軟土地基上泡沫輕質土路基施工填筑數值模擬研究

鐘飛祥

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

軟土地基因強度小、含水率高等特點給工程建設帶來過高的成本和困難，而泡沫輕質土因具有施工簡便和質量輕的優點，在軟土地基路基工程中得到廣泛應用[1-3]。本文結合某實際工程建立有限元數值模型，探討在軟土地基上填筑路基的過程和工后對地基和路基變形的影響，同時，進一步探討施工參數對路基變形的影響，為類似工程提供參考。

1 數值模擬建立

1.1 工程概況

軟土是指沿海的濱海相、三角洲相、湖泊相、沼澤相和河流相等主要由細粒土組成的土，其具有孔隙比大(一般>1)、天然含水率高、壓縮性大和強度低等特點。某公路路基工程的路線穿越多段軟土區域，為了控制路基過大沉降和不均勻沉降變形的問題，采用泡沫輕質土填筑路基，對其進行分層澆筑，每層澆筑厚度為0.8～1.0 m，路基路面寬度為26 m。軟土地基上填筑泡沫輕質土材料形成的路基，其道路結構如圖1所示，路基填筑高度為8 m(包含路面)，路基邊坡坡度為1∶1.5，在輕質土路基與淤泥質土間鋪設一層0.3 m的細砂土。地基-路基結構總共分為7層，自下而上分別為粉質黏土(厚度為11 m)、砂性土(厚度為8 m)、粉土(厚度為11.5 m)、普通填土(厚度為10 m)、淤泥質土(厚度為9.5 m)和泡沫輕質土(厚度為7.2 m)及路面(厚度為0.8 m)。

1.2 數值模型的建立

本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS對軟土地基上填筑路基施工工程進行數值模擬計算。同時，為了消除邊界條件對數值計算結果的影響，本文結合圣維南原理建立二維平面應變的數值模型，其地基模型長寬分別為100 m和50 m，劃分網格類型為CPE4R的平面應變單元，總共3 126個單元和3 541個節點數，具體計算模型如圖2所示。仿真模擬嚴格按照實際施工進行，即進行分層填筑模擬，本次計算分為8層填筑。

圖1 地基-路基結構示意圖

圖2 地基-路基有限元數值計算模型圖

1.3 本構參數選取與地應力的平衡

為了提高計算效率，在滿足工程精確度的前提下，對本次數值計算做出如下的合理假設：

(1)路面材料服從線彈性，粉質黏土、砂性土、粉土、普通填土和泡沫輕質土材料服從Mohr-Coulomb強度準則，地基土層中地下水滲流規律符合達西滲透定律。

(2)路基填筑高度為1 m/層，在數值計算中分8層進行施工填筑。

(3)地基土與輕質土填料力學參數不隨施工的進行而變化。

(4)泡沫輕質土路基填筑屬于平面應變問題。

含水率較高的淤泥質土，具有壓縮模量高及孔隙比大等特點，而劍橋模型可以考慮高含水率土體在受自重及外部附加荷載下，其固結排水狀態下的工作性狀。對此，本文對淤泥質土選用劍橋模型(表1)進行分析，而路面結構采用線彈性模型計算，其余材料均采用Mohr-Coulomb模型(表2)。

表1 劍橋塑性模型軟土材料計算參數表

其中，λ為塑性體積模量對數，K為土體彈性對數體積模量，M為土樣應力比,e1為孔隙比，k為滲透系數。

表2 地基-路基結構相關力學計算參數表

此外，在實際工程中，地基土體在被擾動前其內部往往存在應力而不發生位移，即地質經過長期的演化，使得土體在重力作用下存在著自重應力而無位移狀態，因此在數值計算前有必要進行地應力平衡。

2 數值計算結果分析

在軟土地基上填筑而成的路基，工程界更注重其豎向沉降的變形。為此，進一步分析泡沫輕質土路基澆筑過程和工后的沉降變形，如圖3所示為泡沫輕質土澆筑路基施工工后的沉降云圖。

由圖3可知，最大沉降值并沒有出現在路基表面，而是出現在工后填筑的路堤第一層填土及其以下的地基土，其值為12.31 cm。該現象主要緣于土體骨架含有大量的水，在填土的快速填筑下，地基上部受到附加荷載作用使地基土體內部的水無法及時排出，而是隨著荷載繼續增加，其內部的水通過孔隙向四周消散，使原地基土逐漸趨向于穩定，因此造成原地基表面和附近的輕質土填料沉降最大，而靠近路基頂面的輕質土路基短期內沒有發生大的沉降。

圖3 泡沫輕質土澆筑路基工后豎向沉降云圖

2.1 地基表面沉降分析

分別提取每層泡沫輕質土填筑完成后地基表面的沉降值進行分析，以路基中心線作為橫坐標的中線，沉降值作為縱坐標，具體如圖4所示。

圖4 每層輕質土填筑完成后地基表面沉降值變化曲線圖

由圖4可知，每層泡沫輕質土澆筑完成后，地基表面的兩側沉降值與地基中心線呈近似對稱。其中，地基表面的最大沉降均發生于其中心，第一層至第八層澆筑完成時，地基最大沉降值分別為-1.55 cm、-2.836 cm、-4.127 cm、-5.386 cm、-6.599 cm、-7.754 cm、-8.787 cm、-12.31 cm，兩兩之間的沉降值分別增大45.3%、31.3%、23.4%、18.4%、14.9%、11.8%、28.6%。

2.2 泡沫輕質土密度對路基變形的影響

泡沫輕質土密度直接決定地基的附加荷載值大小。根據有關研究，泡沫輕質土的密度可控制在300～1 600 kg/m3，且泡沫輕質土密度增大，相應的強度參數也增大。基于此，在改變泡沫輕質土密度量值后也應相應地改變其強度參數值，再進行計算，并討論泡沫輕質土密度分別為400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3時對路基的變形影響情況。如下頁圖5所示為不同輕質土密度下工后路面的沉降曲線。由圖5可知，密度的增大引發路面沉降值的增大。其中，輕質土密度分別為400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3時，路面的最大沉降值分別為-34.06 mm、-34.84 mm、-35.26 mm。其中，密度為400 kg/m3和500 kg/m3之間的最大沉降值減少率分別為2.24%和1.2%。

圖5 不同輕質土密度下工后路面沉降曲線圖

2.3 施工填筑速率對路基變形的影響

研究表明，路基填筑速率是影響其工后沉降的主要因素之一。通過改變數值模擬中有限元軟件分析的時間增量，并模擬路基填筑速率分別為0.5 m/d、1.0 m/d、1.5 m/d時的工況，再提取工后路面的豎向位移值進行比較。其計算結果如圖6所示。

圖6 填筑速率-路面沉降曲線圖

由圖6可知，路面沉降隨路基高度的填筑速率增大而增大，在填筑速率分別為0.5 m/d、1.0 m/d、1.5 m/d時，路面的最大沉降位移分別為-28.16 mm、-34.84 mm、-43.07 mm，兩兩之間路面的最大沉降值增長率分別為19.2%和19.1%，路面橫向沉降差異分別對應的值為5.32 mm、6.57 mm、8.11 mm。由此可見，控制路基高度的填筑速率對路基路面的沉降和不均勻沉降變形能起到一定的抑制作用，因此，在軟土地基上填筑路基，在不考慮工期的情況下，可適當調整路基的填筑速率。

3 結語

本文通過有限元數值計算，模擬了軟土地基上泡沫輕質土路基的施工填筑過程，得到了路基施工填筑期間和工后的變形規律。同時，還探討了施工參數和泡沫輕質土材料參數對路基路面的變形影響。

(1)在施工期間和工后，地基表面的最大沉降均發生于地基中線處，且沉降值隨著填筑高度的增加而增加。

(2)同一斷面軟土地基上的泡沫輕質土路基橫向差異沉降值隨路基填筑高度先增加而增大，在抵達一定值后其值又逐漸減小。

(3)泡沫輕質土的填筑速率對軟土地基上的路基路面沉降值影響很大，其中，不同的填筑速率對路面沉降值的影響最大相差達19.2%；泡沫輕質土的密度對路基路面的沉降值影響較小，就輕質土密度分別為400 kg/m3和500 kg/m3的情況而言，兩兩之間對路面的沉降值僅相差2.24%。