氣泡混合輕質(zhì)土在路橋過渡段施工應(yīng)用中的沉降變形分析

王 茜，趙 翔

（1.廣西交通技師學(xué)院，廣西 南寧 530000；2.西安水務(wù)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

1 引言

隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁、涵洞在道路建設(shè)中的比例越來越高，但是橋梁與路基過渡段之間常常會因為設(shè)計不周、材料性能以及壓實度不足等問題產(chǎn)生不均勻沉降，從而引起橋頭跳車現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車安全，大大增加了運(yùn)維費(fèi)用，采取有效措施解決路橋過渡段的穩(wěn)定性和沉降差異是現(xiàn)今路橋施工中的一大難題[1-4]。

氣泡輕質(zhì)土具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可密實性好、流動性強(qiáng)、造價低等諸多特點(diǎn)，不僅可以減小對地基的附加應(yīng)力，還可以減小對橋臺等結(jié)構(gòu)的水平應(yīng)力，被逐步應(yīng)用于軟土、黃土、鹽漬軟土等各種路基中的填筑當(dāng)中，并取得一定應(yīng)用效果[5-8]。楊燕超、劉金艷、石多慧[9-11]通過對比氣泡混合輕質(zhì)土與壓實回填土兩種施工方案下的沉降變形，證明了氣泡混合輕質(zhì)土在解決橋頭跳車方面的優(yōu)勢。因此，采用氣泡混合輕質(zhì)土解決路橋過渡段的沉降差異是當(dāng)前最常用的技術(shù)手段之一。故本文開展了不同工況下氣泡混合輕質(zhì)土在路橋過渡段施工應(yīng)用中的沉降變形分析，可為氣泡混合輕質(zhì)土的普及使用提供參考。

2 工程概況

某橋梁工程總長（包括橋頭引道）375.5m，其中橋梁長267.5m，寬度為8m，橋頭路堤總寬度（包括路緣、綠化、機(jī)動車道、非機(jī)動車道、人行道等）為25.25m，橋臺背部初步擬定采用氣泡混合輕質(zhì)土進(jìn)行填筑，填筑高度為2.5m，斷面示意如圖1 所示。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察，橋梁過渡區(qū)的地層由上往下分別為雜填土（厚度約為1.5m）、黏土（厚度約為2.5m）、淤泥質(zhì)土（厚度約為7m），填筑后路面結(jié)構(gòu)厚度為0.19m，各層道路結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)見表1。

圖1 路基斷面示意圖（m）

表1 各道路結(jié)構(gòu)層計算參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

采用Geo-studio 巖土數(shù)值分析軟件對填筑過程進(jìn)行模型分析，建立如圖2 的計算分析模型。模型假設(shè)：①路堤模型按平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析；②氣泡混合輕質(zhì)土填筑前，原有地基已達(dá)到初始應(yīng)力平衡，即自有固結(jié)作用已經(jīng)完成；③路堤及橋臺側(cè)面不會發(fā)生相對位移，橋臺底部約束后不發(fā)生沉降變形；④各結(jié)構(gòu)之間完全連續(xù)，豎向位移變形耦合。氣泡混合輕質(zhì)土和地基土采用摩爾庫倫理想彈塑性模型，橋臺結(jié)構(gòu)以及路面結(jié)構(gòu)均采用線彈性模型進(jìn)行分析。

圖2 數(shù)值計算模型

3.2 氣泡混合輕質(zhì)土性能對沉降影響

不同氣泡混合輕質(zhì)土容重情況下路基填筑沉降量模擬分析結(jié)果如圖3所示。由圖可知，當(dāng)填筑高度相同時，隨著容重的不斷增大，路基的沉降量呈線性增大，分層填筑的高度越大，路基沉降變形速率加快；在同一容重水平下，越遠(yuǎn)離橋臺處的沉降變形越大，且呈兩階段變化特征，0～10m 時，基本呈線性增大，當(dāng)距離＞10m后，沉降變形逐漸放緩，容重越大，沉降變形量越大；氣泡混合輕質(zhì)土容重越小，路基的沉降變形減小，但其抗壓強(qiáng)度得不到相應(yīng)的保證，而且現(xiàn)場制備時難度也較大，容重越大時，沉降變形較大，既浪費(fèi)大量水泥，不利于工程造價，也失去了路基填筑料輕質(zhì)性的特點(diǎn)，造成沉降變形過大，影響行車安全。通過比較分析，認(rèn)為氣泡混合輕質(zhì)土容重等級宜采用6 kN/m3，且分層填筑厚度取小值，現(xiàn)場填筑一般選擇0.5m作為分層壓實厚度。

圖3 容重對沉降變形的影響

進(jìn)一步對不同氣泡混合輕質(zhì)土彈性模量情況下路基填筑沉降量模擬分析，其結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看到，隨著氣泡混合輕質(zhì)土彈性模量的增加，路基的沉降變形呈逐漸減小趨勢，當(dāng)彈性模量小于150MPa時，沉降變形的減小幅度較為明顯，當(dāng)彈性模量大于100MPa后，沉降變形減小幅度很小，路基沉降變形隨著分層填筑厚度的增大而增大，這與不同容重時分層填筑表現(xiàn)一致；不同彈性模量下，越遠(yuǎn)離橋臺處的沉降變形越大，并且也成兩階段變化特征，當(dāng)彈性模量為50MPa 和100MPa 時，兩者在同一位置處的沉降變形有明顯差距，但當(dāng)彈性模量為200MPa、150MPa 和100MPa時，三者的沉降變形相差較小；從整體上來看，彈性模量對沉積沉降變形的影響小于容重，在滿足經(jīng)濟(jì)性和沉降要求的前提下，認(rèn)為氣泡混合輕質(zhì)土的理想彈性模量為100MPa，對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為0.4MPa。

圖4 彈性模量對沉降變形的影響

3.3 橫、縱斷面沉降變形

對氣泡混合輕質(zhì)土容重為6kN/m3、彈性模量為100MPa 以及分層填筑厚度為0.5m 下的過渡段橫斷面和縱斷面沉降變形情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5 所示。從圖5（a）中可以看到，路面中心附近的沉降變形最大，并依次向外側(cè)逐漸減小，路面結(jié)構(gòu)下（0～4m）的沉降變形減小幅度較小，當(dāng)在路肩外側(cè)時（4m～6m），沉降變形呈陡然降低變化特征，當(dāng)距離超過6m后，沉降變形變化幅度再次放緩，從橫斷面沉降變形可以看到，沿路中心向外基本呈“Z”字型變化；隨著累計分層填筑厚度的增加，路基的沉降變形也在逐漸增大，中心處的沉降量分別為4.5mm、8mm、12.5mm、16.2mm 和20mm，路肩處的沉降變形分別為3.5mm、6.8mm、10.3mm、14.8mm 和18mm，最大沉降差僅為2.2mm（沉降均勻），可見，由于氣泡混合輕質(zhì)土本身質(zhì)量較輕，對地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，故而產(chǎn)生的沉降差也較小。

從圖5（b）可以看出，路基縱斷面的沉降變形情況與上文分析結(jié)果類似，呈兩階段變化特征，當(dāng)距離小于10m 時，呈線性增長關(guān)系，當(dāng)距離大于10m 后，增長趨勢基本放緩，當(dāng)完成2.5m 的分層填筑后，最大沉降變形僅為25.8mm，可見，氣泡混合輕質(zhì)土填筑路基沉降變形控制效果良好。

圖5 路面橫、縱斷面沉降分析

4 工后沉降監(jiān)測

按照模擬分析結(jié)果，得到氣泡混合輕質(zhì)土的施工配合比，水泥∶粉煤灰∶水=2.33∶1∶2.22，設(shè)計濕密度為583kg/m3，氣泡率為66%；按照0.5m/層的分層填筑方法進(jìn)行施工，隨機(jī)選取兩個斷面進(jìn)行1 個月的工后沉降監(jiān)測，其路面中心部位的沉降變形如圖6 所示。從圖6 中可以看到，沉降曲線隨著歷時呈先增加后減小最后趨于穩(wěn)定的變化特征，最大沉降變形出現(xiàn)在工后1 周左右，斷面1 的最大沉降變形為33mm，斷面2 的最大沉降變形為46.3mm；一個月后，沉降值基本穩(wěn)定，斷面1 穩(wěn)定在14mm，斷面2 穩(wěn)定在29.7mm，與模擬分析結(jié)果較為接近，路基整體上沉降變形較小，處于可接受范圍。

圖6 工后沉降變形監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

①路基沉降變形隨著氣泡混合輕質(zhì)土容重的增大而呈線性增長，分層填筑厚度越大，沉降變形增長速率越快；沉降變形隨氣泡混合輕質(zhì)土彈性模量的增大而減小；越遠(yuǎn)離橋臺位置，路基的變形越大，且呈兩階段變化過程。

②經(jīng)研究分析，認(rèn)為氣泡混合輕質(zhì)土容重為6kN/m3、彈性模量為100MPa 以及分層填筑厚度為0.5m 時為最佳施工方案，最大沉降位于路面中心位置，橫斷面的最大沉降僅為20mm，最大沉降差僅為2.2mm，縱斷面的最大沉降變形為25.8mm。

③對過渡段路基沉降變形進(jìn)行了監(jiān)測，工后一個月后，路基的沉降變形逐漸穩(wěn)定，過程中的最大沉降量為46.3mm，穩(wěn)定后的最大沉降變形為29.7mm。