应的改善效果，而非长期损坏情况。研究方法包括四个连续阶段：
- 材料表征；
- 试验段的建设。

### 土基土壤
试验段使用了从现场获取的土壤作为地基材料。实验室检测表明，根据印度土壤分类系统IS（1970），该土壤属于中等塑性的粉土（分类为“MI”），其液限为43%，塑限为36.8%，塑性指数为6.2%。土壤的粒径分布曲线见图3。土壤的压实特性遵循IS: 2720标准第7部分（1980年）进行测定。

### 试验段的设计与施工
共建造了六个试验段，每个试验段的尺寸为长1.5米、宽3.75米，各试验段的具体位置示意图见图6。选择这样的尺寸是为了使试验过程中的边界效应降到最低（参考ASTM E 2835, 2011; Duddu et al., 2024c; Khaksar et al., 2025）。为确保试验结果的可重复性，进行了多次压实试验。

### 路面系统的加载条件
路面系统在其使用寿命期间会受到多种加载条件的影响，包括荷载大小、应力分布和影响深度的变化。为了捕捉试验段在代表性加载条件下的结构响应，采用了多种原位测试方法。动荷载测试（FWD）通过高幅度冲击加载来模拟车轮荷载，从而评估复合刚度和荷载分布。

### 结果与讨论
本研究利用FWD、LWD和动态现场CBR测试方法，评估了在弱地基上建造的土工格栅和土工格子加固试验段的性能提升情况。评估重点是通过LWD和FWD测定原位模量，并分析这些模量对整个路面性能的影响。

### 结论
本研究探讨了土工格栅和土工格子加固措施在改善不良地基土壤上建造的路面基层的力学性能和延长其使用寿命方面的有效性（CBR = 2.52%）。在实地建造了六个带有传感器的试验段（一个未加固，五个分别采用不同土工格栅和土工格子加固），并使用落锤式弯沉仪（FWD）和轻型弯沉仪对其性能进行了评估。

### 研究的局限性与未来发展方向
尽管本研究进行了大量的实地测试，证明了土工合成材料加固在路面基层中的有益效果，但其结果仍存在一些局限性，这些局限性也为未来的研究指明了方向。首先，目前的土工合成材料加固评估仅限于特定的地基条件（CBR为2.5%）、单一材料类型和强度以及固定的土工格栅和土工格子尺寸。其次，研究范围也较为有限。

### 作者贡献声明
- Mohammad Umar Rasool：撰写原始草稿、数据可视化处理、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构思。
- Prasun Halder：撰写修订稿、数据可视化处理、项目监督、方法论制定、资金筹集、概念构思。
- Riya Bhowmik：撰写修订稿、数据可视化处理、项目监督、方法论制定、概念构思。

### 资金支持
本研究由科技部（Science & Technology Department, DST）下属的科学工程研究委员会（Science & Engineering Research Board, SERB）资助，项目编号为CRG/2022/003761。

### 利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本研究的结果。

### 作者信息
Mohammad Umar Rasool | Prasun Halder | Riya Bhowmik
印度查谟理工学院土木工程系，J&K，181221