泡沫混凝土在某公路路基改擴建中的應用研究

馬瑞霞

（山西路橋第一工程有限公司，山西太原 030006）

0 引言

泡沫混凝土作為近些年發展起來的新型路基填料，在公路改擴建工程中應用廣泛，具有強度可調節、輕質、流動性好等特點，在擴建公路中可大幅度減小新建路基的荷載，減小新舊路基差異性沉降。

對泡沫混凝土的相關研究，劉楷等[1]分析了干濕循環下泡沫混凝土的耐久性，在干濕循環作用下，低聚合物輕質土比水泥輕質土的強度衰減大。駱永震等[2]研究了加筋泡沫輕質土在軟土地基上的施工過程中應力和位移的變化情況，得出泡沫輕質土路基比普通填土路基的沉降要小，有效地減小基底的豎向應力，同時加筋的作用使得路基底部應力分布更加均勻。姚運仕[3]的研究指出，泡沫輕質土可提高施工區域鹽漬土的使用比例，材料的性能表現良好，明確了鹽漬土在泡沫輕質土中的應用效果。葉咸等[4]對復雜地質條件下泡沫輕質土的技術方案進行了論證，其結果表明在山區復雜地質情況下，泡沫輕質土的應用能夠很好地解決傳統路基在填筑過程中的問題，但因其強度較低，在施工完畢后應加強對其位移的監測。許江波等[5]分析了不同參數模量下纖維增強泡沫輕質土的變形特性，得出纖維對泡沫輕質土內部的初始缺陷有改善作用，泊松比隨圍壓的循環次數增大而增大。李明等[6]對明洞二次回填中泡沫輕質土的受力特性進行了研究，得出襯砌仰拱應力最小時的回填參數，有利于明洞結構的穩定。由于泡沫混凝土具有可調的強度特性及輕質等特點，在公路改擴建工程中應用廣泛，具有良好的經濟適用性，特別是在已建成工程基礎上的改擴建項目中應用越來越多，因此對泡沫混凝土的研究具有重要意義。本文將采用數值模擬的方法對泡沫混凝土在公路改擴建過程中的變形特性進行研究，為工程提供參考。

1 材料特性

常用的輕質填料主要是密度低于天然土的填料，包括EPS（Expanded Polystyrene，聚苯乙烯泡沫）、流態粉煤灰和泡沫混凝土（Foamed Concrete，FC）。泡沫混凝土是將發泡得到的氣泡與水泥等膠凝材料均勻混合，再將其倒入模具中經過養護后得到符合要求的新型材料。與常用的輕質材料相比，泡沫混凝土的重度較低，如表1所示為幾種常用材料的重度。

表1 常用材料重度 單位：kN/m3

發泡劑的制作在制備泡沫混凝土中具有重要意義，由于其材料在生產過程中有大量封閉的氣泡，并且可通過調整氣泡的吹入量來控制泡沫混凝土的容重，這樣泡沫混凝土的容重就較普通材料的容重小。同理還可以通過控制氣泡的多少來調節泡沫混凝土的強度（可在0.3 MPa～5 MPa 之間調整）。另外，在氣泡的充入和拌和下，泡沫混凝土的流動性好，可在管道內輸送較長的距離，這樣就降低了施工器械對場地的要求，施工的靈活性更高。同時由于膠凝材料的使用，泡沫混凝土在硬化后可以自立，有利于現場的垂直澆筑施工。

2 工程概況

某公路改擴建工程，線路全長18.9 km。原公路已建成運營8年，為一級公路，設計速度為60 km∕h，雙向四車道，路基寬度為26 m。原有的路幅寬度已經不能滿足當下的交通需求，擬采用單側加寬的方式對路基進行擴建，擴建后為雙向六車道。在路基擴建的方案中，若采用普通路基材料進行修筑，傳統路基施工方法在路基加寬過程中需要進行大量的碾壓工作，受現場條件限制，采用輕質路基進行填筑，綜合考慮選擇重度較小且對地基承載力要求較低的泡沫混凝土（FC）進行填筑，可以充分發揮泡沫混凝土具有良好流動性的特點，減小對施工場地的依賴。

根據路基現場情況，填方路基最高為5 m，擬定加寬部分采用垂直加寬，在原路基上進行臺階式開挖，每層臺階的高度為1 m，開挖后再填筑泡沫混凝土，在新老路基臺階連接處使用φ25 mm、長為1.5 m 的錨筋進行連接，同時在舊路面寬度范圍內多挖1 m 的距離鋪設鋼筋網，進行新舊路面的搭接，保證新老路基連接的穩定性和整體性，盡量減小路基的工后差異性沉降，如圖1所示。

圖1 路基斷面圖（單位：m）

3 數值模擬研究

3.1 模型的建立

對公路改擴建的數值模擬，本文選擇Midas GTS NX 有限元軟件對工程進行模擬。借助計算機技術的發展，該軟件內置了多種能夠與工程相適應的本構模型，能夠模擬復雜的邊界條件和工況，適用建筑結構多樣化的連接方式，對工程的適用性較好，具有前處理簡單、后處理可視的優點，因此本文采用Midas GTS NX軟件進行數值模擬計算。

數值模擬首先是建立幾何模型，擴建工程原為雙向四車道，現進行單側拓寬擴建，擴建后為雙向六車道，擴建寬度為7.5 m，如圖1所示。根據有關文獻[7]，以原路基中線為模型建立起點，采用直立式填筑進行加寬，路基高度為5 m，既有路基下部為復合地基，考慮擴建后新建路基對舊路基和地基的影響范圍，故地基深度選擇15 m，橫向寬度為31 m，整個模型高度為20 m。該次模擬采用2D 平面模型進行模擬，幾何模型建立完成之后進行網格劃分，其網格密度均采用1 m。在網格劃分之后對各網格進行參數的定義，主要對地基土、路基土和泡沫混凝土3 層土層進行定義，地基土和路基土均選擇摩爾-庫倫（M-C）本構模型，而泡沫混凝土在本構模型選取時充分考慮材料的應力應變關系，由于材料中存在較多的氣泡，在受外荷載的作用下，其變形包含彈性和非彈性，應力應變關系屬于非線性彈性，因此選用德魯克-普拉格（D-P）模型進行模擬。其他土體參數參考地勘資料，最終選用的各個參數如表2所示，模型圖如圖2所示。模型建立完后采用施工階段管理模塊對施工步驟進行模擬，首先是對既有路基和地基的重力場進行恢復，為研究改擴建后路基和地基的沉降情況，在施加擴建路基前對既有路基和地基的位移進行清零，計算結果中僅體現新建路基對舊路基和地基的影響情況。

圖2 有限元模型

表2 模型參數表

3.2 計算結果分析

3.2.1 路基變形影響研究

3.2.1.1 地基豎向位移分析

在新路基填筑的影響下，對地基的豎向位移變化情況進行分析，分別提取每填筑1 m 泡沫混凝土材料時地基的豎向位移值進行分析，得到如圖3所示結果。

圖3 地基豎向位移變化圖

如圖3所示，圖中填1 m～填5 m 表示每次填筑1 m時地基的位移變化情況。可見地基的豎向位移變化隨地基水平位置的增大呈“凹”形變化，最大豎向位移為-6 mm，位于水平位置20 m 處，此處正是新建路基與地基的交匯處。在路基的整個填筑過程中，地基的豎向變化曲線以水平位置20 m 處為最大值點，逐步向兩側呈擴散形減小，對地基豎向位移影響最大的區域為14～24 m 的范圍。由于原路基截面呈梯形，造成路基對地基豎向位移在水平20 m 處左側的影響范圍略大于右側。隨著填筑高度的增加，地基最大值以每級1.5 mm的增幅逐漸增大，最后“填5 m”工序后的豎向位移值并不是太高，這說明泡沫混凝土這種填筑材料的輕質性優勢在新建路基部分得到了良好的體現。

3.2.1.2 路基頂面豎向位移分析

新舊路基在搭接過程中，由于新舊路基填筑時間的不同，既有舊路基的固結已經完成，新路基的豎向變形往往是引起新舊路基差異性沉降的關鍵因素，因此需對路基頂面的豎向位移進行分析，如圖4所示。

圖4 路基頂面豎向位移圖

如圖4所示為路基頂面的豎向位移變化情況，隨著距老路基水平距離的增加，路基頂面的豎向位移在老路基部分呈逐漸增大的趨勢，最大值在水平位置12 m處，為-2.7 mm；而隨著水平距離的持續增大，新建路基部分的豎向位移值在最大值點后迅速減小，然后基本呈穩定狀態，豎向位移值維持在-1.7 mm 左右，這說明新建路基對老路基豎向位移的影響主要集中在新舊路基的交界處，而老路基在新路基的荷載作用下，豎向位移值變化稍大，影響范圍在6～13 m 間。由于新舊路基材料的差異，新路基的彈性模量較高，新路基的豎向沉降變化整體性更強，自身填方體壓縮沉降較小，其豎向位移的變化主要來自地基豎向位移的變化。

3.2.1.3 路基頂面水平位移分析

對新舊路基頂面的水平位移變化值進行提取分析，如圖5所示。

圖5 路基頂面水平位移圖

如圖5所示結果，路基頂面的水平位移值變化隨路基水平位置的增加而逐漸增大，最大值位于新舊路基交界處，最大值為1.7 mm，水平位置在越過新舊路基交界處后，路基頂面的水平位移值隨路基水平位置的增大而迅速減小，最終在水平位置14 m 后穩定在水平位移值為0.4 mm 左右，新路基部分的水平位移值表現出了整體性的變化趨勢。這種現象說明，新舊路基填筑材料的差異會影響路基的變形形態，新路基的變形整體性更強，老路基的變化線性更強，這也是由材料的性質決定的。

3.2.1.4 新建路基自立面水平位移分析

對泡沫混凝土垂直自立面的水平位移變化情況進行分析，得到如圖6所示的變化曲線。

圖6 路基臨空面水平位移變化圖

如圖6所示，路基高度與水平位移之間基本呈線性變化關系，路基高度越高，水平位移值越大，最大值為0.9 mm，這也印證了泡沫混凝土在未進入塑形變形前的高彈模變形特征。

3.2.2 容重對路基沉降影響研究

考慮到泡沫混凝土容重的大小為泡沫混凝土區別于普通填料的典型特點，現對不同容重（5 kN∕m3、8 kN∕m3、10 kN∕m3）的泡沫混凝土改擴建路基頂面的豎向位移進行分析，得到圖7所示結果。

圖7 不同重度下路基頂面豎向位移變化圖

如圖7所示結果，在不同重度下路基頂面的豎向位移隨重度的增大而逐漸增大，新舊路基的差異性沉降也隨之增大，豎向位移變化的最大位移值依舊在水平位置12 m 處的新舊路基交界處。因此，在對泡沫混凝土的使用中應注意路基沉降要求與路基強度之間的平衡關系，達到保證路基強度質量的同時盡量減少路基的容重。

4 結論

本文對公路路基改擴建中使用泡沫混凝土的變形特性進行了研究，使用數值模擬手段對新舊路基的水平和豎向位移以及地基的位移情況進行了分析，主要得到以下結論：

a）泡沫混凝土在填筑過程中，對地基豎向位移影響最大的地方在水平位置20 m 處，其豎向位移的變化以最大值點為中心逐步向兩側呈“凹”形擴散減小，影響范圍為最大值點前后5 m 范圍。

b）路基頂面的豎向位移和水平位移最大值點均出現在新舊路基的搭接處，舊路基頂面的位移變化線性更強，新建泡沫混凝土路基的整體性更強。

c）新路基自立面的水平位移隨路基高度增大呈線性增大趨勢。

d）泡沫混凝土容重的增大會造成新舊路基的差異性沉降增大，設計中應平衡泡沫混凝土容重和地基承載力的條件，達到保證路基強度質量的同時盡量減少路基的容重。