氣泡輕質土的參數設計及對路基沉降影響分析

張孝鋮， 胡笑林， 呂玉坤

(中鐵四局集團有限公司設計研究院, 安徽 合肥 230023)

0 引 言

氣泡輕質土對臺背的側壓力可忽略不計，抗沖擊性能比一般回填材料效果好，剛性比一般填土路基大，并且由于材料本身存在大量的閉合氣泡，所以輕質土比其他回填材料具有密度小的特點，能較大程度減少地基的位移和沉降破壞[1]，故在臺背回填中有著良好的應用。通過PLAXIS 2d有限元軟件分析氣泡輕質土不同參數條件下基底沉降模擬結果，合理選用氣泡輕質土的設計參數，從而充分發揮其“輕質性”的特性，為氣泡輕質土在臺背回填中設計提供參考依據與經驗。

1 項目概況

啟東德匯濱海教育生態城匯海大道建設工程道路南起G328，北至觀海平臺如圖1所示。道路設計全長1 868.729 m，道路紅線寬32 m。新建橋梁跨越景觀規劃水系，名為鷗鷺橋，其與規劃水系正交，中心里程樁號為K1+316.313，橋跨為1-30 m，橋寬27.5 m。由于歐鷺橋為景觀橋，其下凈空需要保證行人和游艇通過，對路橋過渡段工后沉降要求極為嚴格，故對臺后路床層位采用容重等級為W8，抗壓等級為CF0.8氣泡輕質土回填，路堤層位采用容重等級為W5，抗壓等級為CF0.5氣泡輕質土回填。

圖1 項目地理位置

2 建立模型

2.1 模型的建立

在模擬氣泡輕質土在路橋過渡段回填中對基底沉降影響分析時，受到各材料參數和邊界條件的制約影響，需做出如下假設：

(1) 模型按平面應變問題進行考慮。

(2) 地基土、氣泡輕質土均采用摩爾-庫侖彈塑性模型。

(3) 模型左右兩側邊界受水平約束，底邊界受固定約束。

(4) 地基土、路堤、路床之間接觸面光滑連續，不發生相對滑移及脫落。

(5) 在填筑氣泡輕質土之前，先對原地基土進行初始應力平衡，保證地基土在原自重壓力作用下完成固結。

(6) 暫不考慮路面結構層荷載影響，只研究路基荷載對基底沉降的影響。

根據提供的背景資料，對路橋銜接段位置進行橫向數值模擬。由于路基橫斷面的幾何形狀、地質條件及材料性質均關于路基中心線對稱，即結構繞對稱軸對折后，左右兩部分完全重合，故應力和變形也是對稱的，為了簡化計算，可以取橫斷面一半為研究對象，寬度為13.5 m，地基寬度取為60 m。為了滿足沉降計算精度，按附加應力等于0.1～0.2倍土體的自重應力確定壓縮層厚度，壓縮層厚度定為40 m滿足精度要求。其幾何模型如圖2所示。

圖2 路橋過渡段橫向幾何模型及網格劃分

2.2 模型計算參數

歐鷺橋橋頭位置地質土層分布較為復雜，但相對穩定，結合地勘報告擬定對本次模型中材料參數取值如表1。

2.3 加載模擬

根據《氣泡輕質土填筑工程技術規程》(CJJ T177-2012)[2]規定，氣泡輕質土單層澆筑厚度宜按0.3～0.8 m控制，上一層澆筑作業在下一層澆筑終凝后進行。本次歐鷺橋橋頭過渡段路堤設計高度為3.56 m，氣泡輕質土單層澆筑厚度按0.5 m控制，分7層填筑；路床高度為0.8 m，氣泡輕質土單層澆筑厚度按0.4 m控制，分2層填筑。

3 氣泡輕質土參數對路基沉降影響分析

3.1 填筑高度的影響

為了進一步研究氣泡輕質土填筑高度對路基基底沉降的影響，保持其他模型參數(表1)不變，計算不同填筑高度下的基底沉降。根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)[3]3.9.6條，氣泡輕質土最大填筑高度不宜大于15 m，最小填筑高度不宜小于1 m。本文假定路堤高度分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m，通過PLAXIS 2D模擬計算，可以得到不同高度下基底沉降變形情況，如圖3所示。

所有病例在入院時均接受超聲檢查，檢查儀器為GELOGIQ E9型彩色多普勒超聲檢查儀，設定探頭的工作頻率位4～11MHz。患者采用仰臥位，頸前區充分暴露，常規掃查甲狀腺雙側葉及峽部，觀察甲狀腺位置、外形、大小；隨后使用二維超聲檢查甲狀腺結節的部位、大小、形態、數目、邊界、聲暈、內部回聲變化、血流情況。

表1 材料參數一覽表

圖3 路堤高度與沉降關系圖

由圖3可以看出，填筑高度的增加，將會導致地基土上部荷載增大，并且基底沉降隨填筑高度的增加呈現近似線性增長的趨勢，從整體變化上來看，基底沉降并沒有出現較大突變。當氣泡輕質土路堤高度為14 m時，模擬結果顯示地基土發生剪切破壞，沉降計算不收斂，說明在啟東歐鷺橋臺背回填模擬中，當氣泡輕質土路堤容重為5 kN/m3，氣泡輕質土最大填筑高度在12～14 m。

3.2 容重的影響

為研究氣泡輕質土容重參數對沉降的影響，保持其他參數不變，路基氣泡輕質土分別采用W3、W5、W7、W9、W11、W13和 W15，研究不同分層填筑高度下路基橫斷面中線處沉降隨容重等級的變化情況，結果如圖4所示。

圖4 氣泡輕質土容重與沉降關系圖

由圖4可以看出，在同一分層填筑高度下，隨容重等級的提高，路中心線位置處的沉降量隨之增大，接近線性增長的趨勢，并且隨著填筑高度的增大，其沉降量增長速率也加快。所以當氣泡輕質土容重等級選擇較低，不僅不能滿足規范要求，而且抗壓強度較低，現場制備較為困難，質量無法得到保證，后期在日益增長的交通量下路面可能出現裂縫；當氣泡輕質土容重選擇過高，與普通路基填料相比，無法發揮其輕質性的特性，不僅導致水泥用量的浪費，加大施工成本，而且對路基造成較大的沉降，不利于行車安全。故在綜合考慮各方面優缺點下，在匯海大道歐鷺橋臺背回填中路床部分的氣泡輕質土采用W8容重等級以及路堤部分的氣泡輕質土采用W5容重等級較為合理。

3.3 抗壓強度等級的影響

根據《氣泡輕質土填筑工程技術規程》(CJJ T177-2012)規定，在無試驗資料的前提下，氣泡輕質土抗壓強度與彈性模量可按下式計算：

Ec=250qu

式中：Ec為彈性模量,MPaqu為抗壓強度，MPa。

氣泡輕質土的抗壓強度不同，彈性模量也有所不同，進而路基自身的壓縮也有所差異。為了研究抗壓強度等級對沉降的影響，保持其他參數不變，氣泡輕質土分別采用CF0.4、CF0.6、CF0.8、CF1.0、CF1.2和CF1.5，研究在不同填筑高度下路基橫斷面中線處沉降的變化情況，結果如圖5所示。

圖5 氣泡輕質土強度等級與沉降關系圖

4 氣泡輕質土路堤與普通灰土路堤沉降對比分析

為了進一步體現氣泡輕質土材料的“輕質性”，在其他參數和條件不變的前提下，采用石灰土路基填料進行路基回填，計算不同高度下基底沉降，并與氣泡輕質土路堤進行比較，結果如圖6所示。

圖6 不同高度下氣泡輕質土路堤與石灰土路堤的沉降對比

由圖6可以看出，石灰土路堤隨填筑高度的增加，其路基基底沉降迅速增加，其增長速率遠大于氣泡輕質土路堤。模型計算結果反映，當石灰土填筑高度為4～6 m時，基底產生的沉降陡升，到6 m沉降計算已不收斂，地基土已經發生剪切破壞，而同樣的模型參數下，氣泡輕質土卻能填筑到12～14 m地基土才發生破壞。

當路堤填筑高度為2 m時，氣泡輕質土路堤基底沉降僅為普通石灰土路堤基底沉降的26.79%；當填筑高度為4 m時，更只為其沉降的23.67%。從而可見，氣泡輕質土作為臺背回填材料，能夠較大程度的降低路基沉降，從而減少“橋頭跳車”現象，保證道路行駛的安全性。

5 結 論

通過對啟東歐鷺橋路橋過渡段建立有限元模型，計算了不同參數下氣泡輕質土路堤的沉降變化情況，并在不同填高下與普通石灰土路堤沉降進行對比分析，得出如下結論：

(1) 氣泡輕質土填筑高度的增加，即路堤的自重增大，其基底沉降也隨之增大，呈現近似線性增長的趨勢，從曲線整體變化上來看，基底沉降并沒有出現較大突變。

(2) 氣泡輕質土容重對基底沉降影響較大，在相同填筑高度下，基底沉降隨容重的增大而增大，接近線性增長的趨勢；不同填筑高度下，隨填筑高度的增大，沉降量增長速率也加快。所以在設計過程中，滿足規范要求的前提下，可以通過調節氣泡輕質土的容重參數來減小基底沉降，確保路基穩定性。

(3) 氣泡輕質土抗壓強度等級對基底沉降影響不大。提高氣泡輕質土強度等級，相應的彈性模量增大，路基抵抗變形的能力提高，能夠減少路基本身的壓縮變形，但路基的沉降主要是地基土的壓縮變形導致的，所以提高強度等級對路基的沉降影響不大，可以忽略影響。

(4) 路堤填筑高度越大，泡沫輕質土路堤與普通石灰土路堤產生的基底沉降差異越大。氣泡輕質土作為臺背回填材料，能夠較大程度的降低基底沉降，保證路基穩定性。