泡沫輕質(zhì)土在道路擴(kuò)建工程中的應(yīng)用分析

周 旺

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國(guó)車輛保有量的增加,道路通行能力受到了越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。目前常通過(guò)新建并行線路、利用交通組織引導(dǎo)以及擴(kuò)建道路來(lái)達(dá)到提高既有道路通行能力的目的。道路擴(kuò)建具有能夠充分利用既有道路、降低部分投資等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前用于道路擴(kuò)建常用的材料包括土石材料、工業(yè)廢渣、新型材料等。不同的材料在不同的地質(zhì)條件下具有不同的適用性。經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),泡沫輕質(zhì)土作為一種新型的路基填筑材料,在道路填筑中具有良好的適用性。泡沫輕質(zhì)土是一種由發(fā)泡劑溶液和必要的集料組分按一定的比例混合攪拌,并最終通過(guò)物理化學(xué)反應(yīng)形成的一種新型輕質(zhì)材料,具有較好的整體性、抗壓性等,尤其是其具有的輕質(zhì)性能夠減小地層附加應(yīng)力,使泡沫輕質(zhì)土在軟基路堤填筑等方面得到了廣泛的應(yīng)用,也因此得到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注和研究。

駱永震等[1]通過(guò)FLAC3D軟件模擬分析了砂土和泡沫輕質(zhì)土作為軟土地基路基填料時(shí)應(yīng)力和位移的關(guān)系,得到了泡沫輕質(zhì)土對(duì)路基沉降等指標(biāo)的影響規(guī)律,為加筋泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用提供了參考。李群[2]以江門(mén)某道路擴(kuò)建工程為研究背景,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多種手段分析了軟土地基上道路擴(kuò)建工程運(yùn)用泡沫輕質(zhì)土的變形規(guī)律,并對(duì)其沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,為類似工程的分析研究提供了重要的參考價(jià)值。牛昴懿[3]分析了泡沫輕質(zhì)土的主要物理性質(zhì)和其工作機(jī)理,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和軟件模擬分析了泡沫輕質(zhì)土加寬道路的力學(xué)原理,分析了軟土地基上道路擴(kuò)寬的整體穩(wěn)定性,為類似工程提供了重要的參考價(jià)值。李碩等[4]以江廣高速公路擴(kuò)寬工程為研究對(duì)象,分析了泡沫輕質(zhì)土的工程特性,介紹了泡沫輕質(zhì)土現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的實(shí)施方案,提出利用提高泡沫輕質(zhì)土的整體均勻性達(dá)到提高成品質(zhì)量的目的,為泡沫輕質(zhì)土在道路拓寬中的施工提供了一定的參考價(jià)值。甄俊杰[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),分析了含水率等多種指標(biāo)對(duì)道路拓寬中的泡沫輕質(zhì)土物理特性的影響規(guī)律,為泡沫輕質(zhì)土的實(shí)際工程應(yīng)用提供了材料配合比參考。

本文以某道路擴(kuò)建工程為研究對(duì)象,對(duì)比分析了泡沫輕質(zhì)土和普通填土在路基擴(kuò)建中的應(yīng)用效果,以期為類似工程的實(shí)施提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)地形概況

該路段地形比較平緩,地層產(chǎn)狀近似水平。該地層地表以下2 m范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土,屬于第四紀(jì)洪積土,局部夾粉砂薄層,干強(qiáng)度一般。地表以下2～6 m為松散卵石層,母巖以石英巖為主,分選性一般,卵石粒徑多為20～120 mm,含部分漂石,漂石粒徑含量為10%～15%。地表6 m以下為密實(shí)卵石層,母巖為砂巖和石灰?guī)r,分選性較差,呈亞圓形,卵石粒徑多為20～160 mm,粒間主要由圓礫和中砂填充。

各土層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖、土物理力學(xué)指標(biāo)建議取值表

1.2 工程概況

擬擴(kuò)建道路段全長(zhǎng)約4.6 km,其中K2+360～K3+815段位于填方段,道路紅線寬度為20 m,為雙向四車道。填方高度約為8 m,現(xiàn)狀道路填方坡率為1∶1.75。道路邊坡左右兩側(cè)均采用菱形骨架護(hù)坡,骨架內(nèi)采用植草防護(hù)。既有道路已經(jīng)通車達(dá)到10年,現(xiàn)填方路基已基本完成固結(jié)沉降。根據(jù)最新規(guī)劃,該道路擬進(jìn)行改擴(kuò)建形成一條新的城市主干道。新規(guī)劃下的城市主干道要達(dá)到雙向八車道,并形成集交通與景觀于一體的交通風(fēng)景線。根據(jù)現(xiàn)有地形,擬在該樁號(hào)范圍道路左側(cè)進(jìn)行單側(cè)加寬,擴(kuò)建紅線寬度為15 m。為此,在初步設(shè)計(jì)階段提出了兩種設(shè)計(jì)方案。

方案一:在既有道路左側(cè)拓寬道路路基,采用傳統(tǒng)填料回填,填方邊坡坡率為1∶1.75,坡面內(nèi)采用冷暖兩級(jí)草籽進(jìn)行播種,并做好景觀的規(guī)劃和搭配。新舊道路搭接處采用挖臺(tái)階加鋪土工格柵的工程措施,盡可能減小新舊道路搭配的沉降差異。新增占地寬度為20 m。

方案二:在道路左側(cè)擴(kuò)寬道路路基,新舊路基搭接面同樣采用挖設(shè)臺(tái)階的措施,但填筑材料采用新型泡沫輕質(zhì)土,填方坡率為1∶0.5,坡面施作防護(hù)面層。新增占地紅線寬度為10 m。

2 有限元模型的建立

為了對(duì)兩種方案進(jìn)行比較,得到更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案,擬采用有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選。

Midas GTS NX有限元軟件作為一款巖土工程有限元計(jì)算的專業(yè)軟件,具有本構(gòu)模型全面、建模速度快等優(yōu)點(diǎn),并在巖土工程的計(jì)算和驗(yàn)證中得到了大量的應(yīng)用,因此擬采用該軟件對(duì)兩種方案進(jìn)行施工過(guò)程模擬,并得到其拓寬后的沉降等變化規(guī)律。

有限元模型按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模,并保證天然土體的橫向?qū)挾炔恍∮诼返踢吰赂叨鹊?.5倍,以避免邊界約束對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。為了更好地模擬實(shí)際施工過(guò)程,軟件采用了以下施工階段模擬過(guò)程:

(1)天然地應(yīng)力平衡。

(2)開(kāi)挖第一層土體臺(tái)階、壓實(shí)回填第一層土體。

(3)開(kāi)挖第二層土體臺(tái)階、壓實(shí)回填第二層土體,以此類推。

(4)開(kāi)挖最后一層土體,鋪設(shè)土工格柵,壓實(shí)回填。

(5)施加車輛荷載模擬通車。

模型中的土體單元采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,參數(shù)取值見(jiàn)表1,其余各參數(shù)如表2所示。

表2 有限元模型計(jì)算參數(shù)表

據(jù)此建立有限元模型如圖1所示。

(a)方案一

3 有限元結(jié)果分析

3.1 路面沉降

提取兩個(gè)方案的路基沉降結(jié)果如圖2所示。

圖2 路面沉降變化曲線圖

從圖2可以看出,兩種方案路面的沉降變化規(guī)律一致,都呈現(xiàn)出新路基側(cè)沉降大、舊路基側(cè)沉降小的變化規(guī)律,總體呈現(xiàn)出傾倒的“S”形變化曲線。但兩種方案又存在較大差異。方案一中,新建道路側(cè)的沉降明顯大于右側(cè)舊路基道路,路面的最大沉降值為62.2 mm,最小值僅約1 mm,位于舊路基最右側(cè)位置。方案二中路面的最大沉降值為11.6 mm,最小沉降值為0.2 mm。對(duì)比兩種方案可以看出,采用傳統(tǒng)路基填料進(jìn)行道路拓寬時(shí),路面的最大沉降比采用泡沫輕質(zhì)土增加了50.6 mm,增大了4.4倍。分析其原因,由于傳統(tǒng)路基填料相比泡沫輕質(zhì)土而言,其彈性模量更小,抗剪強(qiáng)度更低。沉降的分層總和法計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中:s——豎向沉降(mm);

Ψs——沉降計(jì)算系數(shù);

P——附加應(yīng)力(kPa);

Es——壓縮模量(MPa);

h——土層厚度(m)。

從式(1)可以看出,當(dāng)上覆荷載和土體厚度一致時(shí),沉降與土體的彈性模量成反比,彈性模量越大,土體的沉降越小。因此,在上覆相同車輛荷載的作用下,方案一產(chǎn)生的沉降更大。另外,由于泡沫輕質(zhì)土重度比傳統(tǒng)路基填料小,因此方案二由土體自重產(chǎn)生的沉降值也比方案一更小。

3.2 基底附加應(yīng)力

提取路堤填土底部的豎向應(yīng)力云圖如圖3所示。

(a)方案一

從圖3可以看出,兩種方案道路的豎向應(yīng)力均成水平層狀分布,在路基填筑范圍內(nèi)向上凸起,形成“幾”字形應(yīng)力分布。對(duì)比分析兩種方案的豎向應(yīng)力云圖可以看出,在路基填土范圍內(nèi),方案二的豎向應(yīng)力等值線要比方案一更平緩。

從圖3(a)可以看出,新擴(kuò)建路基下的基底豎向應(yīng)力最大值為212.9 kPa,位于拓建路基與舊路基的交界面坡腳處;最小值為7 kPa,位于新建路基外側(cè)坡腳處。方案一的基底附加應(yīng)力分布呈現(xiàn)出線性分布的變化規(guī)律。從圖3(b)可以看出,方案二中擴(kuò)建路基底的附加應(yīng)力最大值為142 kPa,位于新建路基外側(cè)坡腳處;最小值為53.3 kPa,位于拓建路基與舊路基的交界面坡腳處。方案二的基底附加應(yīng)力幾乎呈等值線均勻分布,僅在路基坡腳和內(nèi)側(cè)新舊路基交界面因?yàn)榫植繎?yīng)力集中的原因,導(dǎo)致基底附加應(yīng)力迅速增大。對(duì)比兩種方案下的路基應(yīng)力可以看出,泡沫輕質(zhì)土填筑路基時(shí)對(duì)下部土體的附加應(yīng)力分布更均勻,具有更強(qiáng)的整體性。兩種方案下的路基受力模式有較大的區(qū)別,方案一中基底附加應(yīng)力呈非均勻變化,方案二中基底附加應(yīng)力則更加均勻。究其原因,在方案一中,填筑土基底更類似于柔性地基基礎(chǔ),在上覆荷載和自重作用下,表現(xiàn)出非均勻變化,荷載大的部位對(duì)基底產(chǎn)生的附加應(yīng)力更大;在方案二中,泡沫輕質(zhì)土整體性較好,填筑土基底更類似于剛性結(jié)構(gòu),因此基底附加應(yīng)力變化均勻,僅在端部形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象,形成兩端大中間小的應(yīng)力分布。由此可以看出,用泡沫輕質(zhì)土填筑路基時(shí),能夠減小對(duì)基底的附加應(yīng)力,降低對(duì)原狀地基土的承載力要求,尤其是在軟土地基的路堤填筑中具有較大的優(yōu)勢(shì)。

3.3 塑性區(qū)分布

提取道路擴(kuò)建范圍內(nèi)的塑性區(qū)分布如圖4所示。

(a)方案一

從圖4可以看出,兩種方案下的塑性區(qū)分布存在較大的差異。從圖4(a)可以看出,方案一中沿臺(tái)階挖土及粉質(zhì)黏土層均出現(xiàn)了較大范圍的塑性區(qū)分布,同時(shí)在坡腳處也存在局部塑性區(qū)。而從圖4(b)方案二的塑性區(qū)分布可以看出,在新拓寬范圍內(nèi)未出現(xiàn)大的塑性區(qū)分布,僅在坡腳處有局部分布。分析其原因,在方案一中,由于傳統(tǒng)路基填料抗剪強(qiáng)度低、容重大,對(duì)現(xiàn)狀路基產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,在路基滑移變形趨勢(shì)下,對(duì)既有路基存在拖拽牽引的變形作用,使得既有路基出現(xiàn)較大變形,從而形成塑性區(qū);新建路基坡腳存在隆起變形,產(chǎn)生了較大的位移,因此形成了塑性區(qū)。方案二中泡沫輕質(zhì)土容重更小的同時(shí)具有更高的強(qiáng)度,自身穩(wěn)定性更高,減小了對(duì)基底的附加應(yīng)力,因此塑性區(qū)較小,僅因?yàn)閼?yīng)力集中而產(chǎn)生了局部塑性區(qū)。這說(shuō)明泡沫輕質(zhì)土對(duì)既有道路的影響更小,方案更優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某道路擴(kuò)建工程為研究對(duì)象,通過(guò)有限元軟件模擬分析了泡沫輕質(zhì)土和普通填土在路基拓寬中的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)規(guī)律,得到了以下主要結(jié)論:

(1)兩種方案均表現(xiàn)出新路基沉降大、既有路基沉降小的變化規(guī)律,泡沫輕質(zhì)土拓寬道路時(shí)最大沉降值僅為11.6 mm,更有利于控制路面沉降。

(2)傳統(tǒng)填料的地基附加應(yīng)力呈現(xiàn)非均勻變化,而泡沫輕質(zhì)土的輕容重產(chǎn)生的附加應(yīng)力更小,分布更均勻,對(duì)軟弱地基的填方道路具有較大的優(yōu)勢(shì)。

(3)泡沫輕質(zhì)土拓寬道路時(shí)產(chǎn)生的塑性區(qū)分布更小,路基穩(wěn)定性更高,采用泡沫輕質(zhì)土擴(kuò)建路基方案更優(yōu)。