泡沫輕質(zhì)土在某賽車場路基施工中的應(yīng)用研究

劉 鵬，於程席，戴界西（中國建筑第二工程局有限公司華東公司湖北分公司，湖北 武漢 430119）

泡沫輕質(zhì)土有輕質(zhì)性、良好的施工性、密度和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、良好的環(huán)保性等諸多優(yōu)點[1-2]。泡沫輕質(zhì)土被廣泛應(yīng)用到工程施工中，在進(jìn)行工程施工時，可根據(jù)實際需要，合理地調(diào)整泡沫輕質(zhì)土的參數(shù)，使其更好地滿足施工要求。自從我國引進(jìn)泡沫輕質(zhì)土以來，國內(nèi)各專家學(xué)者對泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行了大量的研究，取得了巨大的成果[3-4]。泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，不僅在房屋建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且在高速公路、地鐵等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用[5]。泡沫輕質(zhì)土常在道路擴(kuò)建中作為加寬路基的填料，也常作為道路和橋梁的交界處的路基填料[6]。某國際賽車場地質(zhì)條件復(fù)雜，目前已完成樁基工程施工，項目高填方區(qū)將進(jìn)行泡沫輕質(zhì)土的施工。一般情況下選擇何種路基填料進(jìn)行施工可通過經(jīng)驗類比、現(xiàn)場試驗、實驗室實驗、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行確定。泡沫輕質(zhì)土相較常規(guī)的路基填土具有顯著的優(yōu)點，本文擬通過數(shù)值模擬對兩者的區(qū)別進(jìn)行研究。泡沫輕質(zhì)土的濕密度和抗壓強(qiáng)度對其性能的影響最大，其參數(shù)的選取往往借鑒類似工程的經(jīng)驗。通過數(shù)值模擬對泡沫輕質(zhì)土的參數(shù)進(jìn)行深入的研究，并找出其影響規(guī)律，對泡沫輕質(zhì)土的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，找出更加合理的參數(shù)，更好地指導(dǎo)施工。

1 工程概況

某國際賽車場位于湖北省武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)東荊河河畔 104 E 地塊，規(guī)劃用地平面呈不規(guī)則多邊形，面積為0.875 km2。按照國際汽聯(lián)二級賽道設(shè)計。主賽道總長為 4 188.589 m，規(guī)劃觀眾數(shù)量約 58 000 人，屬重點建設(shè)項目。項目同時配套賽道附屬設(shè)施、P 房（維修區(qū)）、看臺、醫(yī)療中心、車手之家、VIP 俱樂部等配套工程、景觀環(huán)境及其他工程。

根據(jù)地質(zhì)勘察情況和設(shè)計文件，賽道共劃分為高填方區(qū)、過渡段和低填方區(qū)，各個區(qū)域的施工方法各不相同。只有高填方區(qū)進(jìn)行泡沫輕質(zhì)土的施工，高填方區(qū)采用 PHC（Pre-stressed High-strength Concrete，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁）進(jìn)行深層地基處理，樁間距設(shè)置為 3.0 m，PHC樁的頂部設(shè)方形樁帽，樁帽上鋪筑碎石加筋墊層，然后填筑泡沫輕質(zhì)土及水泥穩(wěn)定土。泡沫輕質(zhì)土的高度根據(jù)路基整體高度確定，以保證樁基處在目標(biāo)荷載變化范圍以內(nèi)。

2 賽道路基填筑數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模擬模型建立

為了研究泡沫輕質(zhì)土作為賽道路基填料時的效果，且要更好地模擬出現(xiàn)場實際情況，選擇賽道高填方區(qū)進(jìn)行建模。模型包括泡沫輕質(zhì)土層（層厚 3.0 m）、級配碎石層（層厚0.6 m）、黏土層（層厚 4.7 m）、粉土層（層厚 6.0 m）、粉砂層（層厚 9.0 m）、泥巖層（層厚 5.0 m），考慮現(xiàn)場已施工完成 PHC 管樁（長度為 24.0 m）及樁帽（高度為0.3 m）。模型的寬為 16.0 m，高為 28.6 m。通過 CAD 導(dǎo)入 SOLIDWORKS（軟件）進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入 ANSYS(軟件) 進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，最后通過 FLAC（軟件）進(jìn)行模型的計算分析。

2.2 數(shù)值計算參數(shù)選取

數(shù)值計算參數(shù)的選取對數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大，地層參數(shù)可依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查資料進(jìn)行選取，泡沫輕質(zhì)土、級配碎石、管樁和樁帽的選取依據(jù)現(xiàn)場的原材料、配合比等因素，也可參照類似工程進(jìn)行取值。本文的參數(shù)選取依據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場原材料等資料，取值較為準(zhǔn)確。地層的力學(xué)計算模型采用摩爾-庫倫模型。樁帽的混凝土強(qiáng)度等級為C 30，PHC 預(yù)應(yīng)力管樁的強(qiáng)度等級為 C 80。模型計算參數(shù)如表 1 所示，地層參數(shù)如表 2 所示。

表1 模型計算參數(shù)

表2 地層參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

首先需要對模型參數(shù)進(jìn)行賦值，進(jìn)行應(yīng)力初始化操作，然后再進(jìn)行數(shù)值模擬分析。泡沫輕質(zhì)土上部還要進(jìn)行水泥穩(wěn)定土層以及賽道基層和面層施工。為了研究泡沫輕質(zhì)土頂部的沉降，將頂部荷載轉(zhuǎn)化為泡沫輕質(zhì)土頂面的均布荷載。在 FLAC 中對模型頂部施加荷載后的位移云圖如圖 1 所示，模型頂部的位移最大值為 14.36 mm。為了分析泡沫輕質(zhì)土的填筑效果，采用常規(guī)填土替換泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行分析。常規(guī)填土的力學(xué)參數(shù)如下：體積模量為 16.67 MPa，剪切模量為 5.56 MPa，密度為 19 kN/m3，黏聚力為 21 kPa，內(nèi)摩擦角為 15°，其他參數(shù)均保持不變，模型的計算結(jié)果如圖 2 所示，模型頂部的位移最大值為 20.81 mm。選擇泡沫輕質(zhì)土作為路基填料能夠顯著減小路基頂部沉降。

圖1 泡沫輕質(zhì)土數(shù)值計算結(jié)果

圖2 常規(guī)填土數(shù)值計算結(jié)果

3 泡沫輕質(zhì)土填筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 發(fā)泡輕質(zhì)土的密度對沉降的影響

發(fā)泡輕質(zhì)土的密度對路基的沉降影響很大。為了研究密度對路基沉降的影響規(guī)律，各參數(shù)取值如表 1 所示，僅改變密度的大小。密度的取值分別為 5.0 kN/m3、5.5 kN/m3、6.0 kN/m3、6.5 kN/m3、7.0 kN/m3、7.5 kN/m3、8.0 kN/m3，按照 2.3 節(jié)的方法對模型進(jìn)行賦值計算，記錄各密度參數(shù)下沉降的最大值，計算結(jié)果如圖 3 所示。泡沫輕質(zhì)土密度越大，沉降值越大。分別監(jiān)測距離模型中心點的距離為0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 的沉降值，計算結(jié)果如表 3所示。距離模型中心的距離越大，沉降值越大。

表3 不同密度參數(shù)下的路基沉降

圖3 各密度參數(shù)下的最大沉降

3.2 發(fā)泡輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度對沉降的影響

發(fā)泡輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度對路基的沉降影響很大。為了研究抗壓強(qiáng)度對路基沉降的影響規(guī)律，其他參數(shù)不變，僅改變抗壓強(qiáng)度的大小?？箟簭?qiáng)度的取值分別為 1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa、4.0 MPa，按照2.3節(jié)的方法對模型進(jìn)行賦值計算，記錄各抗壓強(qiáng)度參數(shù)下沉降的最大值，計算結(jié)果如圖 4 所示。分別監(jiān)測距離模型中心點的距離為 0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 的沉降值，計算結(jié)果如表 4 所示。

圖4 各抗壓強(qiáng)度參數(shù)下的最大沉降

表4 不同抗壓強(qiáng)度參數(shù)下的路基沉降

4 結(jié) 語

（1）當(dāng)發(fā)泡輕質(zhì)土作為路基填料時較常規(guī)填土能顯著地減小路基沉降，對賽道高填方區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬計算，沉降值由 20.81 mm 減小到 14.36 mm。

（2）通過 FLAC 數(shù)值模擬軟件對泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，明確了泡沫輕質(zhì)土的密度和抗壓強(qiáng)度是施工時需要重點控制的指標(biāo)，應(yīng)盡量減小泡沫輕質(zhì)土的密度，增大泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度。施工時應(yīng)控制泡沫輕質(zhì)土的配合比，使其達(dá)到路基填筑要求。