高速公路路基泡沫輕質(zhì)土拓寬工藝及其變形控制效果分析

黃任文 王鑫越 黃俊杰

【摘要：】為對(duì)比分析分別由泡沫輕質(zhì)土和傳統(tǒng)填土填筑的拓寬路基在新舊路基沉降變形及地基土水平位移分布方面的規(guī)律及其差異性，文章開展了室內(nèi)離心試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：傳統(tǒng)填土填筑的路基面，最大沉降為43.3 mm，既有路基坡腳最大水平位移為-13.4 mm，拓寬路基坡腳處最大水平位移為56.3 mm;泡沫輕質(zhì)土填筑的路基面，離心試驗(yàn)結(jié)果顯示最大沉降減小了45.0%（與傳統(tǒng)填土填筑相比）、既有路基坡腳和拓寬路基坡腳下地基土最大側(cè)向變形分別減小了60.4%和74.6%;相比傳統(tǒng)填土，泡沫輕質(zhì)土填筑的路基最大沉降減少了56%、側(cè)向變形分別減小74.0%和82.5%。這說明采用泡沫輕質(zhì)土作為拓寬路基填料，能夠有效減小拓寬路基面水平變形、沉降與差異沉降量。

【關(guān)鍵詞：】道路工程;路基拓寬;泡沫輕質(zhì)土;離心試驗(yàn);數(shù)值模擬;沉降變形

U416.1+11A160494

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，國(guó)民生活水平不斷提高，機(jī)動(dòng)車保有量迅速增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)道路及高速公路交通流量趨于飽和，目前一般通過拓寬舊路路基以適應(yīng)交通流量逐年上升的需求。舊路拓寬雖能有效緩解公路交通壓力，但由于新舊路基受力環(huán)境差異，導(dǎo)致二者極易出現(xiàn)差異沉降變形，引起路面開裂，降低駕駛舒適度和安全性[1-2]。

為降低路基拓寬工程中路面開裂對(duì)車輛運(yùn)行的影響，相關(guān)學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了改良?？刁襕3]通過模型試驗(yàn)對(duì)比碎石樁、土工格柵、CFG樁與無加固狀態(tài)地基沉降變形，發(fā)現(xiàn)采用CFG樁結(jié)合土工格柵的施工工藝能有效減少拓寬路基沉降。何敬晨等[4]對(duì)路基拓寬臺(tái)階尺寸方案進(jìn)行了比選，提出一種大尺寸臺(tái)階施工工藝。傅珍等[5]通過土工離心試驗(yàn)研究了不同加筋材料加筋拓寬路基時(shí)的差異沉降量，發(fā)現(xiàn)加筋能有效協(xié)調(diào)路基不均勻沉降。此外，還有學(xué)者提出通過提高壓實(shí)度、架設(shè)反壓護(hù)道等方法減少拓寬路基的差異沉降量[6-7]。但以上工藝存在施工復(fù)雜、周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性差等問題。因此，有學(xué)者將具有輕質(zhì)性、高流動(dòng)性、施工便捷性等技術(shù)特點(diǎn)的泡沫輕質(zhì)土引入路基拓寬工程作為拓寬區(qū)填料，并取得了一定的研究成果[8-11]。

雖然泡沫輕質(zhì)土在公路路基拓寬工程中的應(yīng)用越來越廣泛，但泡沫輕質(zhì)土施工工藝、與傳統(tǒng)土石填料拓寬路基沉降變形差異性等方面還有待研究。因此，本文提出公路路基泡沫輕質(zhì)土拓寬工藝，結(jié)合土工離心試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)比分析傳統(tǒng)填料與泡沫輕質(zhì)土填料拓寬路基的沉降變形及水平位移分布規(guī)律，對(duì)泡沫輕質(zhì)土在高速公路拓寬工程中的優(yōu)越性進(jìn)行探討。

1 公路路基泡沫輕質(zhì)土拓寬工藝

1.1 泡沫輕質(zhì)土制備

泡沫輕質(zhì)土制備工藝流程主要分為三步：（1）將水泥及其他改性材料（如粉煤灰、纖維等）與水混合攪拌形成水泥漿;（2）將水與發(fā)泡劑混合形成發(fā)泡液，發(fā)泡液通過壓縮空氣機(jī)與空氣混合后形成細(xì)密均勻的泡沫;（3）將上述第一步與第二步制備的水泥漿與泡沫進(jìn)行混合攪拌，最終形成泡沫輕質(zhì)土。

1.2 泡沫輕質(zhì)土施工工藝

泡沫輕質(zhì)土施工工藝流程主要包括：施工準(zhǔn)備工作→澆筑模板安裝→泡沫輕質(zhì)土泵送澆筑→養(yǎng)護(hù)作業(yè)。以下分別對(duì)各工藝流程進(jìn)行闡述，重點(diǎn)說明各施工工藝控制要點(diǎn)。

（1）施工準(zhǔn)備工作

場(chǎng)地清理后，進(jìn)行既有路基臺(tái)階開挖，開挖應(yīng)分段進(jìn)行，避免一次性開挖后既有路基邊坡長(zhǎng)期暴露而產(chǎn)生塌方等危險(xiǎn)。保證各級(jí)臺(tái)階土體處于密實(shí)狀態(tài)，必要時(shí)可采用水泥砂漿對(duì)坡面進(jìn)行初步加固，同時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)防排水等施工準(zhǔn)備措施。

（2）澆筑模板安裝

準(zhǔn)備工作結(jié)束后，架設(shè)泡沫輕質(zhì)土澆筑模板以形成封閉的澆筑區(qū)域，模板應(yīng)分段設(shè)置，避免單次澆筑距離過長(zhǎng)。

（3）泡沫輕質(zhì)土泵送澆筑

澆筑泡沫輕質(zhì)土應(yīng)分層、分段進(jìn)行。單次澆筑高度宜控制在0.6～0.8 m，防止單次澆筑厚度過大導(dǎo)致泡沫輕質(zhì)土塌縮、開裂;單次澆筑長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)泵送距離、澆筑厚度、設(shè)備生產(chǎn)能力等現(xiàn)場(chǎng)情況綜合確定。同時(shí)，單次澆筑面積宜控制在200～400 m2。此外，當(dāng)泡沫輕質(zhì)土澆筑長(zhǎng)度較大時(shí)，應(yīng)間隔10～15 m設(shè)置伸縮縫，縫寬≥10 mm，填縫材料宜采用泡沫板、擠塑板等。

（4）養(yǎng)護(hù)作業(yè)

泡沫輕質(zhì)土泵送完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行覆膜保濕養(yǎng)護(hù)，避免內(nèi)外溫差過大，導(dǎo)致泡沫輕質(zhì)土產(chǎn)生開裂等問題，影響后期強(qiáng)度的形成。

2 泡沫輕質(zhì)土拓寬路基變形研究方案

為研究采用泡沫輕質(zhì)土作為拓寬區(qū)域填料時(shí)公路路基拓寬工程沉降及水平變形特性，本文通過室內(nèi)土工離心試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法，對(duì)比分析傳統(tǒng)填料與泡沫輕質(zhì)土填料的路基拓寬工程效果。

2.1 室內(nèi)離心試驗(yàn)方案

分別建立由泡沫輕質(zhì)土和傳統(tǒng)填料填筑而成的兩組離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其中采用泡沫輕質(zhì)土填筑拓寬路基模型如圖1所示，泡沫輕質(zhì)土濕密度為700 kg/m 另一組模型填筑與既有路基相同的傳統(tǒng)填料。兩組模型比例均為1∶80，制作于相同的模型箱內(nèi)，模型箱尺寸為600 mm（長(zhǎng)）×400 mm（寬）×400 mm（高）。兩組離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ统貙捖坊盍喜煌?，其余參?shù)如地基土層厚度、新舊路基高度、基樁長(zhǎng)度與間距、傳感器布置位置等均保持一致。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑦^程主要包括軟土地基與既有路基建立和拓寬路基建立兩個(gè)步驟。

（1）軟土地基與既有路基模型的建立

軟土地基采用成都郊區(qū)軟黏土進(jìn)行填筑，經(jīng)測(cè)定其天然含水量為15.1%。為模擬地基土固結(jié)過程，首先對(duì)地基土開展離心試驗(yàn)，具體操作如下：兩組試驗(yàn)?zāi)Ｐ途忍钪穸葹?5 cm的軟土，再放入離心機(jī)中以80 g離心加速度作用82 min，然后將模型箱從離心機(jī)中取出，挖除地基土表層，保留地基土厚度為20 cm，即模擬相當(dāng)于原型16 m厚的地基土層。提取離心后的土體，經(jīng)測(cè)試得到固結(jié)后地基土粘聚力和摩擦角分別為20.0 kPa和18.1°。

根據(jù)相似理論，本試驗(yàn)采用PVC管模擬樁體，經(jīng)計(jì)算后，樁體長(zhǎng)度和直徑分別為125 mm和10 mm，PVC管壁厚1 mm，彈性模量為2.5 GPa。在固結(jié)后的軟黏土地基中開挖孔徑為10 mm的孔，然后將PVC管插入地基土層中，最后在樁頂鋪設(shè)碎石加筋墊層，墊層加筋材料和碎石分別采用棉質(zhì)紗網(wǎng)和細(xì)砂進(jìn)行模擬。既有路基模型采用重塑黏土，在外部特制鋼模中進(jìn)行制作，測(cè)定其最優(yōu)含水量為16.5%，填筑壓實(shí)度≥0.96。隨后將制作完成的既有路基模型放在復(fù)合地基加筋墊層設(shè)計(jì)位置，再將路基模型整體放入離心機(jī)中，在離心加速度為20 g、40 g、60 g、80 g條件下分別旋轉(zhuǎn)21.6 min、5.7 min、2.4 min、1.4 min，模擬既有路基分層填筑過程，每層填筑時(shí)長(zhǎng)為6 d。當(dāng)離心機(jī)的離心加速度達(dá)到80 g后，繼續(xù)保持82 min，模擬既有路基填筑后放置1年，使路基壓密下沉且與復(fù)合地基固結(jié)沉降均趨于穩(wěn)定。

（2）拓寬路基模型的建立

路基拓寬部分分別采用泡沫輕質(zhì)土與傳統(tǒng)土體填筑，即總共開展兩組離心模型試驗(yàn)。每組完成上述步驟（1）軟土地基與既有路基建立后，將在外部特制模型槽內(nèi)制作成型的拓寬路基模型放入既有路基模型側(cè)邊的拓寬區(qū)域。其中，泡沫輕質(zhì)土在外部木板模型槽內(nèi)澆筑成型，并覆膜保濕養(yǎng)護(hù)28 d。

將完成拓寬的路基整體模型再次放入離心機(jī)中，在離心加速度為80 g環(huán)境下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)82 min，模擬兩組不同填料拓寬路基長(zhǎng)期固結(jié)沉降過程。

兩組試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑦^程中均安裝有沉降變形傳感器，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陔x心機(jī)內(nèi)加載過程中對(duì)其沉降變形進(jìn)行測(cè)試采集。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

建立基于三維有限差分法的常規(guī)路基填料與泡沫輕質(zhì)土填料拓寬路基數(shù)值模型，如圖2所示。該模型中既有路基和拓寬路基的長(zhǎng)度與深度與離心模型原型中的長(zhǎng)度與深度保持一致。為加快計(jì)算效率并基于幾何對(duì)稱性，模型僅模擬一側(cè)路基。在數(shù)值模型中只考慮拓寬路基自重，忽略交通荷載影響。

軟土與傳統(tǒng)土體均采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，泡沫輕質(zhì)土采用理想彈塑性模型。計(jì)算參數(shù)見表1。

模型橫向?qū)ΨQ面施加對(duì)稱約束，底部施加固定約束。數(shù)值模擬過程與離心試驗(yàn)過程相同，因此可將數(shù)值計(jì)算模型加載全過程分為以下步驟：（1）軟土地基固結(jié)與既有復(fù)合地基固結(jié);（2）拓寬路基施工與固結(jié)。將前一分析步結(jié)束的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)作為下一分析步的初始狀態(tài)，對(duì)新舊路基施工及沉降全過程進(jìn)行模擬。

3 結(jié)果分析

3.1 路基面沉降規(guī)律

由于拓寬路基填料自重的作用，既有路基不可避免地會(huì)產(chǎn)生新的沉降，且沉降量與新舊路基位置有關(guān)，越靠近拓寬路基一側(cè)的既有路基沉降量越大，如圖3所示。

由如圖3可知，離心模型實(shí)驗(yàn)中，在拓寬區(qū)域采用泡沫輕質(zhì)土填筑的條件下，路基面最大沉降量為23.8 mm（新舊路基界面），而采用傳統(tǒng)土體填筑最大沉降為43.3 mm（拓寬區(qū)域中部）;數(shù)值模擬分析結(jié)果分別為19.7 mm和44.8 mm。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用泡沫輕質(zhì)土填筑路基拓寬區(qū)域能夠有效減小新舊路基面的沉降量，相比于傳統(tǒng)填土拓寬路基，最大沉降量減小了45.0%（離心試驗(yàn)）及56.0%（數(shù)值模擬）。

以上數(shù)據(jù)說明了采用泡沫輕質(zhì)土填筑路基拓寬部分能夠充分發(fā)揮泡沫輕質(zhì)土輕質(zhì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，減小新建拓寬路基自重，從而降低了因新建拓寬路基引起既有路基的沉降，對(duì)新舊路基之間差異沉降具有良好的控制作用，進(jìn)而抑制新舊路基交接位置處路面結(jié)構(gòu)開裂并減少后續(xù)維護(hù)工作量。

3.2 地基水平位移規(guī)律

通過對(duì)模型箱透明部分的定位標(biāo)志進(jìn)行測(cè)量，得到試驗(yàn)完成后既有路基坡腳下和拓寬路基坡腳下地基水平位移量，同時(shí)將其與數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并將其隨地基深度的變化規(guī)律繪制成圖，見圖4（負(fù)值表示地基土向既有路基側(cè)移動(dòng)，正值表示地基土遠(yuǎn)離既有路基）。

由圖4可知，在拓寬區(qū)填料自重荷載作用下，既有路基坡腳下地基土水平位移主要朝既有路基一側(cè)發(fā)展，隨地基深度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，最大水平位移為-13.4 mm;而新建拓寬路基坡腳下地基土水平位移隨地基深度增加而逐漸減小，最大水平位移發(fā)生在1.8 m深度處，為56.3 mm，數(shù)值模擬分析結(jié)果分別為-10.0 mm和48 mm。采用泡沫輕質(zhì)土填筑時(shí)，既有路基坡腳最大水平位移為-5.3 mm，拓寬路基坡腳處最大水平位移為14.3 mm，數(shù)值模擬分析結(jié)果分別為-2.6 mm和8.4 mm。相較于傳統(tǒng)填料填筑的拓寬路基而言，離心試驗(yàn)中泡沫輕質(zhì)土路基最大水平位移分別減小了60.4%和74.6%，而數(shù)值分析結(jié)果中最大水平位移分別減小了74.0%和82.5%。這說明采用泡沫輕質(zhì)土填筑拓寬路基可有效減小地基土的水平位移。若新建拓寬路基靠近既有建筑物時(shí)，可利用泡沫輕質(zhì)土的輕質(zhì)性，減小新建拓寬路基的自重，進(jìn)而減小地基產(chǎn)生的水平位移，從而控制地基水平位移對(duì)既有建筑物或構(gòu)筑物的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過闡述公路路基泡沫輕質(zhì)土拓寬工藝，開展離心模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比研究了拓寬路基分別采用泡沫輕質(zhì)土和傳統(tǒng)填土進(jìn)行填筑條件下新舊路基沉降變形與側(cè)向變形特性，得出以下主要結(jié)論：

與傳統(tǒng)路基填料相比，泡沫輕質(zhì)土填筑拓寬路基時(shí)的最大沉降量減小了45.0%（離心試驗(yàn)）和56.0%（數(shù)值模擬）;既有路基坡腳下與拓寬路基坡腳下地基最大水平位移分別減小了60.4%和74.6%，數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示最大水平位移分別減小了74.0%和82.5%。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，采用泡沫輕質(zhì)土填筑路基拓寬部分能夠充分發(fā)揮泡沫輕質(zhì)土輕質(zhì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，減小因新建拓寬路基而引起既有路基的沉降和控制新舊路基之間的差異沉降量，降低地基土水平位移，從而降低拓寬路基對(duì)路面結(jié)構(gòu)與既有構(gòu)筑物的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]L.Miao，F(xiàn).Wang，J.Han，et al.Benefits of geosynthetic reinforcement in widening of embankments subjected to foundation differential settlement[J].Geosynthetics International，2014，21（5）：321-332.

[2]J.Ling，J.Qian，Q.Huang.Failure mechanism and design criterion for low–volume roads subgrade widening[J].Transportation research record，2007（2）：135-141.

[3]康 笠.濟(jì)青高速公路拓寬路基差異沉降控制模型試驗(yàn)對(duì)比研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2019，15（6）：56-58.

[4]何敬晨，張春會(huì).拓寬路基拼接臺(tái)階尺寸比選研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2015，11（1）：30-34.

[5]傅 珍，王選倉(cāng)，李宏志，等.高速公路拓寬路基差異沉降[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010，10（6）：25-31.

[6]劉道成.高速公路拓寬工程路基差異沉降與控制技術(shù)分析[J].交通世界，2016（25）：22-23.

[7]張春會(huì)，呂 錦，趙全勝，等.高速公路拓寬路基病害機(jī)理及防治[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，31（2）：168-171.

[8]李 碩，楊軍宏.泡沫輕質(zhì)土在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用[J].公路交通科技，2018，35（S1）：1-6.

[9]楊春風(fēng)，莊 燦，李洪亮，等.泡沫輕質(zhì)土用于軟基路基拓寬時(shí)應(yīng)力應(yīng)變分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，41（1）：234-245.

[10]Huang Junjie，Su Qian，Zhao Wenhui，et al.Experimental study on use of lightweight foam concrete as subgrade bed filler of ballastless track[J].Construction and Building Materials，2017（149）：911-920.

[11]趙文輝，蘇 謙，李 婷，等.高速鐵路基床底層泡沫輕質(zhì)土填料試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2019，38（6）：179-186.