泡沫復合輕質土對路橋銜接處降沉影響的研究

楊建停

(新疆公路橋梁試驗檢測中心 烏魯木齊市 830000)

路橋銜接處是路橋工程設計和施建一直重視的技術重點之一，事關橋頭跳車治理，關系路橋筑建質量和應用舒適性。參考案例工程實用數據，借助ABAQUS有限元數值模擬分析的方式，對泡沫復合輕質土路橋銜接處的降沉影響課題開展專題分析探究，以為泡沫復合輕質土的路橋銜接處回填應用提供依據及參照，助力實現良好的路橋銜接處筑填效果。

1 泡沫復合輕質土概念簡介

泡沫復合輕質土是基質土、發泡劑、固化劑以及水等多種組分復合而成的一種輕質材料，容重范圍5～12kN/m3，熱傳導系數0.100～0.175，流值160～200mm左右，干燥聚縮率一般為普通混凝土的4～6倍，抗壓強度0.3～5MPa。其透滲常數比較低，并且會隨容重的降低而加大。其無側限抗壓強度與彈塑模量呈線性關系。其腐蝕環境條件下的力學強度跟普通混凝土差別不大，而其耐堿腐蝕性相對更好。泡沫復合輕質土材料會生發大量氣泡，擁有容重小、密度和強度可調節、良好的保溫隔熱性和良好的高流動性等工程特性，能相對較好地緩解新老路基銜接的差異降沉、路橋銜接處的橋頭跳車、涵隧減荷以及山區路堤穩定維護等交通筑建難題。其結構狀態具體見圖1所示。

圖1 泡沫復合輕質土結構狀態

2 分析模型的建立

2.1 本構基本設定及參數

2.1.1本構模型

工程土體擁有復雜性，對其進行客觀全面的分析揭示，如果僅憑本構模型分析，則要么難以實現，要么只適用于某種加載情況。要對工程土體進行客觀全面的分析描述，本構模型基礎上再進行模擬數值分析即為一種必要的補充手段。

材料模型主要包括莫爾-庫侖模型、彈塑性模型等。本研究的泡沫復合輕質土和基礎土模擬選用莫爾-庫侖彈塑性模型，路面及橋臺構造模擬選用線彈塑模型。

2.1.2基本設定

本模擬分析的基本設定包括:

(1)路堤模型以平面應變情況為基礎進行計算；

(2)在對輕質土路堤分層筑填進行模擬前，對既有基礎土實施起始應力平衡，以保障基礎土在自身重量載荷下已然完成固結；

(3)輕質土路堤與橋臺側向碰觸面不會出現任何間斷，不出現相對滑移及分離；

(4)在橋臺底部與基礎土間設置約束，橋臺不出現降沉形變；

(5)路堤、路面構造和基礎土間處在接觸面完全不間斷，基礎土層間在垂向移位方向耦合。

2.1.3基本參數

因現實環境下開展的一些工程，其土層構成體系相對復雜，而且各層的厚度分布不夠均勻，即便是同層土體，其性質亦不是完全一樣的，所以，要求對該模型的土層進行適當優化與調整。泡沫復合輕質土模擬計算主要參數具體見表1所示。

表1 泡沫復合輕質土模擬計算主要參數

2.2 幾何建模及有限元建模

參考某路橋工程的A匝道路橋銜接處基礎資料及實踐勘察信息，選擇典型截面AK0+390開展建模分析，該區段地層下部為淤泥，中部為黏土，上部為雜填方。

路基頂面寬為8m，并且邊坡直立，路堤填高取為2.5m。在對獲取到的相關資料進行有效梳理與歸納總結的基礎上，將輕質土路堤橫截面的二分之一為對象展開深入的探索與研究，以提高計算效率，其中，路堤橫截面寬是4m，基礎土層寬是16m。其橫截面圖模型及網絡劃分如圖2和圖3所示。

圖2 數值模擬橫截面圖

圖3 路橋銜接處橫截面網絡劃分

參考路橋銜接處調查可知，通常路橋銜接處的差異降沉形變主要出現在橋臺附近的20m以內，因此在本設計中，筆者以該路段的縱向長度25m當作研究對象，臺背回填高程2.5m，路面厚度0.19m，橋臺高度2.5m，基礎0到1.5m深度內為雜填方，1.5m到4m內為黏土，4m以下為淤泥。在接下來的模型構建中，選用CPE4R進行網絡單元劃分，既有基礎土及泡沫復合輕質土選用莫爾-庫侖模型，上覆路面構造及橋臺混凝土選用線彈塑性模型，并且考慮橋臺及輕質土間的接觸。其縱截面模型及網絡劃分如圖4及圖5所示。

圖4 數值模擬縱截面圖

圖5 路橋銜接處縱截面網絡劃分

3 泡沫復合輕質土主要參數對路橋銜接處的降沉影響分析

3.1 泡沫復合輕質土容重參數對降沉的影響

本節以泡沫復合輕質上的容重級別當作對象對路橋銜接處筑填效果進行全面、系統的評估與分析，在對工程A匝道橋頭泡沫復合輕質土路堤進行模擬時，選用的泡沫復合輕質土的容重級別定為W5。而路基降沉是否與泡沫復合輕質土的容重相關，還需展開更深入的考核與驗證。通過對同泡沫復合輕質土的容重級別的進一步研究，以計算路基降沉演變。

在保持泡沫復合輕質土路堤高程2.5m和其他參數不變的條件下，泡沫復合輕質土的容重級別分別設立7個容量級別，在此基礎上，廣泛研究各分層筑填高程路基降沉隨著容重級別演變的情況，結果如圖6及圖7所示。

圖6 不同容重級別在不同分層筑填高程的降沉值

從圖6我們可知，泡沫復合輕質土路堤在同分層筑填高程下，隨著容重級別的增強，路基垂向降沉值加大，并且隨著分層筑填高程的加大，路基垂向降沉的形變提升速度加快。

圖7 不同容重級別泡沫復合輕質土筑填的降沉曲線

從圖7我們可知，在同一容重級別下，路基垂向降沉值與橋臺距離先表現出明顯的正關聯性，也就是說，在間距不斷擴大時，沉降現象就愈發嚴重，但達到一定水平之后，則趨向于平緩。由此可以看出，容重級別越高，泡沫復合輕質土對路基垂向降沉值影響變大。

當泡沫復合輕質土容重級別較低時，雖然其自身重量載荷減輕，但其抗壓強度亦相對較低，加之現場制備困難，因此在很大程度上影響澆筑效果。當泡沫復合輕質土容重級別太高時，不但導致混凝土用量的浪費，無法充分體現其輕質性的優勢，并且導致施工成本進一步增加。最為重點的是，路基垂向降沉加大，容易引發安全隱患，無法從源頭上保證行車安全。經多方面考慮及綜合分析后，筆者認為橋頭路堤筑填選擇應用容重級別為W6較為合適。

3.2 泡沫復合輕質土彈塑性模量對降沉的影響

案例工程路堤筑填數值模擬過程中，其泡沫復合輕質土的強度級別定為CF0.6，經過調整泡沫復合輕質土的彈塑性模量，計算其對路基垂向降沉的影響。經過控制泡沫復合輕質土彈塑性模量演變范圍在50～300MPa，深入探討并分析它在各筑填高程下路基降沉演變，結果如圖8及圖9所示。

圖8 泡沫復合輕質土彈塑性模量與降沉關系

圖9 不同彈塑性模量的泡沫復合輕質土筑填的降沉曲線

由圖8可知，當泡沫復合輕質土的彈塑性模量<100MPa時，隨著其彈塑性模量的加大，路基垂向降沉速度降低較快；當其彈塑性模量>100MPa時，彈塑性模量的加大對路基垂向降沉影響不是相當大。

圖9是不同彈塑性模量的泡沫復合輕質土筑填的降沉曲線。從圖9我們可知，在泡沫復合輕質土彈塑性模量不變的條件下，如果距離橋臺的長度不斷增大，路基垂向降沉值先加大，之后趨向于平緩。當增強輕質土的彈塑性模量，路基的垂向降沉值降低，而14m外的路基垂向降沉值不受彈塑性模量的影響。

所以，當泡沫復合輕質土材料彈塑性模量大，抵御形變的能力增強，降低了本身的壓縮形變，從而下降了路堤的降沉。當彈塑性模量到達一定值時，路堤自身壓縮形變非常小，因此彈塑性模量的繼續加大所引發的演變就很小，此時的路基降沉主要是基礎的壓縮引發的。當泡沫復合輕質土的彈塑性模量到達100MPa，繼續增強其彈塑性模量對路基垂向降沉的影響甚微。所以，在經濟性及滿足降沉需要的條件下，應將100MPa當作泡沫復合輕質土的彈塑性模量，通過換算獲取到抗壓強度級別0.4MPa。

3.3 泡沫復合輕質土路堤筑填高程對降沉的影響

經過改變路堤的筑填高程，計算不同路堤高程下的路基降沉。參考泡沫復合輕質土筑填工程技術規范，泡沫復合輕質土路基筑填高程不宜超越15m。所以，本研究擬定了五個路堤高程。經過模擬計算，可得知各高程的泡沫復合輕質土路堤路基降沉，見圖10具體所示。

圖10 路增強度與降沉關系圖

由圖10可知，路堤筑填高程與降沉值存在密切關聯，路堤的垂向降沉值隨著路堤高程的增高而加大。輕質土路堤高程的加大，自身重量載荷加大，使對基礎的附加應力加大，基礎降沉形變亦隨之增大。基于整體性而言，其沉降值沒有出現突變，表明在上述模型中，泡沫復合輕質土的抗壓強度級別為CF0.6，容重級別為W5，路堤高程到8m時，基礎載承力基本能滿足需要。

3.4 泡沫復合輕質土路堤筑填軟土基礎降沉分析

在保持泡沫復合輕質土路堤高度2.5m不變條件下，通過控制變量法的推行與實施，實現了軟土層參數的科學調整，由此獲取到的路基降沉演變見圖11具體所示。

圖11曲線揭示，軟土基礎的彈塑模量、黏聚力、泊松比及內摩角等參數差異，都會對路基降沉產生影響，隨著彈塑模量、黏聚力、泊松比及內摩角等參數的加大，軟土基礎降沉對應伴隨而走低。基礎彈塑模量越大，則降沉值的下降速度越快。所以，對于軟土基礎的路橋過渡銜接，彈塑模量是相對更關鍵的影響參數。

3.5 泡沫復合輕質土路堤與普通土路堤的降沉比對

對普通填方路堤來說，其沉降值要求還需做更深入的探討與分析，以進一步證實泡沫復合輕質土的效果程度。因此，在原有初始條件不發生任何改變的工況下，選用普通填方實施路堤筑填，路堤兩側坡度初步設定為1∶1.5，計算分析高度不同其路基垂向降沉值，之后與泡沫復合輕質土實施比較。普通填方路堤模型與網絡劃分詳見圖12及圖13所示，其中材料參數見表2。

(a)基于彈塑模量影響

(b)基于粘聚力影響

(c)基于內摩角影響

(d)基于泊松比影響圖11 基于各參數的軟土基降沉影響曲線

圖12 普通填方路基橫截面圖

圖13 普通填方路堤降沉網絡模型

道路構造厚度(m)彈塑性模量(MPa)泊松比重度(kN/m3)粘聚力(kPa)內摩角(°)路面構造層0.1912000.2520--普通填方2.5250.35182022雜填方1.550.317.5815粘土2.54.50.2617.8723.0610.14淤泥760.315.7511.996.58

得到泡沫復合輕質土路堤與普通填方路堤降沉值比對，見圖14具體所示。

圖14 基于筑填高程差異的兩種填方路基的降沉對比

從圖14我們可知，普通填方高程與累計沉降值呈特定的線性關系，隨著筑填高程的加增，路基垂向降沉值提升較快，并且提升速率遠高于泡沫復合輕質土路堤；不僅如此，在路堤不斷增大的情況下，它們的降沉差異就越大，當路堤筑填高程2.50m時，泡沫復合輕質土路堤路基基礎底部最大累計沉降值2.18cm，普通填方路堤路基基礎底部最大累計沉降值8.95cm。所以，泡沫復合輕質土路堤的路基基礎底部最大降沉僅為普通土路堤的24%。

4 總結

參考某案例工程A匝道橋頭路堤筑填實用數據，借助ABAQUS有限元數值模擬分析的方式，對泡沫復合輕質土路橋銜接處的降沉影響開展了專題分析探究。主要收獲及結論：

(1)最佳容重級別為W6；當泡沫復合輕質土的彈塑性模量<100MPa時，在彈塑性模量不斷增大時，路基垂向降沉速度降低較快；當其彈塑性模量>100MPa時，彈塑性模量的加大對路基垂向降沉影響不是相當大，并在滿足經濟性及降沉需要的條件下提出了最佳彈塑性模量是100MPa。

(2)普通填方路堤與泡沫復合輕質土路堤相較，隨著筑填高程的加大，路基垂向降沉差異越大，當路堤筑填高程2.50m時，泡沫復合輕質土路堤路基垂向最大累計沉降值2.18cm，普通填方路堤路基垂向最大累計沉降值8.95cm。

(3)泡沫復合輕質土路堤高程影響著路基降沉，路堤高程越高，路基垂向降沉越嚴重。但在本設計中，其路堤高程需合理地控制在8m之內。在深入探討泡沫復合輕質土在軟土基礎筑填時，隨著軟土基礎的彈塑性模量、內摩角等參數的加大，軟土基礎的垂向降沉值降低，而最大的影響要素是軟土基礎的彈塑性模量。