輕質(zhì)填料法在路堤加寬中的地基變形分析

童 明

（南方工程檢測(cè)修復(fù)技術(shù)研究院 廣東惠州516000）

0 引言

兩側(cè)加寬的道路擴(kuò)寬工程中，新老路堤下地基土體的不均勻沉降和變形是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。拓寬擴(kuò)建路基較一次性新建路基沉降演變過(guò)程復(fù)雜，需重視新老路基之間的相互作用。老路堤下的地基土體，在道路使用多年后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的荷載作用和固結(jié)沉降過(guò)程，在現(xiàn)有的荷載應(yīng)力下，其固結(jié)已完成，變形已穩(wěn)定。擴(kuò)寬工程新增加拓寬路堤，相當(dāng)于對(duì)地基土體增加了新的外部恒載，這勢(shì)必引起新老路堤下的土體產(chǎn)生附加沉降變形，而新老路堤下的地基土體固結(jié)狀態(tài)的不同，又將導(dǎo)致兩者差異沉降的產(chǎn)生，相對(duì)過(guò)大的差異沉降，進(jìn)而會(huì)引起路基的變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)路基的拉裂，下沉過(guò)速等病害，將會(huì)對(duì)道路的正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)難以估量的不良后果。因此拓寬工程應(yīng)控制附加沉降及差異沉降[1-3]。

輕質(zhì)填料法，是指路堤采用容重很小的輕質(zhì)材料填筑，通過(guò)減輕路堤的自重，使地基所承受的上覆荷載減小，進(jìn)而減小地基的壓縮量，使路堤沉降量減小。對(duì)于擴(kuò)建工程而言，拓寬路堤使用輕質(zhì)填料，對(duì)下覆地基新增的荷載較小，有效應(yīng)力的影響深度和強(qiáng)度減小，提高地基的穩(wěn)定性，減少路基沉降、側(cè)向變形和新老路基的不均勻沉降，降低新路堤對(duì)老路堤的影響。另外，在節(jié)約用地、降低工程造價(jià)和縮短工期等方面，輕質(zhì)填料加寬路堤具有明顯優(yōu)勢(shì)[4-8]。

國(guó)內(nèi)外的輕質(zhì)填料種類較多，常用的有：粉煤灰輕質(zhì)土、泡沫塑料塊體輕質(zhì)土（EPS）、泡沫塑料顆?；旌陷p質(zhì)土、氣泡混合輕質(zhì)土、SLM 輕質(zhì)混合填料等。

本文采用有限元方法，對(duì)輕質(zhì)填料法在路堤加寬中的地基變形特性進(jìn)行計(jì)算分析，獲得影響因素與地基變形的關(guān)系。

1 有限元模型和計(jì)算條件

某道路擴(kuò)寬工程老路堤寬度26 m，填土高度4 m，路堤邊坡坡度為1∶1.75，老路營(yíng)運(yùn)10年后進(jìn)行加寬工程，在原有的路堤兩側(cè)各加寬8 m，新路堤采用輕質(zhì)土（γ=6.0 kN/m3）直立填筑。

地基土層從上往下依次是：〈1〉硬殼層（厚3 m）；〈2〉淤泥質(zhì)亞粘土層（厚16 m）；〈3〉粗砂層（下臥層）。有限元分析的本構(gòu)模型：硬殼層、淤泥質(zhì)亞粘土層采用修正劍橋模型；粗砂層、原路堤填土與新路堤輕質(zhì)土采用線彈性體模型。

老路采用塑料排水板處理軟土層，塑料排水板平面上為等邊三角形分布，間距1.5 m，貫穿軟土層。加寬部分采用輕質(zhì)土直立填筑。計(jì)算過(guò)程分為4 個(gè)時(shí)段：老路堤施工期、老路堤工后固結(jié)期（道路運(yùn)營(yíng)期10年）、新路堤施工期、新老路堤工后固結(jié)期（道路運(yùn)營(yíng)期15年）。

因路基斷面是軸對(duì)稱，計(jì)算時(shí)取路基斷面的一半進(jìn)行計(jì)算分析。地基計(jì)算分析寬度60 m，深度40 m。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 填筑幾何斷面的影響

道路擴(kuò)建工程中，采用輕質(zhì)填料填筑拓寬路堤非常顯著的優(yōu)點(diǎn)就是可直立式填筑。直立式填筑能有效地減少占用土地，降低征地成本，有顯著經(jīng)濟(jì)效益[8，9]。為研究填筑幾何斷面的影響，對(duì)直立式填筑與斜坡式填筑兩個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比分析。

⑴由圖1 可知，兩者最大沉降值相差不大，但直立式填筑的沉降曲線較陡，而斜坡式填筑的曲線變化較平緩。究其原因，直立式填筑在橫斷面上存在上覆荷載突變。

圖1 地表處附加沉降曲線圖Fig.1 Additional Settlement of Ground

⑵老路堤坡腳處下地基側(cè)向位移曲線，兩者接近，側(cè)向位移值小。新路堤坡腳處下地基側(cè)向位移曲線，兩者有較大區(qū)別，斜坡式填筑較直立式填筑有較大的側(cè)向位移值，直立式最大值在深度3 m 處兩土層交界面，為0.752 cm；斜坡式最大值在地表處，為1.78 cm，深度3 m 處的位移值為1.08 cm（見(jiàn)圖2）。

圖2 附加側(cè)向位移曲線圖Fig.2 Additional Lateral Displacement

總的來(lái)說(shuō)，兩者地表沉降和側(cè)向位移值均較小，處理效果接近，采用直立式填筑能減少造價(jià)較高的輕質(zhì)填料用量，同時(shí)減少占地面積，有較明顯的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 填土高度的影響

對(duì)填土高度分別為2 m、4 m、6 m 的工況進(jìn)行分析。

⑴沉降值隨填土高度增大而增大。在填高較小時(shí)，最大沉降值增加較快。最大沉降值的位置隨填土高度增加而向路基外側(cè)移動(dòng)，原因是填土越高，拓寬路堤的重心遠(yuǎn)離路基中心。差異沉降值則隨填土高度的增大而上下波動(dòng)（見(jiàn)圖3、圖4）。

圖3 不同填土高度地表處附加沉降曲線圖Fig.3 Additional Settlement at the Surface of Different Fill Heights

⑵側(cè)向位移值隨填土高度增大而增大。老路堤下的土體側(cè)向移動(dòng)方向隨著填土高度變化而出現(xiàn)差異。如填高2 m 時(shí)，老路堤坡腳下的側(cè)向位移出現(xiàn)負(fù)值，這部分土體的位移是指向路基內(nèi)部的，究其原因，是因?yàn)椴煌奶钔粮叨认?，新路堤的形心位置的不同。從新老路堤處下地基的最大?cè)向位移與填土高度的關(guān)系圖可知，最大側(cè)向位移隨著填土高度變化，增速加快（見(jiàn)圖4、圖5）。

圖5 不同填土高度附加側(cè)向位移曲線圖Fig.5 Additional Lateral Displacement of Different Fill Heights

2.3 軟土層厚度的影響

對(duì)軟土層厚度在8～24 m 之間變化進(jìn)行分析。

⑴沉降值隨軟土層厚增大而增大，但增速減小，即軟土層厚在較小值范圍增加時(shí)，沉降值增加較快，究其原因是因?yàn)檩p質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小且隨深度增加而進(jìn)一步分散減小，地表處的沉降主要是淺層土體的固結(jié)沉降所產(chǎn)生的，深層土體的固結(jié)沉降較小，因此即使軟土層厚度增加較大而沉降值增幅相對(duì)較?。ㄒ?jiàn)圖6、圖7）。

圖6 不同軟土層厚度地表處附加沉降曲線圖Fig.6 Additional Settlement at the Surface of Different Soft Soil Layer Thickness

圖7 地基變形與軟土層厚度的關(guān)系圖Fig.7 Diagram of Relationship between Foundation Deformation and Soft Soil Layer Thickness

圖8 為距離路堤中心線21 m 處地基沉降隨深度變化圖，兩點(diǎn)之間的橫坐標(biāo)的差值為該兩點(diǎn)間土層的沉降量，由圖8 中可以看出，大部分沉降都是在淺層土體中發(fā)生的。差異沉降隨軟土層厚度增加而減小，是因?yàn)殡S著軟土層厚度的增加，路基中心處的沉降值增長(zhǎng)幅度較新路堤下的沉降增長(zhǎng)幅度要大，因此兩者差值在縮小。

圖8 沉降隨深度變化Fig.8 Relationship of Settlement and Deepness between Ground

⑵側(cè)向位移值均隨軟土層厚度的增大而增大，隨著軟土層厚度的增加，最大側(cè)向位移值增速降低，即軟土層厚度在較小值范圍增加時(shí)，位移值增加較快（見(jiàn)圖7、圖9）。

2.4 深部下臥層的影響

地表處的沉降不僅僅是軟土層的沉降變形，還包括了其他土層的沉降變形。地基處理中需考慮下臥層的土體性質(zhì)的影響。在本文的有限元分析中，下臥層（粗砂層）的土體本構(gòu)模型采用的是線彈性模型，因此通過(guò)改變土體的彈性模量，使其在20～35 MPa 之間變化，研究下臥層土體性質(zhì)對(duì)地基變形的影響。

圖9 不同軟土層厚度附加側(cè)向位移曲線圖Fig.9 Additional Lateral Displacement of Different Soft Soil Layer Thickness

計(jì)算結(jié)果表明下臥層土體參數(shù)的改變，對(duì)地表最大沉降及最大側(cè)向位移均影響較小。究其原因是因?yàn)檩p質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應(yīng)力很小且隨深度增加進(jìn)一步分散減小，傳遞到深部下臥層的附加應(yīng)力較小，下臥層變形量較小，下臥層土體性質(zhì)的變化對(duì)地基變形影響不大。黃琴龍等人[10]對(duì)EPS 輕質(zhì)填料進(jìn)行了理論分析和工程驗(yàn)證后得到的結(jié)論，從另一個(gè)側(cè)面證明了本文的分析結(jié)果，其結(jié)論是采用EPS 填筑拓寬路堤，對(duì)下臥層的影響深度要明顯淺于常規(guī)填土路堤（見(jiàn)圖10～圖12）。

圖10 不同土體彈性模量地表處附加沉降曲線圖Fig.10 Additional Settlement at the Surface of Different Soil Elastic Modulus

圖11 不同土體彈性模量附加側(cè)向位移曲線圖Fig.11 Additional Lateral Displacement of Different Soil Elastic Modulus

3 結(jié)論

本文利用有限元方法，對(duì)路堤擴(kuò)建工程中采用輕質(zhì)填料的地基變形特性進(jìn)行計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

⑴直立式與斜坡式兩種斷面的填筑方式，處理效果接近，采用直立式有其顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖12 地基變形與下臥層彈性模量的關(guān)系圖Fig.12 Diagram of Relationship between Foundation Deformation and Elastic Modulus of Underlying Layer

⑵隨著填土高度增大，沉降與側(cè)向位移增大，最大沉降值增速減小，最大側(cè)向位移值增速增大。最大沉降值的位置隨填土高度增大而向路基外側(cè)移動(dòng)。

⑶隨著軟土層厚增大，沉降與側(cè)向位移增大，最大沉降值和最大側(cè)向位移值增速減小，其原因是輕質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，且隨深度增加而分散減小，從而引起上部淺層土體發(fā)生較大的固結(jié)沉降和側(cè)向位移，下部深層的土體發(fā)生的固結(jié)沉降和側(cè)向位移較小。

⑷深部下臥層土體性質(zhì)變化，對(duì)地表最大沉降值及最大側(cè)向位移值均影響較小。究其原因是因?yàn)檩p質(zhì)填料產(chǎn)生的附加應(yīng)力分散到下臥層的附加應(yīng)力很小，從而下臥層變形量很小。