輕質(zhì)材料消減高填土不利影響的應用研究

李 軍 偉

(杭州傳化公路港建設有限公司，浙江 杭州 311200)

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輕質(zhì)材料消減高填土不利影響的應用研究

李 軍 偉

(杭州傳化公路港建設有限公司，浙江 杭州 311200)

依托上海辰山植物園科研中心樓項目，以聚苯乙烯泡沫(EPS)輕質(zhì)材料為例，通過模型，計算分析了利用輕質(zhì)材料消減高填土對建筑不利影響的可行性，并闡述了具體的施工方案，為相關工程提供了參考。

輕質(zhì)材料，EPS，巖土工程，高填土

0 引言

擋土墻應用十分普遍，回填土的重度決定了擋土墻后土壓力的大小。如果回填土重度越大，土壓力就越大，易對擋土墻產(chǎn)生破壞。輕質(zhì)材料作為擋土墻后的填料，可降低豎向荷載，減少沉降。同時輕質(zhì)材料是膠結材料，不產(chǎn)生側向荷載，減少處理費用。本文以上海辰山植物園科研中心樓項目為依托，分析了高填土產(chǎn)生的較大土壓力對主體建筑的不利影響，并研究了采用輕質(zhì)材料消減該不利影響的可行性。

1 工程概況

上海辰山植物園的建設目標是建成世界領先和國內(nèi)一流水平的國家植物園[1]，本工程綠環(huán)堆筑主要是通過堆土造坡，在山坡上種植草本植物，形成綠色帶狀臺地形人工山體。根據(jù)本工程綠環(huán)堆筑體的平面分布特征，擬建“科研中心樓”兩側堆土較高。堆土體與擬建建筑體緊密連接，若處理不當，該區(qū)堆土易引起擬建建筑較大的附加沉降，使其樁基產(chǎn)生負摩阻力和水平推力作用，并使基礎產(chǎn)生較大的不均勻沉降，這是本工程地基處理的重點和難點。

2 綠環(huán)堆筑區(qū)高填土對擬建科研中心樓的影響

根據(jù)本工程條件，可將堆土高度等效為天然土層厚度，那么擬建“科研中心樓”基礎埋深可等效為-10.5 m。填土達到一定高度后，土壓力隨填土高度成非線性增加，高填土造成的土壓力分布特征由填筑初期沉降差引起的“附加應力”和后期的“土拱效應”共同起作用綜合決定[3]，因此需要綜合考慮各種因素以分析高填土對建筑的不利影響。

根據(jù)設計方案，堆土與建筑物兩側緊密銜接，兩側土體將對擬建科研中心樓產(chǎn)生較大的水平荷載，也會引起擬建科研中心樓兩側較大的附加沉降，從而引起樁側負摩阻力等一系列的巖土工程問題[3]。

2.1 高填土引起的地基土水平附加應力問題

由于高填土地面堆載在地基土中產(chǎn)生了較大的附加應力，也使地基土的水平應力顯著增強并產(chǎn)生一定水平位移，根據(jù)有限元軟件模擬堆筑產(chǎn)生的影響，如圖1所示。

根據(jù)計算結果，靠近擬建物0 m～10 m左右范圍產(chǎn)生擠壓作用的水平位移，在10 m范圍之外產(chǎn)生反方向的水平位移。

由于高填土堆載會在擬建科研中心樁基上產(chǎn)生較大的水平剪力和彎矩，因此需對單樁的水平承載力進行驗算。在擬建物樁基不能滿足抗剪切強度要求時，可考慮采用輕質(zhì)堆筑材料以減小高填土堆載對地基土的不利影響。

2.2 高填土引起的地基土附加沉降及擬建物樁基負摩阻力問題

根據(jù)擬建場地的地層分布情況，擬建場地埋深20 m內(nèi)土層一般為中～高壓縮性，高填土產(chǎn)生地面超載會使堆筑區(qū)及中心區(qū)域的地基土層產(chǎn)生較大的壓縮變形，如圖2所示。

根據(jù)估算，在堆土10.5 m區(qū)土體最終沉降量最大值可達到0.9 m左右，如不采取相應的地基加固措施，沉降量和差異沉降量都過大。由高填土產(chǎn)生的附加沉降易使建筑物樁基產(chǎn)生很大的負摩阻力，從而降低樁基承載力、增大樁基沉降，該影響在樁基設計時必須考慮。

2.3 高填土引起的地基土體差異沉降問題

從圖2估算成果可知，高填土產(chǎn)生的地面堆載對擬建科研中心樓區(qū)域地基土不同位置會產(chǎn)生不同的附加沉降，因此導致擬建科研中心區(qū)域的基礎差異沉降問題，在樁基設計時要進行考慮。

3 輕質(zhì)EPS材料+表層覆土方案分析

聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene簡稱EPS)是一種輕型高分子聚合物[4-8]。一般EPS的密度只有普通土密度的1/70～1/50[7]，EPS泡沫板具有密度小抗腐蝕；當荷載增加時，垂直變形較大，側向變形較??；價格便宜，便于加工等優(yōu)點。這些特性對高填土減載是十分有利的[8]。本工程綠環(huán)堆筑體可考慮采用局部輕質(zhì)EPS材料填充+表層覆土方案。本工程若使用3 m厚的EPS板填充+2.5 m覆土時可大大減輕綠環(huán)堆土體自重，從而極大程度減小堆土所產(chǎn)生的堆載，縮小了由堆載產(chǎn)生的附加沉降及不均勻沉降等不良影響；同時，由于EPS材料自立性強，采用EPS材料填充時，對擋墻產(chǎn)生的水平應力較小，此時可簡化擋土墻的設置，或采用混凝土薄板澆筑。EPS板可采用階梯形堆筑或三角形堆筑，以便于受力和減少造價。具體方案可通過經(jīng)濟技術比選確定。

3.1 計算模型建立

1)理論基礎。

本文采用有限元法計算分析，有限元方程為：

[K]{δ}={R}

(1)

其中，[K]為剛度矩陣；{δ}為位移列陣；{R}為荷載列陣。

二維有限元沉降計算采用變形模量，根據(jù)壓縮模量轉換，由如式(2)計算:

(2)

其中，E0為土體的壓縮模量，MPa；Es為土體的變形模量，MPa；v為土體的泊松比。

2)計算模型。

a.計算樁的受力。填土高度為11 m，填土頂部寬度為8 m，在土堆內(nèi)設置10 m寬的EPS板，EPS板上覆土高度分別按3 m，5 m計算，在基礎邊界設置擋墻，擋墻荷載為300 kN。同時按固結度為0，0.3，0.6分別計算。填土重度為γ=18 kN/m3,EPS板密度ρ=20 kg/m3。按平面應變問題計算，在基礎位置設置四排樁基礎，樁頂部設置筏板基礎，基礎的模量按樁基布置圖進行等代轉化。樁長44.8 m，1號樁，2號樁，3號樁，4號樁距填土邊界分別為1.3 m，2.6 m，7.8 m，14.3 m。

b.計算填土對地基變形影響。填土高度為11 m，填土頂部寬度為8 m，在土堆內(nèi)設置10 m寬的EPS板，EPS板上覆土高度為3 m。不設置樁基礎。在基礎邊界處打水泥土攪拌樁，攪拌樁寬為4 m，深度為12 m。分別按打水泥土攪拌樁和不打水泥土攪拌樁情況計算，同時考慮固結度為0和0.6的工況。

計算模型及網(wǎng)格劃分圖如圖3和圖4所示。

3.2 計算結果分析

1)樁力計算結果。以設置EPS板覆土高度3 m、固結度為0的工況為例，利用ANSYS軟件分析得到樁基的剪力和彎矩圖如圖5和圖6所示。

通過模型計算分析各工況下的樁剪力、彎矩，計算結果匯總后如表1和表2所示。

表1 不同工況下樁基最大剪力統(tǒng)計表

表2 不同工況下樁基最大彎矩統(tǒng)計表

2)地基沉降計算結果。設置EPS板板寬10 m，覆土高度為3 m，在基礎邊界處打水泥土攪拌樁，攪拌樁寬為4 m，深度為14 m，計算工況考慮固結度為0和0.6兩種工況。利用ANSYS軟件分析得到沉降位移情況如圖7和圖8所示。

各樁位置處地表沉降情況如表3所示。

表3 樁基位置處地表沉降統(tǒng)計表

4 結語

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，采用EPS板替代部分土體后，建筑物的樁基受力和地基沉降都大大減小，提高了建筑物的安全性，降低了施工難度和施工成本。采用輕質(zhì)局部EPS輕質(zhì)材料+表層覆土方案可以有效解決堆筑體由于堆土高、離建筑體較近，易使鄰近建筑體樁基產(chǎn)生較大的附加沉降、明顯的不均勻沉降及樁基負摩阻力等問題。

EPS材料具有較大的蠕變性，其長期強度遠小于短期強度[9]。因此當用于地基處理，尤其是對地基強度要求較高時，存在很大的局限性，但當其應用于堆筑體、回填土處理時便可充分發(fā)揮其優(yōu)勢。本文可以為類似的建筑工程提供參考。

[1] 宗勁松,張 皓,咸 珣.激情，求解于綠色——上海辰山植物園建筑設計[J].工業(yè)建筑,2011,41(11):1-5.

[2] 上海申元巖土工程有限公司.上海辰山植物園巖土工程勘察報告[R].2007.

[3] 曹繼偉,范 鶴,劉 斌.高填土涵洞土壓力分布及影響因素研究[J].公路,2011(12):109-114.

[4] 張衛(wèi)兵.聚苯乙烯泡沫(EPS)的特性及其在道路工程中的應用[J].公路,2004(5):146-149.

[5] 熊志遠.聚苯乙烯泡沫(EPS)力學行為的實驗研究[D].湘潭:湘潭大學,2007.

[6] 杜 騁,楊 軍.聚苯乙烯泡沫(EPS)的特性及應用分析[J].東南大學學報(自然科學版),2001(3):138-142.

[7] 張小平,包承綱,李進軍.泡沫輕質(zhì)材料在巖土工程中的應用[J].巖土工程技術,2000(1):58-62.

[8] 樊莉莉.高填方涵洞減載措施及優(yōu)化設計研究[D].長春:吉林大學,2014.

[9] 白 冰,陸士強.聚苯乙烯泡沫塑料的測試及其在土工中的應用[J].巖土工程學報,1994,15(2):104-108.

The application research on the adverse effects of lightweight material reduction on high filling

Li Junwei

(HangzhouTransfarRoad-PortConstructionCo.,Ltd,Hangzhou311200,China)

Based on the research center building project of Shanghai Chenshan Botanical Garden, taking Expanded Polystyrene(EPS) lightweight material for example, through the model analyzed and calculated the feasibility using lightweight materials reduction on the adverse effects of high filling to building, and elaborated specific construction plan, provided reference for related engineering.

lightweight material, EPS, rock and soil engineering, high filling

1009-6825(2016)28-0069-03

2016-07-26

李軍偉(1976- )，男，高級工程師

TU432

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