泡沫輕質(zhì)土在道路擴(kuò)建中的應(yīng)用對比分析

李月峰

（古縣交通運(yùn)輸局，山西 臨汾 042400）

0 引言

伴隨我國公路交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展和車輛保有量的迅猛增加，對公路的通行能力提出了更高的要求。早期設(shè)計(jì)的道路寬度難以滿足現(xiàn)有的道路通行能力要求。新建道路存在征地困難、建設(shè)成本高等諸多問題。因此在原有的道路上進(jìn)行拓寬，提高道路的行車能力，是經(jīng)濟(jì)合理的解決方案。但是在道路的拓寬建設(shè)中，新舊道路固結(jié)時(shí)間差異大，容易造成路面的不均勻沉降，從而引起道路路面開裂、路基滑移等新的工程問題。為了解決這類問題，目前已有一些學(xué)者進(jìn)行了道路拓寬過程中的工程措施研究。隨著研究的深入，泡沫輕質(zhì)土用于道路改擴(kuò)建的應(yīng)用越來越多。

泡沫輕質(zhì)土產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代中后期，于21世紀(jì)初引入我國。泡沫輕質(zhì)土是通過工藝設(shè)備在混凝土中充入一定量的封閉氣泡而形成的一種新型的輕質(zhì)混凝土，具有自重輕、高度高、可垂直澆筑等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此得到了越來越多的工程應(yīng)用[1]。李群利用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法，研究了泡沫輕質(zhì)土在路基加寬中的變形規(guī)律，為泡沫輕質(zhì)土在軟弱路基拓寬中的應(yīng)用提供了參考價(jià)值[2]。楊春風(fēng)針對工程中不同填筑高度、不同拓寬寬度的情況，采用有限元計(jì)算軟件，研究了各工況下的路基應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，分析了路面的沉降變化情況，為不同填土工況下路基拓寬提供了設(shè)計(jì)和施工的參考價(jià)值[1]。李獻(xiàn)勇等利用室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，研究了泡沫輕質(zhì)土在路基填土中的應(yīng)用，指出不均勻沉降是泡沫輕質(zhì)土路基在使用過程中產(chǎn)生裂縫的重要原因[3]。也有學(xué)者為了改善泡沫輕質(zhì)土路基的使用性能，分析研究了泡沫輕質(zhì)土的力學(xué)性能。許江波等則通過三軸剪切試驗(yàn)，分析了不同加筋率下泡沫輕質(zhì)土的各項(xiàng)強(qiáng)度參數(shù)，得到了加筋泡沫輕質(zhì)土的本構(gòu)方程，為加筋泡沫輕質(zhì)土的運(yùn)用提供了重要的參考價(jià)值[4-5]。

本文以某道路改擴(kuò)建工程為對象，對比分析一般合格土和泡沫輕質(zhì)土作為路基填土?xí)r，道路的沉降及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，以期為泡沫輕質(zhì)土在道路改擴(kuò)建中的應(yīng)用提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

該地區(qū)地層主要為素填土，卵石及基巖組成，地質(zhì)條件良好，其具體地層情況如下：

a）0～2 m范圍內(nèi)為壓實(shí)素填土，夾雜少許碎石土，可作為路基持力層。

b）2～6 m范圍內(nèi)為卵石層。稍密至中密，磨圓度良好。

c）6 m以下為風(fēng)化砂巖層，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面清晰度一般，巖體的部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞。

該工程區(qū)土體的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

1.2 工程概況

擬擴(kuò)建的道路為一級(jí)公路，為純填方道路。雙向四車道，道路紅線寬度20 m，高8 m，道路兩側(cè)采用掛網(wǎng)植草防護(hù)，坡率1∶1.75。通車已有5年，道路路基土壓實(shí)固結(jié)程度高。其工程概況如圖1所示。

圖1 填方路基典型斷面圖（單位：m）

1.3 改擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案概況

根據(jù)建設(shè)方的要求，擬對該公路拓寬15 m，在提高公路通行能力的同時(shí)，也將對該公路的景觀進(jìn)行重新打造，以滿足各方面的需求。根據(jù)實(shí)際情況提出以下兩個(gè)設(shè)計(jì)方案。

a）方案一 在原有道路的基礎(chǔ)上直接挖設(shè)高度為2 m的大臺(tái)階，按1∶1.75坡率回填合格土石，并在回填土頂層鋪設(shè)3層土工格柵，以減小新舊路堤處的不均勻沉降。坡面采用掛網(wǎng)植草，并進(jìn)行種植不同植被的景觀打造。其具體加寬方案如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)填筑加寬方案示意圖（單位：m）

b）方案二 在原有道路的基礎(chǔ)上挖設(shè)高度為2 m的大臺(tái)階，按1∶0.5的坡率填筑泡沫輕質(zhì)土。泡沫輕質(zhì)土外側(cè)邊坡設(shè)置防護(hù)面層，并進(jìn)行雕刻美化處理。其具體加寬方案如圖3所示。

圖3 泡沫輕質(zhì)土加寬方案示意圖（單位：m）

2 有限元模型建立

有限元模型參數(shù)是影響結(jié)果的重要參數(shù)。合理的模型計(jì)算參數(shù)對有限元計(jì)算及結(jié)果分析具有重要的意義。

有限元模型邊界過小會(huì)導(dǎo)致邊界上的約束影響模型的受力情況，使得計(jì)算結(jié)果失真；邊界范圍過大則會(huì)帶來計(jì)算時(shí)間過長的影響。按照經(jīng)驗(yàn)，模型的尺寸方向不宜小于坡高的2倍，模型的高度及長度方向宜取坡高的2～4倍。本文模型長度和高度方向均取為路基填方高度的3倍。模型尺寸如圖4所示。

圖4 泡沫輕質(zhì)土加寬模型示意圖（單位：m）

在模型單元選擇中，除土工格柵采用1D土工格柵單元，其余土體及路堤網(wǎng)格均采用平面應(yīng)變單元。根據(jù)《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》（CECS 249:2008）相關(guān)規(guī)定，在無試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，泡沫輕質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度由式（1）、式（2）確實(shí)。

式中：qu為泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度，MPa；C為泡沫輕質(zhì)土的黏聚力，kPa；Φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

各材料計(jì)算參數(shù)及本構(gòu)模型如表2所示。

表2 有限元模型計(jì)算參數(shù)表

3 路基加寬方案對比分析

利用上節(jié)的有限元模型參數(shù)，建立不同方案下的路堤加寬有限元模型。模型的下底部約束其水平及豎向位移，模型兩側(cè)約束其水平向位移。待路堤拓寬完成后施加15 kN/m的均布荷載，以模擬通車后的行車荷載。通過模型對比分析得到了不同方案下的計(jì)算結(jié)果。

3.1 安全系數(shù)

利用Midas GTS NX軟件的強(qiáng)度折減法計(jì)算模塊，對兩種方案下的道路拓寬進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到了不同方案下的道路潛在滑動(dòng)面，如圖5、圖6所示。

圖5 常規(guī)加寬方案路堤潛在滑動(dòng)面

圖6 泡沫輕質(zhì)土加寬方案潛在滑動(dòng)面

從圖5和圖6可以看出，不同方案下路堤的潛在滑動(dòng)面位置不同。在常規(guī)加寬方案下，路堤的潛在滑動(dòng)面為沿著新舊路面搭接處向下延伸至原有地層，形成潛在的滑動(dòng)面，并且在土體內(nèi)部形成次一級(jí)的滑動(dòng)破壞。由圖6可以看出，路堤最危險(xiǎn)的破裂面是舊路堤部分產(chǎn)生的潛在滑動(dòng)面。究其原因是泡沫輕質(zhì)土具有強(qiáng)度高、抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此在受到上覆車輛荷載的作用時(shí)其變形較小。同時(shí)由于泡沫輕質(zhì)土施工時(shí)，在與舊路基的搭接上采取了挖臺(tái)階的構(gòu)造措施，進(jìn)一步提高了泡沫輕質(zhì)土的穩(wěn)定性。

從兩種方案下的路堤安全系數(shù)角度而言，常規(guī)回填土加寬道路時(shí)其安全系數(shù)為1.45，泡沫輕質(zhì)土加寬路堤的安全系數(shù)為1.75，比前者提高了20.7%，也更有利于道路的穩(wěn)定性。

3.2 路面沉降

舊道路改擴(kuò)建最大的問題之一就是新舊路面的不均勻沉降。新舊路面的不均勻沉降不僅會(huì)降低行車的舒適性，還會(huì)形成貫通的不均勻沉降裂縫，導(dǎo)致地表水下滲浸泡路基填土，進(jìn)一步引起道路的變形破壞，形成路堤滑坡，帶來嚴(yán)重的后果。鑒于此，提取兩種方案下的路面沉降位移云圖，如圖7、圖8所示。

圖7 常規(guī)加寬方案路面沉降位移云圖

圖8 泡沫輕質(zhì)土加寬方案路面沉降位移云圖

從圖7和圖8可以看出，不管是采用常規(guī)回填土還是泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行道路加寬，路面的沉降規(guī)律均表現(xiàn)為舊路堤沉降較小，加寬部分的新路堤沉降更大的變化趨勢，整體呈現(xiàn)出滑梯狀的變化規(guī)律。分析圖7可以看出，常規(guī)回填土加寬路堤時(shí)，由于道路加寬帶來的路面沉降最小值為0.7 mm，最大值為49.7 mm。從圖8可以看出，泡沫輕質(zhì)土加寬道路時(shí)，由于拓寬道路帶來的附加路面沉降最小值幾乎為0，而最大沉降值為9 mm，比常規(guī)方案拓寬道路時(shí)的最大沉降值減小了40.7 mm，可見由于采用了強(qiáng)度較高的泡沫輕質(zhì)土作為回填土，對新舊路基的差異沉降控制起到了極大的作用。

均勻選擇路面的20個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，從左到右讀取每個(gè)測點(diǎn)的沉降值為yi（單位：mm），利用式（3）計(jì)算路面的沉降差。

整理得到不均勻沉降的分析指標(biāo)路面沉降差Δy，繪制沉降差的變化曲線如圖9所示。

圖9 不同方案下的路面沉降差變化圖

從圖9可以看出，從整體變化規(guī)律來看，在兩種道路加寬方案下，從舊路面到新路面的沉降差先增大后減小，并在新舊道路的搭接位置處取得極大值。在舊路基范圍內(nèi)，由于長期行車，在車輛荷載的作用下路基的壓實(shí)度高，固結(jié)沉降已經(jīng)基本完成，在路基拓寬過程中，上部荷載沒有發(fā)生較大的變化，因此兩種拓寬方案下的路面沉降差很小。

但隨著測點(diǎn)距離新加寬路堤距離的減小，路面的沉降差逐漸增大，并在新舊搭接處取得極大值。從圖9可以看出，采用常規(guī)加寬方案下的路面沉降差最大值達(dá)到了7.6 mm，而方案二的泡沫輕質(zhì)土路面沉降差最大值為2 mm，比常規(guī)方案減小了73.7%，極大地縮小了路面的沉降差。

從加寬路堤范圍內(nèi)的測點(diǎn)沉降差可以看出，由于測點(diǎn)處均為新加寬路堤，路基填土材料均勻，上部受力比較一致，因此沉降差逐漸減小，表現(xiàn)為道路經(jīng)典的“U”形沉降盆變化趨勢。

單獨(dú)分析每種方案下的沉降差變化規(guī)律可以看出，常規(guī)加寬方案下路面的沉降差變化幅度更大，在新舊路面搭接位置附近，路面沉降差急劇增大。采用泡沫輕質(zhì)土的加寬方案，路面的沉降差變化則平緩很多。沉降差過大會(huì)使路面產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致路面開裂，形成縱向的貫通拉裂縫，降低道路的使用壽命，帶來更高的工程費(fèi)用。

綜上所述，采用泡沫輕質(zhì)土具有保證路堤穩(wěn)定性，減小征地面積等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。相比常規(guī)回填加寬路堤的方案，采用泡沫輕質(zhì)土加寬路堤還能有效地減小路面的沉降差，降低新舊路面處形成拉裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，有利于提高道路的使用壽命。

4 結(jié)語

本文以老路加寬為研究對象，對比分析了常規(guī)回填土與采用泡沫輕質(zhì)土兩種方案，得到了以下主要結(jié)論：

a）采用泡沫輕質(zhì)土比常規(guī)回填土的路堤穩(wěn)定性更高。常規(guī)回填土的方案雖能滿足道路的穩(wěn)定性要求，但是在新舊路面搭接處容易形成以新填土為主體的潛在滑動(dòng)。

b）常規(guī)回填土的加寬方案下路面的最大沉降值為49.7 mm，泡沫輕質(zhì)土加寬道路下的路面最大沉降值為9 mm，采用泡沫輕質(zhì)土加寬道路對減小道路的沉降具有極其重要的作用。

c）常規(guī)加寬方案下的路面最大沉降差為7.6 mm，采用泡沫輕質(zhì)土加寬道路時(shí)，路面的最大沉降差為2 mm，有效地降低了路面產(chǎn)生拉裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，有利于道路的長期安全穩(wěn)定運(yùn)營。