氣泡混合輕質(zhì)土路基在軟基地段的應(yīng)用研究

徐曉波

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

氣泡混合輕質(zhì)土（簡(jiǎn)稱輕質(zhì)土）是將發(fā)泡劑水溶液制成的泡沫與水泥、礦渣粉（粉煤灰）、細(xì)骨料、水、外加劑按照一定比例混合均勻，形成具有一定強(qiáng)度的輕質(zhì)混合料。由于這種混合料含有大量的封閉空隙，使其具有很好的工程特性。輕質(zhì)土的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、密度小、可塑性強(qiáng)并具有良好的施工性。輕質(zhì)土與水泥混凝土材料有同等的耐久性、環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)，且現(xiàn)場(chǎng)制作方便，在擋土墻填土、道路凍脹翻漿、臺(tái)背回填、軟基處理等方面有很大的應(yīng)用空間。

高速公路施工中經(jīng)常出現(xiàn)軟基路段，根據(jù)地質(zhì)情況，通常的處理方法有拋石填筑、排水固結(jié)、復(fù)合地基、強(qiáng)夯等軟基處理方法。這些方法存在一定的缺陷，工期較長(zhǎng)或造價(jià)偏高，且地基處理范圍較大。輕質(zhì)土路基是在軟基上直接填筑路堤，由于輕質(zhì)土具有較高的強(qiáng)度且很小的容重，既能有效地降低路基工后沉降又能保證路基強(qiáng)度，且不需要對(duì)地基進(jìn)行處理，有效地縮短了工期，具有很好的應(yīng)用前景。

本文以軟土地區(qū)路基加固段為工程依托，以數(shù)值分析為主要研究手段，建立某軟土地區(qū)地基路基相互作用模型，詳細(xì)分析了輕質(zhì)土在軟基地段的應(yīng)用。

1 輕質(zhì)土特性

根據(jù)CECS 249：2008技術(shù)規(guī)程（中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)制定）定義，將水與發(fā)泡劑拌合均勻制成泡沫，與水泥（粉煤灰、礦渣粉）、集料、外加劑按照一定比例制成，硬化后形成的具有一定強(qiáng)度的密度較低的工程材料，主要用于臺(tái)背回填、軟基處理、橋頭處理、舊路加寬改造等。輕質(zhì)土應(yīng)用在軟土地段主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

a）容重小。這是其最主要的特點(diǎn)，容重最小可到500 kg/m3，大約僅為普通混凝容重的1/5，為路基填土的1/4，使用輕質(zhì)土修筑工程可有效降低地基附加應(yīng)力，當(dāng)然容重越小，強(qiáng)度響應(yīng)的也越低，選擇輕質(zhì)土?xí)r，首先需要確定輕質(zhì)土的最低強(qiáng)度要求然后根據(jù)強(qiáng)度進(jìn)行輕質(zhì)土的配合比調(diào)整，尋找最佳配比。軟土地段上修筑路堤，主要考慮其工后沉降及地基穩(wěn)定性。工后沉降主要受地基附加應(yīng)力的影響，當(dāng)?shù)鼗郊討?yīng)力減小，不僅能使工后沉降大幅降低，地基的穩(wěn)定性也可以得到保證。

b）可塑性強(qiáng)。輕質(zhì)混凝土硬化后，在水平方向不產(chǎn)生橫向應(yīng)力。將其筑成路基后，路基可以形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，使基底附加應(yīng)力形成應(yīng)力擴(kuò)散，被擴(kuò)散到較大的軟土面積上，具有一定的應(yīng)力擴(kuò)散作用，有效地減小地基的附加應(yīng)力，對(duì)提高地基的穩(wěn)定性意義重大。

c）強(qiáng)度和容重可調(diào)性。根據(jù)工程需要，輕質(zhì)土的容重和強(qiáng)度可以進(jìn)行調(diào)整，隨著容重的減小強(qiáng)度也隨之降低。容重可在500～1 500 kg/m3進(jìn)行調(diào)整；強(qiáng)度可根據(jù)工程需要在0.6～20 MPa之間進(jìn)行調(diào)整。

d）良好的施工性。拌合后輕質(zhì)土的流動(dòng)性很高，可以進(jìn)行泵送，無須振搗，養(yǎng)護(hù)方法與普通混凝土相同。

e）環(huán)保性。輕質(zhì)土就是將發(fā)泡劑水溶液制成的泡沫與水泥、礦渣粉（粉煤灰）、細(xì)骨料、水、外加劑按照一定比例混合均勻，輕質(zhì)土為無機(jī)材料，對(duì)環(huán)境無污染作用。

f）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，耐雨水沖擊能力強(qiáng)，在個(gè)別多余地區(qū)，利用輕質(zhì)土路基可以有效地減少雨水對(duì)邊坡的沖刷，保證路基的整體穩(wěn)定。

2 數(shù)值模型

2.1 幾何模型

本文基于某高速公路軟基處理地段路基填筑建立有限元模型，某高速公路路基原設(shè)計(jì)為首先進(jìn)行水泥粉煤灰碎石樁地基加固，后在公路兩側(cè)先進(jìn)行擋土墻施工，最后進(jìn)行路基填筑[1]，經(jīng)研究分析，軟土地段部分路基直接采用輕質(zhì)土進(jìn)行路基填筑（不需要地基加固及擋土墻施工），施工后進(jìn)行工后沉降觀測(cè)及孔隙水壓力監(jiān)控，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的比較，分析軟土地基的固結(jié)情況。本次研究所采用的計(jì)算參數(shù)全部通過現(xiàn)場(chǎng)取樣、室內(nèi)試驗(yàn)得出，數(shù)值模型的計(jì)算參數(shù)及幾何形狀如表1和圖1。

表1 計(jì)算參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

利用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，所有的彈塑性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)都可以得到滿意的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，模型采用半幅路基，模擬施工加載方式，并在模型上設(shè)置必要的約束條件，賦予各種材料必要的計(jì)算參數(shù)，不斷地進(jìn)行修正，得出能與施工現(xiàn)場(chǎng)一致的地基受力方式。

2.2 加載方式

兩種路堤填筑施工方案完全模擬現(xiàn)場(chǎng)路堤的堆載方式：路基填筑大致分為3個(gè)階段進(jìn)行，第一階段路基填筑，施工期為3個(gè)月；第二階段堆載預(yù)壓，預(yù)壓時(shí)間為6個(gè)月（利用輕質(zhì)土路基填筑根據(jù)空隙水壓力消散情況可適當(dāng)減少預(yù)壓時(shí)間）；第三階段路面施工，施工期3個(gè)月。

3 模型修正

通過比較現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與模型分析結(jié)果之間的差異，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證其工后沉降、孔隙水壓力消散曲線等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的一致性，對(duì)模型分析預(yù)測(cè)結(jié)果提供有力保證，選擇合理的邊界約束條件，選擇合理的材料參數(shù)及相互作用方式，保證模型的合理性。

4 計(jì)算結(jié)果分析

主要分析輕質(zhì)土路基填筑的工后沉降與地基穩(wěn)定性，數(shù)值模擬應(yīng)力分析云圖見圖2，輕質(zhì)土填筑路基與原設(shè)計(jì)路基工后沉降曲線見圖3。

a）從圖2可以看出，輕質(zhì)土路基對(duì)地基內(nèi)附加應(yīng)力分布影響較小。主要原因?yàn)椋狠p質(zhì)土密度很低，僅為路基填土密度的1/4，從而地基附加應(yīng)力較??；當(dāng)采用輕質(zhì)土填筑路基時(shí)，輕質(zhì)土彈性模量較大且有很好的可塑性，將其筑成路基后，路基可以形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，使基底附加應(yīng)力形成應(yīng)力擴(kuò)散，被擴(kuò)散到較大的軟土面積上，具有一定的應(yīng)力擴(kuò)散作用，從而有效降低地基的附加應(yīng)力。

圖2 地基應(yīng)力分布圖

b）從圖3可以看出，輕質(zhì)土路基的工后沉降與填土路基基本一致，2 500 d后輕質(zhì)土路基工后沉降甚至小于填土路基，這說明：隨著時(shí)間的推移，較低的地基附加應(yīng)力對(duì)地基的影響越來越小，滿足路基工后沉降要求；輕質(zhì)土路基在附加應(yīng)力作用下，超孔隙水壓力消散有效應(yīng)力增長(zhǎng)的過程并不明顯，整個(gè)超孔隙水壓力的消散過程非常平穩(wěn)，保證了地基的穩(wěn)定性，從而有效減小了路基的工后沉降[2]。

圖3 工后沉降曲線

c）從圖3可以看出，輕質(zhì)土路基前期地基固結(jié)沉降較快，有必要在路面施工前進(jìn)行堆載預(yù)壓，使超孔隙水壓力快速消散，加速地基固結(jié)，消除地基的不均勻沉降，滿足工程施工質(zhì)量要求。

5 工程實(shí)例

結(jié)合上述理論分析，該成果在省內(nèi)某條高速公路路基施工過程中進(jìn)行了試驗(yàn)段鋪筑，并在后期對(duì)其沉降量跟蹤觀測(cè)，得知使用氣泡混合輕質(zhì)土可節(jié)約成本約7%，縮短工期4 d，路基在觀測(cè)期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降。

6 研究結(jié)論

a）當(dāng)采用輕質(zhì)土填筑路基時(shí)，不需要進(jìn)行地基處理，極大地加快了施工進(jìn)度。例如處理一段20 m長(zhǎng)的軟土地基，采用普通的軟基處理方式可能需要進(jìn)行地基加固處理且路兩側(cè)還要進(jìn)行擋土墻施工，但如果采用輕質(zhì)土直接填筑路基，可以節(jié)省工期。

b）輕質(zhì)土路基密度很小，所以產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力很小，且輕質(zhì)土可以形成板體效應(yīng)，有效地進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散，較小的附加應(yīng)力使地基可以保持較高的穩(wěn)定性，保證施工質(zhì)量。

c）輕質(zhì)土路基工后沉降與進(jìn)行地基處理的地段基本一致，空隙水壓力消散曲線平緩，地基可以進(jìn)行有效的排水固結(jié)，能有效減小路基不均勻沉降，較小路面開裂。

7 結(jié)語

大力推廣和使用氣泡混合輕質(zhì)土，可以有效地減小工程成本縮短施工周期，解決路基不均勻沉降，有很高的應(yīng)用前景和極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。