路基施工過程沉降及應(yīng)力變化數(shù)值模擬

崔兆戶

摘要：為了掌握路基填料選擇加筋泡沫輕質(zhì)土?xí)r的沉降變化趨勢，并得出最優(yōu)加筋率，通過數(shù)值模擬的方式分析了各加筋率泡沫輕質(zhì)土填料的路基變形和受力情況，并與普通路基進行了對比。研究結(jié)果表明：路基填料種類不同時其沉降變化趨勢基本一致，基底沉降最大的部位為路基中線，且沉降值隨著和路基中線距離的增大而降低；普通路基在施工時形成了1.88cm的回彈，而加筋率在0.75%時的泡沫輕質(zhì)土路基所形成的回彈量最低，為0.87cm；泡沫輕質(zhì)土加筋改性后用作路基填料時，所形成的施工沉降降低幅度較為明顯，且在加筋率為0.75%時所形成的基底沉降最小，為17.35cm；當(dāng)路基填料選擇泡沫輕質(zhì)土?xí)r，并未對路基的基底應(yīng)力分布情況造成較大影響，只有路基的基底豎向應(yīng)力有小幅度降低；而泡沫輕質(zhì)土在加筋后基底應(yīng)力最大值可減小近40kPa，與普通填土路基基底應(yīng)力最大值相比降低了近50%；選擇路基填料時采用0.75%加筋率的加筋泡沫輕質(zhì)土，能夠在最大程度上減小基地沉降值。

關(guān)鍵詞：軟土地基；加筋泡沫輕質(zhì)土；沉降；數(shù)值模擬；基底應(yīng)力

0? ?引言

大規(guī)模沉降在軟土路基眾多病害里較為常見，施工人員通常以換填方式來對其進行處理[1-2]。早在20世紀70年代，英國在修建某條高速公路時路基填料選擇了泡沫輕質(zhì)土，這也首次將其應(yīng)用在道路修建中。此道路修建完畢通車使用后，泡沫輕質(zhì)土展現(xiàn)出了較好的耐久性、高強度以及輕質(zhì)性，并逐漸走入了技術(shù)人員的視野當(dāng)中[3-4]。通過數(shù)值模擬的方式分析填料種類對路基沉降和受力情況，能夠更加清晰的揭示和體現(xiàn)出加筋泡沫輕質(zhì)土在道路中的應(yīng)用效果。吳海剛等[5]以實際工程為參考，通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，通過泡沫輕質(zhì)土與水泥攪拌樁的結(jié)合能夠有效降低軟土路基沉降。

基于此，為了掌握路基填料選擇加筋泡沫輕質(zhì)土?xí)r的沉降變化趨勢，并得出最優(yōu)加筋率，本文通過數(shù)值模擬的方式，分析各加筋率泡沫輕質(zhì)土填料的路基變形和受力情況，并將其與普通路基進行了對比，以為相關(guān)工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1? ?工程概況

某一高速公路全長26.43km，雙向八道為主線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，100km/h為最大設(shè)計時速。通過現(xiàn)場勘探可知，場地巖層類型主要包括淤泥質(zhì)土、砂質(zhì)黏性土以及素填土。

鑒于原路基土質(zhì)較差，若選擇常規(guī)填土法來對路基土體進行處理，造價過高，故通過填筑加筋泡沫輕質(zhì)土的方式來對路基進行處理，保證回填處理后土體工程性質(zhì)能夠滿足設(shè)計需要，避免高速公路修建時受到不良地質(zhì)的影響。

2? ?建立計算模型

2.1? 模型建立

此次計算所用路堤模型上部寬度為26m，其邊坡坡度為1：1.5，路面結(jié)構(gòu)層厚度為0.7m。加筋泡沫輕質(zhì)土為路基填料類型，在路面結(jié)構(gòu)層和輕質(zhì)土層相接位置施作素混凝土保護層，厚度為0.2m。在路堤底部安設(shè)厚度為0.3m的墊層，路堤底面寬度的兩倍為地基寬度，地基壓縮層的厚度為15m。從上部到地基的土層類別分別為3m普通填土、4m淤泥質(zhì)土、6m砂質(zhì)黏性土。

地基初始變形會受到重力的影響，所以要先處理低級的地應(yīng)力平衡問題。把重力作用下地基的應(yīng)力場當(dāng)成初始應(yīng)力場。為了計算更加簡便，在建立模型時做出了下列假設(shè)：進行路基填料時，填筑工作分三次完成，1m為每次填筑高度。

不考慮道路方向上的應(yīng)變，把此次模擬看成平面應(yīng)變問題，把地基和路堤各層材料視作連續(xù)均勻介質(zhì)，簡化各層地基底面為水平面。模擬時忽略施工過程里機械的碾壓振動、汽車荷載等作用，只考慮路堤在重力荷載下的應(yīng)力分布情況和變形。

2.2? ?確定邊界條件和參數(shù)設(shè)置

加筋泡沫輕質(zhì)土屬于一種彈塑性材料，所以選擇Mohr-Coulomb彈塑性模型來進行此次的模擬。通過室內(nèi)試驗得出加筋泡沫輕質(zhì)土各加筋率下的參數(shù)。

3? ?分析計算結(jié)果

3.1? ?路堤施工沉降受填筑材料的影響

填筑材料的不同，其自身承載能力、剛度、彈性模量、密度等性能均有所差異，路基沉降會受到填筑材料各項性能的影響。整理填料在不同加筋配比時的路基底部沉降值，能夠得出填土路堤在不同加筋率、施工時期以及不同材料情況下的基底沉降變化趨勢。不同施工階段各類填土路堤沉降變化趨勢如圖1所示。

從圖1中能夠看出，路基填料種類不同時其沉降變化趨勢基本一致，基底沉降最大的部位為路基中線，且沉降值隨著和路基中線距離的增大而降低。

當(dāng)施工繼續(xù)開展時，與路基中線距離在25m范圍內(nèi)，隨著荷載的增大，地基沉降值也逐漸增大。當(dāng)距離在25m范圍以外時，即在坡腳線范圍以外時，當(dāng)施工荷載增大時，地基的沉降值呈現(xiàn)出逐漸減低的規(guī)律。

分析認為，當(dāng)路基荷載逐漸增大時，荷載作用下超過路基范圍的地基土出現(xiàn)了擠出，使得路基附近土體被抬升。對于普通填土路基，施工完路面結(jié)構(gòu)層后，為和距離路基中線40m部位沉降值達到0.35cm，當(dāng)施工完路基墊層時，同樣部位的沉降值達到2.23cm，在施工時形成了1.88cm的回彈。

反觀施工過程中，加筋率1.0%、0.75%0.5%以及0%情況下，泡沫輕質(zhì)土路基所形成的回彈量分別為0.97cm、0.87cm、0.88cm以及0.9cm。由此能夠看出，此類路基和普通路基相比，不會對附近地區(qū)產(chǎn)生較大的影響，擾動較小，適應(yīng)范圍較廣，在實際工程中應(yīng)用效果更佳。

對泡沫輕質(zhì)土路基與普通填土路基在路基中線部位的基底沉降進行對比可知，對于普通填土路基，每施工完一層路基填土后，路基中線部位的基底沉降值提高了近9cm，而同樣部位泡沫輕質(zhì)土路基的沉降值僅提高了4cm。

施工完路基后各類填土路基最大沉降值如圖2所示。其中1為普通路基，2～5依次表示0%、0.5%、0.75%以及1%加筋率的泡沫輕質(zhì)土路基。從圖2中能夠看出，普通填土路基所形成的基底沉降最大值為38.65cm，加筋率為0%的泡沫輕質(zhì)土路基所形成基底沉降最大值為22.74cm，與前者相比，后者施工沉降最大值降低了近41%。

除此之外，泡沫輕質(zhì)土加筋改性后用作路基填料時，所形成的施工沉降降低幅度更加明顯，且在加筋率為0.75%時所形成的基底沉降值達到17.35cm，遠遠小于普通路基基底沉降，降低幅度約達55%。所以選擇路基填料時，可采用0.75%加筋率的加筋泡沫輕質(zhì)土，以此在最大程度上減小基地沉降值。

3.2? ?路堤施工橫向位移受填筑材料的影響

通過有限元分析軟件，分析泡沫輕質(zhì)土在各加筋率下路基的橫向施工位移，得出加筋率和路基施工橫向位移間的關(guān)系。施工完路基后各路堤坡腳部位橫向位移值如圖3所示。其中1為普通路基，2～5依次表示0%、0.5%、0.75%以及1%加筋率的泡沫輕質(zhì)土路基。

從圖3中能夠看出，和普通砂性土填料相比，路基填料選擇泡沫輕質(zhì)土?xí)r，路堤坡腳處的橫向位移由之前的8.23mm降低到3.52mm，且降低幅度隨著加筋率的增大而增大。

3.3? ?路堤基底應(yīng)力受填筑材料的影響

不同施工階段各類填土路堤基底豎向應(yīng)力變化如圖4所示。從圖4a中能夠看出，對于普通砂性土路堤，其基底豎向應(yīng)力分布，在整體上表現(xiàn)為路基中線部位最大，且由中線向兩側(cè)慢慢降低的規(guī)律。基底應(yīng)力在填筑完第一層路基填筑完成分布均勻，且基底應(yīng)力在每填筑完成一層路基時會增大約20kPa，且增加程度隨著與路基中線距離的增加而減小。在施工完路面結(jié)構(gòu)層后，路堤坡腳線和基底中心的豎向應(yīng)力差值達到47.5kPa。

從圖4b至圖4e能夠看出，當(dāng)路基填料選擇泡沫輕質(zhì)土?xí)r，并未對路基的基底應(yīng)力分布情況造成較大的影響，只有路基的基底豎向應(yīng)力有小幅度降低。

而泡沫輕質(zhì)土在加筋后基底應(yīng)力最大值可減小近40kPa，與普通填土路基基底應(yīng)力最大值相比降低了近50%，且應(yīng)力分布在整體上更加均勻，故使用加筋泡沫輕質(zhì)土作為路基填料能夠更好的避免路基的不均勻沉降。同時能夠看出，在路基坡腳部分范圍路基的基底應(yīng)力均有一定程度的增加。

4? ?結(jié)束語

本文通過數(shù)值模擬的方式分析了各加筋率泡沫輕質(zhì)土填料的路基變形和受力情況，并與普通路基進行了對比。主要得出以下結(jié)論：

對于普通填土路基，施工時形成了1.88cm的回彈，而各加筋率為1.0%、0.75%、0.5%以及0%情況下，泡沫輕質(zhì)土路基所形成的回彈量分別為0.97cm、0.87cm、0.88cm以及0.9cm。其和普通路基相比，不會對附近地區(qū)產(chǎn)生較大的影響，擾動較小，應(yīng)用效果更佳。

對于普通填土路基，每施工完一層路基填土后，路基中線部位的基底沉降值提高了近9cm。而同樣部位泡沫輕質(zhì)土路基的沉降值僅提高了4cm，與前者相比，后者施工沉降最大值降低了近41%。除此之外，在加筋率為0.75%時所形成的基底沉降最大值最低，達到17.35cm，基底沉降降低幅度約為55%。

路基填料選擇泡沫輕質(zhì)土?xí)r，并未對路基的基底應(yīng)力分布情況造成較大的影響，只有路基的基底豎向應(yīng)力有小幅度降低。而泡沫輕質(zhì)土在加筋后基底應(yīng)力最大值可減小近40kPa，與普通填土路基基底應(yīng)力最大值相比降低了近50%，且應(yīng)力分布在整體上更加均勻。

參考文獻

[1] 朱志明.軟土地區(qū)高速公路泡沫混凝土路基換填施工技術(shù)[J].交通世界，2022（18）：130-132.

[2] 張貴玉.特殊路基設(shè)計中綜合處理軟土方法的應(yīng)用[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2021（12）：139-141.

[3] 徐財琴.開挖換填施工技術(shù)在市政道路軟土路基處理中的應(yīng)用研究[J].運輸經(jīng)理世界，2021（16）：31-33.

[4] 林妃皇，泡沫輕質(zhì)土換填高度對軟土路基沉降的影響研究[U].西部交通科技，2022（12）：39-41.

[5] 吳海剛，王寶軍，鄭永紅，等.大規(guī)模采用泡沫輕質(zhì)土處理軟基設(shè)計方法探討[J].鐵道工程學(xué)報，2016，33（2）：28-33.