EPS路用性能及填筑效果分析

張闖 余洋 楊淑娟 岑業(yè)波

摘要 隨著城市交通的快速發(fā)展，城市道路改擴建工程量加大，為減少對地鐵結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力與擾動，輕質(zhì)材料EPS被廣泛應(yīng)用于地鐵上方道路的填筑。文章依托楊高中路（中環(huán)立交—金海路）改建工程路，通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場監(jiān)測與有限元仿真，分析地鐵上方機動車道EPS的填筑效果。結(jié)果表明：EPS具有超輕性、良好的壓縮性和疲勞特性；EPS填筑能顯著減小路基內(nèi)的車輛附加應(yīng)力，減小對地下結(jié)構(gòu)的影響；施工時老路基開挖與EPS填筑對地鐵結(jié)構(gòu)的影響很小，不會影響地鐵的正常運營；運營期間EPS拓寬路基的工后沉降量較小，且隨時間趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞 EPS路基；路用性能；路基結(jié)構(gòu)響應(yīng)；地鐵變形；填筑效果

中圖分類號 U213.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0093-04

0 引言

土工泡沫塑料，也稱發(fā)泡聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS）是一種具有蜂窩狀封閉結(jié)構(gòu)的高分子土工合成材料。EPS由于獨特的封閉空腔結(jié)構(gòu)，具有超輕性、化學穩(wěn)定性、自立性、施工便捷性等特點。因此，常用作輕質(zhì)填料，以解決擋土墻結(jié)構(gòu)的回填、軟弱地基上修筑道路的過度沉降以及新老路基的差異沉降等問題^[1]。

EPS在國外道路工程中的應(yīng)用最早可追溯到20世紀50年代，德國進行的一項調(diào)查中評估了EPS用作路面隔熱材料的適用性^[2]。隨后，挪威、日本逐漸加大EPS的研究與推廣，將EPS用于軟基的橋臺、路基填筑等領(lǐng)域^[3]。國內(nèi)對EPS的試驗研究和工程應(yīng)用要略遲于國外。1993年，白冰等提出在結(jié)構(gòu)物頂部鋪設(shè)EPS層可以減少不均勻沉降引起的附加應(yīng)力與結(jié)構(gòu)縱向開裂^[4]。隨后，杜騁、凌建明等通過室內(nèi)試驗，對EPS的壓縮、蠕變、強度等特性進行了探究與規(guī)律分析^[5-6]。鄭慧振、陳志芳探究了EPS在軟土地基路基拓寬工程、橋頭跳車防治與城市快速路的應(yīng)用^[7-8]。

近年來，隨著城市交通快速發(fā)展，城市道路改擴建工程與既有地鐵結(jié)構(gòu)難以避免地存在空間重疊問題。地鐵上方的道路改建工程應(yīng)盡量減少對地鐵結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力與變形擾動，EPS被廣泛應(yīng)用于地鐵上方道路的填筑^[9]。但是，目前對于施工期與運營期地鐵上方EPS對地鐵的影響與填筑效果研究較少。

該文依托上海市地鐵9號線上的楊高中路（中環(huán)立交—金海路）改建工程，首先通過室內(nèi)試驗確定EPS的密度、強度、疲勞特性等，根據(jù)現(xiàn)場試驗與有限元仿真，從行車荷載下EPS拓寬路基內(nèi)部的附加應(yīng)力、EPS填筑前后的地鐵結(jié)構(gòu)的變形、EPS拓寬路基的工后沉降等角度探究了地鐵上方EPS填筑效果。

1 EPS路用性能

1.1 密度

采用電熱絲將EPS塊體切割成50 mm×50 mm×50 mm立方體試件，把試件放入60 ℃烘箱烘24 h，取出后用毫米刻度尺測量幾何尺寸，長、寬、高均精確到0.1 mm，然后用電子天平稱其質(zhì)量，計算出密度。試驗結(jié)果表明，現(xiàn)場所用EPS塊體的密度為38.3 kg/m3，大約是土的1/50～1/100。

1.2 壓縮性

通過對EPS試件單軸壓縮試驗可得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線，如圖1所示。由圖可知，當壓縮應(yīng)變ε≤1%時，EPS塊體的應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。文獻^[6]中的結(jié)論為在壓應(yīng)變不超過0.8%～2%時，材料處于線彈性變形階段，與該文結(jié)果一致。為避免運營期行車荷載對EPS塊體產(chǎn)生塑性變形，EPS的抗壓強度設(shè)計取值應(yīng)為EPS處于彈性變形范圍內(nèi)時允許的最大壓應(yīng)力。因此，依托工程現(xiàn)場所用EPS的抗壓強度不應(yīng)小于120 kPa。

1.3 疲勞特性

EPS塊體在不同應(yīng)力水平下荷載作用次數(shù)與壓應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖2所示。關(guān)系曲線主要呈現(xiàn)兩種類型：①當應(yīng)力水平≤0.43時，隨著荷載作用次數(shù)的變化，EPS塊體始終處于彈性變形范圍，卸載后EPS的變形回彈至原位；②當應(yīng)力水平≥0.53時，隨著荷載作用次數(shù)的增加，EPS塊體出現(xiàn)塑性位移；且當應(yīng)力水平高于閾值時，隨著應(yīng)力水平的增加，EPS發(fā)生破壞的荷載作用次數(shù)逐漸降低。不同應(yīng)力水平下，壓應(yīng)變和荷載作用次數(shù)之間可采用指數(shù)或冪函數(shù)進行表示，如表1所示。

2 有限元仿真模型

2.1 幾何模型和材料參數(shù)

根據(jù)施工圖冊與現(xiàn)場傳感器埋設(shè)位置，選定交叉口范圍內(nèi)的挖方路基（路面結(jié)構(gòu)新建）新老路基搭接填筑結(jié)構(gòu)，如圖3所示。考慮應(yīng)力擴散作用，道路有限元模型縱向（沿行車方向）取20 m，同時為了避免邊界效應(yīng)的影響，橫向（垂直行車方向）在機動車道（3.5 m×4）兩側(cè)依據(jù)現(xiàn)場情況分別設(shè)置3.5 m的非機動車道和中央分隔帶。

2.2 荷載模型與參數(shù)

在每個車道施加道路設(shè)計標準軸載：BZZ-100型標準車，荷載集度為q=0.7MPa，輪胎作用范圍為單量圓直徑d=21.3 cm，雙輪間距1.5 d。有限元軟件分析中圓形在網(wǎng)格劃分時效果較差，為了提升網(wǎng)格劃分效果，將輪印假定為矩形。矩形輪印的長度a與寬度b采用等效面積進行計算。

a=0.871 2L （1）

b=0.6L （2）

式中，a——矩形輪印的長度（m）；b——矩形輪印的寬度（m）。計算得L=0.261 1 m，則a=0.227 5 m，b=0.156 6 m。

2.3 邊界條件和單元類型

三維道路有限元模型中X方向代表道路橫向（垂直行車方向），Y方向代表道路縱向（沿行車方向），Z方向代表路基路面結(jié)構(gòu)的豎方向。模型四面約束法向位移，底面約束所有自由度，與車輪接觸面施加荷載。為了防止邊界約束對動態(tài)力學響應(yīng)的影響，加載位置距縱向前后兩端邊界各10 m，網(wǎng)格劃分時有限元單元類型采用C3D8R，具體模型如圖4所示。

2.4 現(xiàn)場試驗與模型驗證

在EPS填筑范圍內(nèi)最靠近中央分隔帶的機動車道4上埋設(shè)土壓力盒，如圖5所示。其中土壓力盒1埋設(shè)在開挖路基頂部的黃沙層內(nèi)，土壓力盒2埋設(shè)在EPS層頂部。后續(xù)開放交通發(fā)現(xiàn)土壓力盒2損壞。故只監(jiān)測土壓力盒1的數(shù)據(jù)變化值，與模型計算得到的豎向附加應(yīng)力峰值進行對比。如圖6所示，小轎車和貨車產(chǎn)生的豎向附加壓應(yīng)力仿真值在實測均值附近，故認為模型可行。

3 結(jié)果與討論

3.1 行車荷載作用下EPS拓寬道路的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

不同深度處豎向附加應(yīng)力的橫向分布，如圖7所示。由圖7（a）可知，路面結(jié)構(gòu)層中的豎向附加壓應(yīng)力在每個車道內(nèi)呈現(xiàn)單峰特征，峰值位置為車輛荷載的中心線。在EPS層頂（z=0.88 m），仍能觀察到每個車道明顯的波峰，同時也能觀察到老路基與EPS層、黃沙層分界處出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著距路表深度的增加，在應(yīng)力擴散作用下應(yīng)力波峰逐漸減緩，路基1 m（z=2.38）以下應(yīng)力波峰已經(jīng)不明顯。

圖7（b）表明，在EPS層和黃沙層，由于機動車道1和機動車道2之間存在老路基與EPS、黃沙的分界，機動車道4存在EPS、黃沙與中央分隔帶的分界，因此存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象導致機動車道1和4的豎向附加壓應(yīng)力最大值較機動車道2和3存在突變。其中EPS層頂位置機動車道1～4的豎向附加壓應(yīng)力最大值分別為4.53 kPa、4.73 kPa、4.87 kPa和4.64 kPa。而常規(guī)路基材料在標準軸載下路基頂面的豎向附加壓應(yīng)力為7～12 kPa。因此，EPS填筑能有效降低路基內(nèi)部車輛附加應(yīng)力。黃沙層以下隨著距路表深度的繼續(xù)增加，豎向附加壓應(yīng)力繼續(xù)減小，但減小的速度放緩。

3.2 填筑前后地鐵結(jié)構(gòu)變形

取填筑下方附近100 m范圍內(nèi)地鐵上、下行線的地鐵結(jié)構(gòu)變形測點數(shù)據(jù)。每個測點間距10 m，共包含40個測點。地鐵結(jié)構(gòu)變形包括垂直位移（沉降）與水平位移（收斂）。沉降與收斂的報警值均為5 mm，如圖8所示。可以看出，填筑前后地鐵結(jié)構(gòu)的沉降與收斂變形在3 mm以內(nèi)，小于報警值。這說明老路基開挖與EPS填筑對地鐵的影響很小，不會影響地鐵的正常運營。

3.3 EPS拓寬道路路表工后沉降

依托工程EPS拓寬路段于2022年11月通車，此后每個月對路表沉降進行一次監(jiān)測。測點位于EPS填筑的機動車道上方，共計3個測點，每個測點間距10 m。通車后EPS填筑段路表累積沉降曲線，如圖9所示。由圖可以看出，隨著時間推移，沉降逐漸趨于穩(wěn)定，在通車后第4個月沉降速率小于5 mm/月，早期的沉降主要來自EPS自身壓縮^[9]。通車9個月后EPS填筑效果良好，累積沉降2～3 cm，小于《上海道路路基設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的城市主干路20 cm的工后沉降閾值。此外，沉降新老路基結(jié)合部分未出現(xiàn)明顯的不均勻沉降或開裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論與展望

（1）當壓縮應(yīng)變ε≤1%情況下EPS塊體其應(yīng)力與應(yīng)變均呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系；當應(yīng)力水平達到0.53的閾值，EPS塊體在重復(fù)荷載作用下出現(xiàn)塑性破壞。

（2）EPS層頂豎向附加壓應(yīng)力最大值僅為4.87 kPa，約為常規(guī)路基材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部附加壓應(yīng)力的1/2。這表明EPS填筑能顯著減小路基內(nèi)的車輛附加應(yīng)力，減小對地下結(jié)構(gòu)的影響。

（3）EPS填筑前后地鐵結(jié)構(gòu)的沉降與收斂變形在3 mm以內(nèi)，小于報警值。這說明老路基開挖與EPS填筑對地鐵的影響很小，不會影響地鐵的正常運營。

（4）運營9個月后EPS拓寬路基的工后沉降，隨時間逐漸趨于穩(wěn)定，累積沉降在2～3? cm，遠小于規(guī)范中20 cm的閾值，填筑效果良好。

參考文獻

[1]Mohajerani A， Ashdown M， Abdihashi L， et al. Expanded polystyrene geofoam in pavement construction[J]. Construction & Building Materials， 2017， 157： 438-448.

[2]Beinbrech G， Hillmann R. EPS in road construction—current situation in Germany[J]. Geotextiles and Geomembranes， 1997（1-3）： 39-57.

[3]Frydenlund T E， Aab?e R. Long term performance and durability of EPS as a lightweight filling material[J]. 3rd International ConferenceEPS Geofoam， 2001： 1-15.

[4]白冰， 陸士強. 聚苯乙烯泡沫塑料的測試及其在土工中的應(yīng)用[J]. 巖土工程學報， 1993（2）： 5.

[5]杜騁， 楊軍. 聚苯乙烯泡沫（EPS）的特性及應(yīng)用分析[J]. 東南大學學報（自然科學版）， 2001（3）： 138-142.

[6]凌建明， 吳征， 葉定威， 等. 壓縮條件下發(fā)泡聚苯乙烯的本構(gòu)關(guān)系和疲勞特性[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2003（1）： 21-25.

[7]鄭慧振. EPS輕質(zhì)路堤及在軟土地基橋頭跳車防治中的應(yīng)用研究[D]. 西安：長安大學， 2009.

[8]陳志芳. EPS輕質(zhì)路堤在城市快速路工程中的應(yīng)用[J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版）， 2019（14）： 118-119.

[9]張勇. 地鐵工程上覆樞紐道路輕質(zhì)路基材料研究與工程應(yīng)用[D]. 南京：東南大學， 2022.

收稿日期：2023-10-14

作者簡介：張闖（1990—），男，本科，工程師，研究方向：市政公用工程。