泡沫輕質土在道路擴建中的應用對比分析

李月峰

（古縣交通運輸局，山西 臨汾 042400）

0 引言

伴隨我國公路交通運輸?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。早期設計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、建設成本高等諸多問題。因此在原有的道路上進行拓寬，提高道路的行車能力，是經濟合理的解決方案。但是在道路的拓寬建設中，新舊道路固結時間差異大，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，目前已有一些學者進行了道路拓寬過程中的工程措施研究。隨著研究的深入，泡沫輕質土用于道路改擴建的應用越來越多。

泡沫輕質土產生于20世紀80年代中后期，于21世紀初引入我國。泡沫輕質土是通過工藝設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混凝土，具有自重輕、高度高、可垂直澆筑等諸多優(yōu)點，因此得到了越來越多的工程應用[1]。李群利用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法，研究了泡沫輕質土在路基加寬中的變形規(guī)律，為泡沫輕質土在軟弱路基拓寬中的應用提供了參考價值[2]。楊春風針對工程中不同填筑高度、不同拓寬寬度的情況，采用有限元計算軟件，研究了各工況下的路基應力應變規(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計和施工的參考價值[1]。李獻勇等利用室內模型實驗，研究了泡沫輕質土在路基填土中的應用，指出不均勻沉降是泡沫輕質土路基在使用過程中產生裂縫的重要原因[3]。也有學者為了改善泡沫輕質土路基的使用性能，分析研究了泡沫輕質土的力學性能。許江波等則通過三軸剪切試驗，分析了不同加筋率下泡沫輕質土的各項強度參數(shù)，得到了加筋泡沫輕質土的本構方程，為加筋泡沫輕質土的運用提供了重要的參考價值[4-5]。

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

1 工程概況

1.1 工程地質概況

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

a）0～2 m范圍內為壓實素填土，夾雜少許碎石土，可作為路基持力層。

b）2～6 m范圍內為卵石層。稍密至中密，磨圓度良好。

c）6 m以下為風化砂巖層，風化裂隙較發(fā)育，結構面清晰度一般，巖體的部分結構已經破壞。

該工程區(qū)土體的力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學指標建議值表

1.2 工程概況

擬擴建的道路為一級公路，為純填方道路。雙向四車道，道路紅線寬度20 m，高8 m，道路兩側采用掛網(wǎng)植草防護，坡率1∶1.75。通車已有5年，道路路基土壓實固結程度高。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 改擴建設計方案概況

根據(jù)建設方的要求，擬對該公路拓寬15 m，在提高公路通行能力的同時，也將對該公路的景觀進行重新打造，以滿足各方面的需求。根據(jù)實際情況提出以下兩個設計方案。

a）方案一 在原有道路的基礎上直接挖設高度為2 m的大臺階，按1∶1.75坡率回填合格土石，并在回填土頂層鋪設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 在原有道路的基礎上挖設高度為2 m的大臺階，按1∶0.5的坡率填筑泡沫輕質土。泡沫輕質土外側邊坡設置防護面層，并進行雕刻美化處理。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)是影響結果的重要參數(shù)。合理的模型計算參數(shù)對有限元計算及結果分析具有重要的意義。

有限元模型邊界過小會導致邊界上的約束影響模型的受力情況，使得計算結果失真；邊界范圍過大則會帶來計算時間過長的影響。按照經驗，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)格均采用平面應變單元。根據(jù)《現(xiàn)澆泡沫輕質土技術規(guī)程》（CECS 249:2008）相關規(guī)定，在無試驗數(shù)據(jù)時，泡沫輕質土的抗剪強度由式（1）、式（2）確實。

式中：qu為泡沫輕質土抗壓強度，MPa；C為泡沫輕質土的黏聚力，kPa；Φ為內摩擦角，（°）。

各材料計算參數(shù)及本構模型如表2所示。

表2 有限元模型計算參數(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算結果。

3.1 安全系數(shù)

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

圖5 常規(guī)加寬方案路堤潛在滑動面

圖6 泡沫輕質土加寬方案潛在滑動面

從圖5和圖6可以看出，不同方案下路堤的潛在滑動面位置不同。在常規(guī)加寬方案下，路堤的潛在滑動面為沿著新舊路面搭接處向下延伸至原有地層，形成潛在的滑動面，并且在土體內部形成次一級的滑動破壞。由圖6可以看出，路堤最危險的破裂面是舊路堤部分產生的潛在滑動面。究其原因是泡沫輕質土具有強度高、抗壓能力強的特點，因此在受到上覆車輛荷載的作用時其變形較小。同時由于泡沫輕質土施工時，在與舊路基的搭接上采取了挖臺階的構造措施，進一步提高了泡沫輕質土的穩(wěn)定性。

從兩種方案下的路堤安全系數(shù)角度而言，常規(guī)回填土加寬道路時其安全系數(shù)為1.45，泡沫輕質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降低行車的舒適性，還會形成貫通的不均勻沉降裂縫，導致地表水下滲浸泡路基填土，進一步引起道路的變形破壞，形成路堤滑坡，帶來嚴重的后果。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土進行道路加寬，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，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，泡沫輕質土加寬道路時，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)方案拓寬道路時的最大沉降值減小了40.7 mm，可見由于采用了強度較高的泡沫輕質土作為回填土，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個監(jiān)測點，從左到右讀取每個測點的沉降值為yi（單位：mm），利用式（3）計算路面的沉降差。

整理得到不均勻沉降的分析指標路面沉降差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，由于長期行車，在車輛荷載的作用下路基的壓實度高，固結沉降已經基本完成，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到了7.6 mm，而方案二的泡沫輕質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。

從加寬路堤范圍內的測點沉降差可以看出，由于測點處均為新加寬路堤，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)為道路經典的“U”形沉降盆變化趨勢。

單獨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。沉降差過大會使路面產生更大的拉應力，從而導致路面開裂，形成縱向的貫通拉裂縫，降低道路的使用壽命，帶來更高的工程費用。

綜上所述，采用泡沫輕質土具有保證路堤穩(wěn)定性，減小征地面積等多個優(yōu)點。相比常規(guī)回填加寬路堤的方案，采用泡沫輕質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險，有利于提高道路的使用壽命。

4 結語

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土兩種方案，得到了以下主要結論：

a）采用泡沫輕質土比常規(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。

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，泡沫輕質土加寬道路下的路面最大沉降值為9 mm，采用泡沫輕質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，采用泡沫輕質土加寬道路時，路面的最大沉降差為2 mm，有效地降低了路面產生拉裂縫的風險，有利于道路的長期安全穩(wěn)定運營。