路用泡沫混凝土不同置換形式下路基變形研究

蔡海良, 單志雄

(1.湖南華咨工程咨詢有限公司, 湖南 長沙 410011; 2.湖南尚上市政建設(shè)開發(fā)有限公司, 湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著泡沫混凝土的發(fā)展及制備工藝提高，其在工程中的應(yīng)用愈發(fā)普遍[1-5]。由于泡沫混凝土具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度較高、環(huán)保及保溫等特點(diǎn)，不僅可以用作保溫材料，還可以很好地應(yīng)用在路基材料中。近年來，許多學(xué)者對泡沫混凝土在路基回填處理方面的效果進(jìn)行了研究，并取得一些成果[6-9]。如劉浩等[10]以某路基工程為背景，對泡沫混凝土的力學(xué)特性進(jìn)行研究，并就泡沫混凝土的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及價格等方面的優(yōu)勢進(jìn)行了分析，得出可合理應(yīng)用在工程中的結(jié)論；周捷等[11]以某工程為例，借助FLAC3D對經(jīng)泡沫混凝土處理過的路基進(jìn)行建模分析，并對工程中兩種換填路基的位移進(jìn)行分析，得出泡沫混凝土換填路基能有效減少公路沉降的結(jié)論；汪迎紅[12]通過對泡沫混凝土強(qiáng)度特性的研究，得出試件抗壓強(qiáng)度隨著試件濕度增加而提高的規(guī)律，且干燥養(yǎng)護(hù)時的抗壓強(qiáng)度要明顯高于浸水養(yǎng)護(hù)時的強(qiáng)度。盡管眾多學(xué)者從路用泡沫混凝土的應(yīng)用、強(qiáng)度、變形等方面進(jìn)行了大量研究，并取得了一定研究成果，但不同的泡沫混凝土路基置換結(jié)構(gòu)形式具有不同的變形特性，在該方面的研究卻十分少見。本文以某高速公路工程為依托，基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別對3種不同路用泡沫混凝土路基置換結(jié)構(gòu)形式下的變形特性進(jìn)行研究，為路用泡沫換填路基工程提供參考。

1 不同路基置換結(jié)構(gòu)形式

路用泡沫混凝土是將發(fā)泡劑通過發(fā)泡機(jī)進(jìn)行充分發(fā)泡，并將水泥漿液與泡沫及其他外摻材料按比例混合均勻，形成的一種具有大量封閉氣孔結(jié)構(gòu)的輕型填筑材料。路用泡沫混凝土具有容重小、強(qiáng)度可調(diào)性好、流動性高及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。伴隨著泡沫混凝土生產(chǎn)技術(shù)的逐步提升，其在國內(nèi)道路建設(shè)工程中的應(yīng)用愈加廣泛，尤其在東南沿海軟土分布區(qū)，路用泡沫混凝土被大量應(yīng)用于軟基路堤填筑以及橋臺臺背填筑中，其主要優(yōu)點(diǎn)如下： ①可大幅降低填土荷載，減少軟基的附加應(yīng)力，抑制軟基的沉降和側(cè)移，提高路堤的穩(wěn)定性；②可簡化甚至取消其它軟基處理，簡化軟基路堤中地下結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)設(shè)計；③施工工期短。

現(xiàn)階段路用泡沫混凝土置換路堤形式主要采用階梯形置換，常見的結(jié)構(gòu)形式有3種，分別為凸字形、倒梯形及倒臺形，如圖1所示。

a) 凸字形

b) 倒梯形

c) 倒臺形

3種置換形式中，路基同等置換截面下，凸字形置換形式工程用量最小，工程造價最小，但施工工序相對其他兩種形式較為復(fù)雜，一般應(yīng)用在置換深度較淺的軟土路基中；倒梯形及倒臺形置換形式雖然工程量相對較大，但施工工序較為簡單，在路基開挖時自穩(wěn)能力較好，可應(yīng)用于置換深度較深的軟土路基。

2 路基計算模型建立

某高速公路項(xiàng)目主線段MK2+152～MK2+232路基高度為3 m，路面寬度為25 m，路基淺部土層主要為粉土和砂土，分布厚度為20～30 m，呈松散 — 稍密狀態(tài)；中部為流速狀態(tài)淤泥質(zhì)土，分布在10～20 m范圍內(nèi)[13]；各土層參數(shù)如表1所示。為減小地基處理后地基土自重對地基土沉降的影響，選用泡沫混凝土置換法進(jìn)行該路基土處理[14]。

表1 路基各土層物理參數(shù)地層土質(zhì)黏聚力/kPa摩擦角/(°)壓縮模量/MPa密度/(g·cm-3)1粉土2.7522.9710.921.972砂土3.2024.7010.912.103淤泥質(zhì)黏土8.794.713.541.82

由于高速公路的軸向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸，可將復(fù)雜的空間應(yīng)變問題近似簡化為平面應(yīng)變問題。本次研究建立的路基模型參數(shù)為：路基高3 m，路面寬度25 m，路基邊坡比1∶1.5，路堤寬度34 m，計算路基厚度31.5 m，計算路基寬度60 m。即x軸方式坐標(biāo)范圍為-30～30，z軸方向坐標(biāo)范圍為-31.5～3，y軸方向選取1個單位長度進(jìn)行計算。計算模型如圖2所示。

a) 凸字形

b) 倒梯形

c) 倒臺形

對路基建立數(shù)值計算模型時，做出以下假設(shè)： ①考慮平面應(yīng)變問題，進(jìn)行二維差分計算；②路基材料采用摩爾庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計算；③泡沫混凝土與土體之間的接觸關(guān)系為完全連續(xù)；④荷載設(shè)置為路基自重荷載；⑤邊界條件：在路基、基地兩個方向進(jìn)行約束，對地基寬度的外側(cè)進(jìn)行水平約束，路基中心線處加對稱約束。在建模過程中，為保證不同路用泡沫混凝土置換結(jié)構(gòu)形式具有可比性，控制單位長度內(nèi)泡沫混凝土澆筑方數(shù)相等，即在模型平面內(nèi)表現(xiàn)為路用泡沫混凝土置換斷面面積相同。計算模型材料參數(shù)如表2所示。

表2 計算模型材料參數(shù)材料參數(shù)密度/(kg·cm-3)泊松比彈性模量/MPa內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力/kPa路基1 700～2 2000.2-0.4300～1 000——路用泡沫混凝土6000.23501215

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

圖3為路用泡沫混凝土3種不同置換結(jié)構(gòu)形式下的豎向位移云圖。由圖可知，泡沫混凝土3種置換結(jié)構(gòu)形式下的位移均呈現(xiàn)馬蹄狀，在路基自重荷載作用下中間部位位移沉降最大，路基坡腳處的位移沉降最小，且沿路基中軸線呈軸對稱。由圖3可知，凸字形置換結(jié)構(gòu)中心區(qū)豎向位移最大，且最大位移影響區(qū)范圍最小，中心區(qū)最大位移為14～15 cm；倒梯形和倒臺形置換結(jié)構(gòu)中心區(qū)豎向最大位移為12～13 cm，其位移沉降值小于凸字形置換結(jié)構(gòu)形式，且倒梯形置換結(jié)構(gòu)形式最大位移影響區(qū)范圍最大，倒臺形置換結(jié)構(gòu)形式最大位移影響區(qū)范圍次之，但倒臺形置換結(jié)構(gòu)形式的坡腳影響效應(yīng)較為顯著。

a) 凸字形

b) 倒梯形

c) 倒臺形

圖4為路用泡沫混凝土3種不同置換結(jié)構(gòu)形式下的豎向應(yīng)力云圖。由圖4可知，凸字形泡沫混凝土置換結(jié)構(gòu)形式由于底部接觸面積較大，豎向自重應(yīng)力分布較為均勻；倒梯形和倒臺形泡沫混凝土由于置換結(jié)構(gòu)形式底部接觸面積較小，其上部自重較大，致使其底部的應(yīng)力分布集中在坡腳部位。由此可見，不同泡沫混凝土置換結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)力分布會呈現(xiàn)不同的位移變化現(xiàn)象。

a) 凸字形

b) 倒梯形

c) 倒臺形

為分析泡沫混凝土路基不同置換結(jié)構(gòu)形式下位移隨深度的變化，在不同置換形式路基中心處[模型坐標(biāo)(0，0，0)]及路基坡腳處[模型坐標(biāo)(±17，0，0)]進(jìn)行沉降位移提取，其沉降變化如圖5所示。

a) 路基中心處

b) 路基坡腳處

由圖5可知，采用泡沫混凝土的3種路基置換結(jié)構(gòu)形式對路基進(jìn)行處理，均可有效減少路基沉降，對路基中心處的位移沉降處理效果最為顯著，且路基高度越大，處理效果愈加明顯有效。由于泡沫混凝土自重較小，因此其在自重應(yīng)力作用下的沉降位移遠(yuǎn)小于普通路基土，當(dāng)深度增加時，自重應(yīng)力隨之增加，其沉降位移差異愈加明顯。除此之外，由于不同的置換結(jié)構(gòu)形式與基地接觸面積有所差異，故在自重應(yīng)力作用下，置換結(jié)構(gòu)與路基接觸處會表現(xiàn)出不同的應(yīng)力狀態(tài)。具體表現(xiàn)為凸字形置換結(jié)構(gòu)形式下的應(yīng)力分布較為均勻，其最大沉降位移影響范圍較為均勻地分布在泡沫混凝土置換基底下；而倒梯形和倒臺形置換結(jié)構(gòu)形式基底面積較小，會在基底接觸面的兩側(cè)呈現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)，致使其最大沉降位移影響范圍向坡腳兩側(cè)擴(kuò)展。

4 工程監(jiān)測路基沉降位移分析

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，在豎向沉降位移處理效果上，3種處理方式的最大沉降位移值相差不大，為保證路基基底受力更加均勻，應(yīng)盡量避免基地應(yīng)力集中現(xiàn)象，故此對該高速公路的路基采用凸字形置換結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行處理，置換原有路基高度為2.2 m，路基寬度為20 m。并對處理前后的路基位移變化進(jìn)行長期監(jiān)測，其豎向位移變化如圖6所示。由圖6可知，未采用泡沫混凝土進(jìn)行處理的路基中心沉降最大值為25.16 cm；采用泡沫混凝土處理的路基中心豎向位移沉降最大值為14.89 cm，為處理前的59.18%。因此，采用泡沫混凝土處理軟土路基能夠有效減少豎向沉降位移。

圖6 路基監(jiān)測豎向位移沉降變化圖

分別在路基距路面位置0.05、1、3、5、7 m深度土層布置土壓力傳感器，監(jiān)測路基中心位置至坡腳處的地基附加應(yīng)力變化，如圖7所示。由圖可知，泡沫混凝土處理過的軟土路基附加應(yīng)力均小于未處理的路基附加應(yīng)力，由于泡沫混凝土容重小于軟土層容重，因此其在同一深度處的路基自重應(yīng)力及附加應(yīng)力均較小。由圖7a可知，泡沫混凝土處理過的軟土路基基底壓力最大值出現(xiàn)在距路基中心處5 m左右，隨著地基埋深增加，路基附加應(yīng)力逐漸向坡腳處轉(zhuǎn)移；由圖7b可知，未進(jìn)行泡沫混凝土處理的路基附加應(yīng)力與路堤荷載均呈現(xiàn)梯形，在同一埋深下，路基的附加應(yīng)力分布較為接近。

a) 泡沫混凝土處理

b) 普通路基

5 結(jié)論

以某高速公路路基工程為依托，通過采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對3種不同路用泡沫混凝土路基置換形式進(jìn)行數(shù)值計算，對其位移沉降特性及處理效果進(jìn)行研究分析?？傻靡韵陆Y(jié)論：

1) 路用泡沫混凝土由于質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，在軟土路基換填處理中可有效減小路基沉降位移，增加換填路基的強(qiáng)度，當(dāng)路基土埋深越大時，換填效果越好，該置換效果對路基中心處的位移沉降最為顯著。

2) 倒梯形和倒臺形置換形式的中心區(qū)豎向最大位移為12～13 cm，處理效果優(yōu)于凸字形置換形式下的中心區(qū)豎向最大位移14～15 cm；3種結(jié)構(gòu)形式均能有效處理軟土路基，在控制路基中心處位移沉降上可取得較好的效果。

3) 由于凸字形置換結(jié)構(gòu)接觸面較大，應(yīng)力分布較為均勻，最大沉降位移影響范圍均勻分布于接觸面下，倒梯形和倒臺形置換結(jié)構(gòu)接觸面小，會在基底接觸兩側(cè)呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使其最大沉降位移影響范圍向坡腳兩側(cè)擴(kuò)展。