軟基道路擴(kuò)建工程中泡沫輕質(zhì)土換填厚度及路基變形規(guī)律研究

收稿日期：2024-01-03

作者簡介：魏先永（1976—），男，大專，工程師，研究方向：道路橋梁。

摘要 以軟基道路擴(kuò)建工程中泡沫輕質(zhì)土換填厚度及路基變形規(guī)律為研究對象，旨在探究泡沫輕質(zhì)土在道路工程中的應(yīng)用效果。采用實驗室模型試驗和數(shù)值模擬方法，研究不同泡沫輕質(zhì)土換填厚度對路基變形的影響。結(jié)果表明增加泡沫輕質(zhì)土的換填厚度可以有效減緩路基的變形和沉降，提高軟基地基的承載能力，為軟基道路工程的設(shè)計和施工提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持，研究結(jié)論可為類似工程的實踐提供參考，促進(jìn)道路工程的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 軟基道路；泡沫輕質(zhì)土；換填厚度；路基變形

中圖分類號 U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0155-03

0 引言

既有道路不能滿足日益增加的交通量，需對既有道路進(jìn)行擴(kuò)容改造。為了保證車輛運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和乘坐舒適性，對道床的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及耐久性提出更高要求。與一般道路相比，對路基的要求更為苛刻，其最突出的表現(xiàn)就是路基沉陷的控制。在保證路基強(qiáng)度的同時，對路基變形也提出更高的要求。以某公路為例，采用一種新型的填充方式治理軟土路基的變形，采用大型通用分析程序ANSYS對其進(jìn)行數(shù)值仿真分析。首先，基于彈性力學(xué)理論，構(gòu)建置換填充型輕質(zhì)土組合基礎(chǔ)的變形計算方法；然后利用有限元法，對置換后的置換變形進(jìn)行數(shù)值分析并建立仿真模型，進(jìn)行對比分析，最終確定出最優(yōu)的置換方案。

1 工程概況

某公路全長7.14 km，在20世紀(jì)90年代完工，但由于當(dāng)前的社會和經(jīng)濟(jì)環(huán)境，其建造方式和施工質(zhì)量均不能適應(yīng)現(xiàn)代城市的需求。根據(jù)調(diào)查，當(dāng)前道路路基寬度只有8 m，在軟基路段僅有0.5 m的厚碎石用來換填，沒有做任何深度的處理。自工程開始運(yùn)營以來，各個區(qū)域都出現(xiàn)了不同深度的下沉現(xiàn)象，部分地方的下沉程度甚至達(dá)到70 cm?？傮w來講，道路狀況相當(dāng)糟糕，損壞的情況也相當(dāng)突出。為了適應(yīng)當(dāng)前的交通需求，必須對道路進(jìn)行擴(kuò)建。由于這個道路項目位于一個水資源豐富的地方，全線都覆蓋著淤泥和淤泥質(zhì)的軟土，這些土壤的埋藏深度和厚度都很大，并且具有抗剪切力弱、壓縮性高等特性。由于路堤填料層的結(jié)構(gòu)特點，尤其是軟土和粉質(zhì)黏土，其力學(xué)性能相對較差。通過對該地區(qū)的調(diào)查，得出了該地區(qū)各層的主要物理和機(jī)械特性指標(biāo)[1]，詳見表1所示。其中，λ是土的等向固結(jié)曲線沿v-lnp面的坡度；k是土的彈模系數(shù)，也就是試樣在v-lnp面上的卸荷曲線的坡度；M是土樣應(yīng)力比。

（1）

2 軟基道路換填厚度有限元模型建立

2.1 土體的本構(gòu)模型

由于土壤是散體，在剪切過程中會發(fā)生膨脹，并且其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓縮極限，因此通常采用的VonMises屈服判據(jù)已不再適合。土力學(xué)中最常見的屈服標(biāo)準(zhǔn)是馬氏-奧盧姆布和杜克塞-普格屈服判據(jù)。在此基礎(chǔ)上，提出一種新的材料本構(gòu)關(guān)系——Drucker-Prager模型，其對土體進(jìn)行有限元法計算時，可以獲得更高的精度。這種方法是對馬爾-柯洛姆標(biāo)準(zhǔn)的一個逼近，用于修改馮米斯的屈服條件。當(dāng)側(cè)壓（靜水壓）增大時，其屈服面不會發(fā)生變化，因此無加強(qiáng)判據(jù)，但其屈服強(qiáng)度會隨側(cè)壓（靜水壓）增大而增大，表現(xiàn)為理想彈塑性。在ANSYS中DP物料選擇的參數(shù)表格中，需要填寫三個數(shù)值：黏聚力C、內(nèi)摩擦角Ф和膨脹角[2]。當(dāng)擴(kuò)張角度為0 °時，沒有體積擴(kuò)張；當(dāng)擴(kuò)張角度與內(nèi)摩擦角相等時，就會出現(xiàn)較大的體積膨脹。根據(jù)D-P屈服判據(jù)，提出了土體的屈服條件，具體見式（2）和式（3）：

（2）

（3）

2.2 材料的選擇及所用參數(shù)

第一個層次：棕黃色的粉質(zhì)黏土，易塑；第二個層次：棕黃色的陶土，松軟可塑；第三層為棕灰色粉砂，具有可塑性；第四層：灰色、潮濕、中至密的粉質(zhì)黏土；第五層：棕灰色粉砂，可流動；第六層：灰色、潮濕、中至密的粉質(zhì)黏土。發(fā)泡輕質(zhì)土壤：在規(guī)范環(huán)境下，通過試驗獲得的（100 cm×100 cm×100 cm）的抗壓強(qiáng)度為1.8 N/mm2，由有關(guān)的關(guān)系式計算出其彈性模量E為4.45 GP。車輛荷載：利用公路中的載荷，把載荷轉(zhuǎn)換成平面載荷作用于該模型[3]。

2.3 建立模型

采用SOLID45有限元數(shù)值方法，將8個結(jié)點拼接在一起，形成具有塑性、拉脹、應(yīng)力增強(qiáng)和變形大等特點，且各構(gòu)件的變形符合幾何連續(xù)。在剖分時，在應(yīng)力集中區(qū)域，將其劃分為比較精細(xì)的區(qū)域，而在臨近區(qū)域，則將其劃分為比較厚的區(qū)域，從而構(gòu)成一種從細(xì)化到粗化的網(wǎng)格。除頂面以外，其余的界面也要加以限制：底面是一個固定的約束，四周的四個面要限制水平面內(nèi)兩個方向的變形，這樣就可以進(jìn)行上下運(yùn)動，也就是在圓周上設(shè)置一個垂直的滑移支承。

3 路基變形現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 基底應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

采用土壓箱法測定地基應(yīng)力，因3個測點的實測值相近，故選擇K148+000段為研究區(qū)域。將上部和下部的土壓力箱編號為T1-T5，通過對路堤進(jìn)行施工時的土體壓力進(jìn)行觀測，并根據(jù)實測的資料，將地基的應(yīng)力分布與地基的應(yīng)力分布進(jìn)行比較（如圖1所示）。

從圖1可以看出，地基上的應(yīng)力隨填土深度的增大而增大，并以填充后的泡沫輕量填料為最大值[4]。在T2型土壓機(jī)的基礎(chǔ)上，最大的是T1T5，最低的是T3。在填充泡沫輕量土后，地基的應(yīng)力仍有較大增長。而在施工結(jié)束后，其增長速度則顯著減緩，由于受到了車輛荷載的作用，在5個月后該增長速度已接近平穩(wěn)。

圖1 K148+000監(jiān)測斷面基底應(yīng)力變化曲線圖

3.2 基底應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果分析

同時，采集試件的應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，并給出相應(yīng)的應(yīng)力分布曲線，如圖2所示：

圖2 斷面基底應(yīng)變分布曲線圖

從圖2可以看出，該路段的變形呈盆狀，其基礎(chǔ)應(yīng)力的變化規(guī)律與一般公路的變形情況相似，在公路中心處的變形最大，而在路的兩邊則相對較小。因路堤兩邊的路堤填筑而引起的上部負(fù)荷增大，在多次觀測時段內(nèi)，路兩邊的路側(cè)變形都有很大變化。

3.3 分層沉降監(jiān)測結(jié)果分析

選取左幅為研究區(qū)域，在路堤頂部各2 m處進(jìn)行連續(xù)觀測，得到各層的沉降量隨時間的變化曲線[5]如圖3所示。

從圖3可以看出，在摻入泡沫輕質(zhì)土后，輕量壓縮率僅為一般填料的1/5左右，特別是在后期更為顯著。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)產(chǎn)生地層的分層沉陷，并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。試驗結(jié)果表明：在檢測初期，基礎(chǔ)的變形比實測值要大，而在后期，則有明顯減小的趨勢，這表明使用泡沫輕質(zhì)土能夠顯著減少路基的重量，減小其壓縮變形。

圖3 K148+100斷面分層沉降變化曲線圖

3.4 路基表面沉降監(jiān)測結(jié)果分析

對路堤表層沉陷進(jìn)行實時觀測，實測結(jié)果見表2所示：

表2 路基表面沉降監(jiān)測結(jié)果表

監(jiān)測

時間 本月

沉降/

cm 月平均沉降速率/

（mm/d） 累積沉降量/cm 填筑

高度/

m

左

路肩 路中 右

路肩 左

路肩 路中 右

路肩

6月 3.0 1.9 2.0 2.0 2.9 3.0 3.0 3.0

7月 5.7 2.0 1.9 1.4 8.8 8.7 8.7 7.1

8月 7.1 1.3 2.4 0.6 12.6 15.8 15.8 8.9

9月 3.8 0.3 1.3 0.3 13.5 19.6 19.6 9.9

10月 1.3 0.3 0.4 0.2 14.4 20.9 20.9 10.4

11月 0.4 0.1 0.1 0.1 14.7 21.3 21.3 10.6

從表2可以看出，在觀測初期，地基的每月沉降及沉降速度都很大，尤其是中間部分，在進(jìn)行了大量的氣泡輕量土換填后，其沉降速度變慢，而在觀測結(jié)束后，整個地基的表層沉降都趨于平穩(wěn)。結(jié)果表明：7—8月份時，路堤表層沉降最大值達(dá)7.1 cm，而中間段的沉降量為2.4 mm/d。

4 不同因素對路基變形的影響

4.1 抬高路基填筑材料密度

用密度分別為400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3的輕質(zhì)土與1 800 kg/m3的一般填料進(jìn)行填料，監(jiān)測其施工后的變形情況。隨著填料密度的增加，新路堤的沉降量也隨之增加，不同密度下的最大沉降分別為：?48.8 mm、?54.5 mm、?60.1 mm和?127.7 mm，最大沉降比相對于前一個原密度分別增加10.5%、9.3%和52.9%。

4.2 新填土材料密度

新的填料密度導(dǎo)致新舊道路的沉降，新填料的密實度對新鋪筑路基豎向位移的影響很小，但對老路基的附加變形卻有很大作用。其原因是由于新填土對路基土的擠壓，使路基與路基之間形成一種附加變形，從而使已有公路與基礎(chǔ)同時發(fā)生沉降[6]。

4.3 抬高路基高度

根據(jù)施工后新鋪筑出的地基土的提升量與路堤下沉的關(guān)系，如圖4所示。隨著路堤提升高度的增大，新建道路的最大沉降量為：4.0 m、5.0 m、6.0 m和8.0 m時的最大沉降為?22.6 mm、?25.0 mm、?49.0 mm和?54.5 mm；最大沉降比相對于前一個高度分別增加9.6%、49%和10%。

圖4 不同路基抬高高度的工后新路面沉降

5 結(jié)論

基于此，該項目擬采用數(shù)值模擬方法，對在役公路拓寬提升區(qū)內(nèi)填充的氣泡混合地基進(jìn)行了變形狀態(tài)研究，獲得各階段新老混合地基在建造過程中的沉降變化規(guī)律，探索材料及構(gòu)造工藝等對其變形的影響規(guī)律。以某公路軟基工程為研究對象，設(shè)置了三條觀測剖面，并分別對路基基底應(yīng)力、地表變形和層化變形進(jìn)行了觀測。

參考文獻(xiàn)

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