軟土路基泡沫輕質土分層填筑沉降分析及參數(shù)影響研究

丁 英

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，湖北 武漢 432000)

0 前 言

大規(guī)模沉降是路基病害中最普遍且最影響路面安全的病害之一，尤其在地質條件不佳的軟土區(qū)，由于地基土本身不穩(wěn)定的特性，極易使路基產生較大的不均勻沉降現(xiàn)象，泡沫輕質土的研發(fā)與應用為軟土區(qū)路基的建設施工提供了解決方案。泡沫輕質土是由水、水泥和氣泡按一定比例進行混合攪拌形成的輕型填土材料，由于氣泡的存在，泡沫輕質土自身容重較小，質量密度、滲透性及吸水性較低，但自身強度較高，故相對于常規(guī)填土方式，泡沫輕質土對地基承載力的要求較低，因此，泡沫輕質土常被用作軟土區(qū)路基的填筑材料。楊瑩對泡沫輕質土在高填幫寬路基中的應用展開研究，依托現(xiàn)場試驗的是測試數(shù)據(jù)，研究了泡沫輕質土對新老路堤搭接處產生的附加應力，并與普通填土進行對比，驗證了泡沫輕質土在高填幫寬路基施工中的優(yōu)越性[1]；許江波等對泡沫輕質土的合成材料進行分析，探討了聚丙烯纖維對于提高泡沫輕質土彈性模量的有效性，通過循環(huán)加卸載的方式分析了泡沫輕質土的內部損傷規(guī)律[2]；葉咸等以復雜地質條件下的高填方段路基為研究對象，探討了該類工程條件下泡沫輕

質土填筑方案的可行性[3]；蔡歷穎等采用數(shù)值模擬的方法對泡沫輕質土在軟土路基中的性能展開分析，得到了軟土區(qū)泡沫輕質土填筑路基的沉降規(guī)律[4]；駱永震等基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件對加筋泡沫輕質土在路基施工中的應力變形展開研究，提出了加筋泡沫輕質土的最佳加緊率確定方法[5]。

1 工程概況

經開至漢南一體化全力三路改造項目高速公路二標段路線總長27.35 km，主線采用雙向八車道標準設計，最高設計時速為100 km/h，路基寬度為42 m，輔道最高設計時速為50 km/h。根據(jù)現(xiàn)場地質勘察、地質調繪及地質取樣巖土試驗，主要巖層類型有素填土、粉質黏土、淤泥質土、和強風化粉砂質泥巖，由于原路基土質多為人工素填土、粉質黏土和淤泥質土，采用常規(guī)填土方式提高原有路基土體模量成本較高，為消除原軟土路基不良地質在修建高速公路路基時的影響，使回填后的土體性質達到設計要求，工程采用泡沫輕質土對路堤進行分層填筑。對原人工素填土進行置換回填，泡沫輕質土總填筑高度為3 m，每次按1 m高度進行填筑，總計3次填筑。泡沫輕質土置換回填區(qū)域上覆素混凝土保護層和路面結構層，下設路基墊層，以減小路基工后沉降。

2 數(shù)值模型

對該工程建立數(shù)值計算模型，模型上邊界取至路基結構層頂部，下邊界深度取20.25 m，左右寬度取35 m，路堤邊坡按1∶1.5系數(shù)進行放坡處理。各地層深度分布為：路面結構層0.75 m，素混凝土保護層0.2 m，泡沫輕質土置換回填區(qū)分三次填筑共計3 m，路基墊層0.3 m，粉質黏土區(qū)深度3 m，淤泥質土區(qū)深度5 m，強風化泥巖區(qū)深度8 m。主要土層巖土材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

基于Abaqus平臺對泡沫輕質土在軟土路基中的分層填筑施工過程進行二維數(shù)值模擬，由于路基結構的對稱性，取半結構進行建模分析，采用摩爾-庫倫屈服準則定義各土層材料屬性。模型上邊界不設約束，對兩側邊界進行法向約束，對底部邊界進行切向和法向共同約束，采用CPE4R四結點平面應變四邊形單元和CPE3三節(jié)點平面應變三角形單元共同進行網格劃分，使用Abaqus中的Model Change功能對分層澆筑的泡沫輕質土單元進行殺死與激活操作。模型共劃分2 838節(jié)點，2 731單元。

3 沉降分析

由于路基中土層分布的多樣性，分層填筑模擬前需要對模型進行地應力平衡，消除由模型自身重力場對計算結果造成的影響，實現(xiàn)模擬前單元內部位移清零。采用Abaqus中GEOSTATIC功能對分層填筑前的路基基礎進行地應力平衡，根據(jù)路基地應力平衡結果可知，泡沫輕質土分層填筑前，路基模型內部位移幾乎趨近于零，滿足模擬條件。

由第一層泡沫輕質土填筑后的路基沉降云圖可知第一層泡沫輕質土填筑完成后路基最大沉降出現(xiàn)在路基中線基底位置，沉降量為5.7 mm，沉降數(shù)值隨著深度的增加呈現(xiàn)出遞減趨勢，越靠近路基兩側處沉降量越小，路基邊線沉降量僅為3.2 mm左右。

由第二層泡沫輕質土填筑后的路基沉降云圖可知第二層泡沫輕質土填筑完成后路基最大沉降出現(xiàn)在第一層泡沫輕質土位置，沉降量約為11.3 mm。第二層泡沫輕質土填筑完畢后，填筑層頂面沉降量僅為4.5 mm左右，相較于第一層填筑，第二層泡沫輕質土填筑時路基表面所受到的沉降影響開始變小。

第三層泡沫輕質土填筑后的路基沉降云圖，由圖可知第三層泡沫輕質土填筑后，路基內沉降峰值出現(xiàn)區(qū)域出現(xiàn)小幅度上移，沉降云圖以第一層與第二層填筑區(qū)域為中心向四周擴散，沉降量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，此時路基沉降峰值為16.9 mm，路基中線頂面沉降量為5.2 mm。

素混凝土保護層及路面結構層施工完畢后的路基沉降云圖，由圖可知此時路基最大沉降區(qū)域并未發(fā)生明顯變化，沉降數(shù)值存在一定程度的增加，泡沫輕質土層最大沉降量達36.7 mm。路面中線處相較兩側沉降量較大，中線位置沉降量為19.5 mm左右，兩側沉降量為8.92 mm左右，路面整體呈現(xiàn)出馬鞍形沉降。

4 參數(shù)分析

由于泡沫輕質土可針對不同地質環(huán)境對材料配合比進行一定的改動，以改變自身力學特性適應不同地質條件的要求，為研究不同力學特性下分層填筑泡沫輕質土對路基沉降的影響，對泡沫輕質土部分力學特性展開參數(shù)分析，得到各參數(shù)在一定變化范圍路面中線沉降曲線，分析其變化規(guī)律。

圖1給出了泡沫輕質土彈性模量改變時路基中線的沉降變化曲線，由圖2可知，隨著泡沫輕質土彈性模量由100 MPa增加至250 MPa，施工完畢后的路面中線位置沉降量由23.14 mm降低至18.75 mm，呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，根據(jù)圖中變化趨勢，隨著彈性模量的逐漸變大，沉降量減少幅度開始逐漸降低，彈性模量在100～150 MPa之間變化對路面中線處的沉降影響最大。

圖1 彈性模量影響曲線

圖2 粘聚力影響曲線

圖2給出了泡沫輕質土粘聚力改變時路基中線的沉降變化曲線，由圖2可知，泡沫輕質土粘聚力由100 kPa增加至250 kPa時，路面中線位置沉降量并未發(fā)生明顯變化，分析原因為該粘聚力變化范圍內的泡沫輕質土抗剪強度較高，故在此范圍內的粘聚力數(shù)值變化不會對沉降數(shù)值產生明顯影響。

圖3給出了泡沫輕質土泊松比改變時路基中線的沉降變化曲線，由圖3可知，泡沫輕質土泊松比由0.28增加至0.4時，路面中線的沉降量由20.98 mm減少至17.25 mm，可見隨著泡沫輕質土泊松比的增大，路面中線處沉降量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，根據(jù)圖中沉降曲線的變化趨勢可以推測，在一定變化范圍內隨著泊松比的逐漸增加，路面中線沉降量變化趨勢變得愈發(fā)明顯。

圖3 泡沫輕質土沉降變化曲線

4 結 論

(1)使用泡沫輕質土用于軟土路基填筑時，其沉降規(guī)律與普通填土路基相同，路基中線沉降較大，兩側沉降較?。?/p>

(2)泡沫輕質土用于軟土路基分層填筑時其沉降最大區(qū)域位于第一層填筑區(qū)和第二層填筑區(qū)中部，路面結構層施工后其最大沉降量為36.7 mm；

(3)泡沫輕質土的彈性模量和泊松比均對施工后路面中線沉降量有一定影響，隨著彈性模量和泊松比的增加，路面中線處沉降量均存在一定程度的降低，而粘聚力在100～250 kPa范圍內變化時，路面中線處沉降無明顯變化。