輕質泡沫混凝土在路基改擴建中的應用研究

孫 強

(山西省公路工程監(jiān)理技術咨詢有限公司 太原市 030006)

0 引言

城市化進程的加快催生出更高的交通運輸需求,高速公路改擴建成為提高運輸力的有效途徑。路基改擴建材料中,輕質泡沫混凝土必不可少,其具有節(jié)約成本、施工便捷、節(jié)省土地的優(yōu)勢。

孫文進行了輕質泡沫混凝土離心試驗,研究了輕質泡沫混凝土材料的路用性能和力學表現(xiàn)[1]。李泰灃等對鐵路輕質混凝土路基的力學特性進行了分析,提出適用于重載鐵路的輕質混凝土路基結構方案,并對路基的應力傳遞規(guī)律進行了研究[2]。周捷等對輕質泡沫混凝土路基結構形式在路基處理中的效果進行了分析研究,驗證了輕質泡沫混凝土在控制路基坡腳的沉降量上效果顯著[3]。陳龍龍采用試驗的方式,從發(fā)泡劑、水灰比、集料三方面對不同參數的泡沫混凝土路基進行研究,確認了泡沫混凝土路基的最佳配合比范圍和性能參數[4]。李粒生等結合工程實際,對輕質泡沫混凝土路基在陡坡工程中的應用進行闡述,認為輕質泡沫混凝土路基在控制路基位移和穩(wěn)定性方面具有較大的優(yōu)勢[5]。李響對邊坡支護中輕質混凝土的應用進行了研究,結果表明,隨著水灰比和填筑高度的提升,輕質混凝土試驗的干密度隨之增加,在實際工程中,水灰比控制在0.5～0.6為宜[6]。李晉禹等對軟土地區(qū)的泡沫混凝土路基進行了研究,發(fā)現(xiàn)施工技術中泡沫混凝土路基的沉降比傳統(tǒng)工法降低了11.3%,有利于軟土地區(qū)的沉降控制。文章依托高速公路改擴建工程,采用數值模擬方法,研究輕質泡沫混凝土路基在公路改擴建中的應用情況[7]。

1 工程概況

某高速公路K12+325.125～K12+564.856段路線呈南北走向,原高速公路為雙向4車道,設計時速100 km/h,后改擴建為雙向6車道。現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn),原路基結構較為完整,兩側排水溝及草木清晰可見,原路基高度約22m,為高填方路基?，F(xiàn)場兩側用地有限,路基擴建工程需兼顧沉降和用地。傳統(tǒng)的路基修筑采用擋墻支擋新路基,工藝復雜,經濟性較差,因此采用輕質泡沫混凝土材料填筑路基。

根據相關工程經驗,擬定在路基加寬部分采用垂直加寬,如圖1所示。在老路基填方邊坡處采用臺階開挖的方法,使老路基側面形成梯步狀結構,再依次分層填筑輕質泡沫混凝土層,每層填筑高度為2m。在梯級中部設置鋼管樁進行連接,保證新老路基連接的整體性。其中鋼管樁的直徑為200mm,壁厚為10mm,管內采用C30混凝土進行填充。

圖1 路基斷面圖(單位:m)

圖2 有限元模型

圖3 路基臨空面水平位移圖

地勘報告顯示,場地內的巖土層主要為填土、粉質黏土和全風化砂巖。填土為黃褐色,稍密回填時間約4～8年,厚度約6～10m;粉質黏土為黃棕色,呈硬塑狀,厚度約7～10m;全風化砂巖為灰黃色,中實狀態(tài),厚度約6～11m。

2 數值模擬研究

2.1 模型的建立

Midas GTS NX有限元計算軟件結合有限元與巖土結構的專業(yè)特點,適用于巖土工程,對于土層和結構物都有相應的本構模型。為研究輕質泡沫混凝土在路基改擴建中的變形和沉降特性,文章采用Midas GTS NX有限元軟件進行數值模擬計算。

改擴建路基模擬主要涉及三個方面,即巖土體、輕質泡沫混凝土和鋼管樁。模型采用2D模型進行模擬計算,巖土體和輕質泡沫混凝土采用2D平面應變單元進行模擬,本構模型為Mohr—Coulomb;鋼管樁采用1D梁單元進行模擬,本構模型為彈性本構。為確保模型計算的精確性,輕質泡沫混凝土的網格密度為1m,巖土體的網格密度為2m。建立模型涉及的參數見圖 2和表 1。

表1 模型參數表

模型采用施工階段模式進行運算,模擬輕質泡沫混凝土路基的施工過程:

(1)定義邊界條件,加載自重荷載。

(2)初始應力場平衡,位移清零。

(3)按照每層填筑2m的方式填筑輕質泡沫混凝土。

(4)依據模型計算結果,對輕質泡沫混凝土路基進行分析。

2.2 改擴建路基變形分析

(1)路基臨空面水平位移分析

路基改擴建過程中,路基的變形情況對于保障路面穩(wěn)定十分重要。現(xiàn)對路基臨空面水平位移變化情況進行提取分析,結果如圖 3所示。

圖 3中,縱坐標高度表示擴建路基段臨空面高度,可知輕質泡沫混凝土路基臨空面水平位移最大值位于路基頂部,水平位移最小值位于路基底部,最大值為17mm,最小值為5.8mm。路基臨空面的水平位移值與高度呈正相關,高度越高,水平位移值越大。此現(xiàn)象與整個模型的結構有關,一方面,輕質泡沫混凝土靠近路基頂面的填筑材料較多,整個擴建部分的輕質泡沫混凝土位于原路基的一側,呈下滑趨勢;另一方面,新老路基的界面連接處設置了鋼管樁,鋼管樁將新老路基連接在一起,修正了新老路基在交界面上的薄弱處,限制了路基擴建部分的水平位移,并且在整個輕質泡沫混凝土的橫向上,頂層填筑量最大,材料自身的變形量最多。綜合以上因素,形成了擴建路基臨空面水平位移值的曲線變化規(guī)律,也說明了設置鋼管樁結構的必要性和有效性。

(2)路基頂面水平位移分析

路基頂面水平變形會導致路面結構變形,使路面發(fā)生病害。提取路基頂面的水平位移情況,詳見圖4。

圖4 路基頂面水平位移圖

從圖4可知,路基頂面的水平位移值(朝向臨空面為正)隨路基頂面位置的變化而變化。距離路基中線越近的位置,水平位移變化越小,隨著距離路基中線的位置變遠,水平位移呈非線性增大趨勢,直至新老路基交界處達到最大值23mm,后逐漸減小,最后穩(wěn)定在17mm左右。這種變化說明,擴建部分路基對老路基的變形有一定影響,二者水平方向的變形具有一定的關聯(lián)性,擴建部分路基的修建不利于老路基的變形穩(wěn)定,其中新老路基交界處是最薄弱處,因此在路基設計和施工中應加強對該處的設置,減小新老路基連接處的水平位移。

(3)路基頂面豎直位移分析

路基頂面豎直位移的變化關系到后續(xù)路面施工不均勻沉降問題,圖 5為路基頂面的豎直位移圖。

由圖5可見,路基頂面的豎直位移與距離路基中線位置的變化相關。在不同的路基頂面位置,路基的豎直位移不同,豎直位移的變化整體呈下降趨勢,但非線性變化。隨著距離中線的位置變遠,豎直位移的減小趨勢呈“S”形變化,其中降低位置最快的區(qū)段在距離中線10～30m范圍,最終豎直位移的最大值為66mm。擴建部分實施的路基填筑會對老路基的一側形成側向豎直荷載,在新荷載的作用下,老路基在靠近新路基部分發(fā)生豎向變形,而新老路基的材料、固結程度等性質不一致,從而產生不均勻沉降現(xiàn)象。因此,在設計施工中應考慮新老路基之間的連接性,采取相應的加固措施減少新老路基連接部分的不均勻沉降。

圖5 路基頂面豎直位移圖

圖6 鋼管樁樁身剪力圖(單位:kN)

圖7 剪力最大的鋼管樁樁身剪力圖

2.3 鋼管樁受力特性分析

鋼管樁在擴建路基中起到連接新老路基的作用,鋼管樁的受力情況會對新老路基的連接穩(wěn)定性造成影響,在此對鋼管樁的受力情況進行分析。

(1)鋼管樁剪力分析

圖 6為全部鋼管樁樁身剪力圖,選取其中受到剪力最大的鋼管樁進行計算分析,計算結果如圖 7所示。

結果顯示,樁身的剪力變化呈兩頭大,中間小的趨勢,最大值達到55kN,位于樁底。

(2)鋼管樁彎矩分析

圖8為對應剪力最大樁的樁身彎矩圖。結果顯示,樁身彎矩呈“S”形變化,樁身上部所受的彎矩值較小,下部所受的彎矩值較大,最大值位于樁身0.5m附近。

圖8 剪力最大的鋼管樁樁身彎矩圖

綜上,對于鋼管樁的最大剪應力和彎矩均位于鋼管樁上部和下部的情況,須加強鋼管樁上部和下部的設計。

3 結論

文章采用Midas GTS NX有限元軟件模擬高速公路改擴建路基,分析輕質混凝土改擴建路基的變形以及鋼管樁的受力特性,得到以下主要結論:

(1)輕質泡沫混凝土路基臨空面的水平位移值與泡沫輕質混凝土的高度呈正相關,鋼管樁有利于提高改擴建路基的整體穩(wěn)定性。

(2)路基頂面的水平位移值隨距離路基中線位置的變化呈先增大后減小的趨勢,其中新老路基的交界處最為薄弱。

(3)路基頂面的豎直位移呈“S”形減小趨勢,新舊路基交界處豎向位移的降低速率最大。

(4)鋼管樁的上部和下部受到巖體的剪力和彎矩值較大,而中部較小。