泡沫輕質混凝土在不均勻地基中的應用研究

邱紅勝 袁 杰

(武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063)

0 引 言

軟土地基在我國分布較廣，實際工程中，在某些特殊地段會存在軟土地基與不均勻地質同時出現的情況，這給工程施工帶來很大困擾.為了滿足工程穩定性等需要，必須要采取相應措施以防止或減小軟土地基及不均勻地質對工程的不良影響.就公路工程而言，通常需要對軟土地基進行打樁、換填等措施.當不均勻地質伴隨著軟土地基出現或其他特殊情況下，僅對地基進行處理可能很難達到預期的效果，這時往往需要減輕地基上部荷載，如路堤自重.

隨著土木工程材料學科的發展，輕質混凝土越來越多地應用于軟基處理.換填輕質混凝土可以減輕路堤自重，以增強公路工程的穩定性.常臻等[1-2]針對高速公路軟土地基中泡沫輕質土的應用進行了分析研究.郝萬喜等[3]針對北方寒冷地區道路凍脹翻漿與地基融沉等病害，開展了輕質土在道路基層中的應用研究，并在試驗路鋪筑的實踐基礎上闡述了氣泡混合輕質土的力學特性與試驗結果分析，證明輕質土在凍土地基的隔熱保溫與臺背填土的防凍脹方面效果明顯.熊洪建[4]采用數值模擬的方法對泡沫輕質土在公路均勻地質軟土地基中的應用效果進行了研究，結果表明：采用泡沫輕質土路基可以較好地解決基底應力不均勻問題.陳行[5]從優缺點兩方面歸納總結泡沫輕質土的工程特性，并以橋臺背路基填筑、跨線橋減跨、道路加寬、陡峭地段填方路基等工程為應用場合，分析其應用于市政路橋工程的適用性及優越性，并結合某填筑路堤工程實例多方案比選結果，結果表明:只要技術措施得當，泡沫輕質土方案就能揚長避短，取得良好的技術經濟效果.安瑞霄[6]基于泡沫輕質土組成與工程特性，結合工程實例，研究泡沫輕質土在高速公路橋頭路基填筑中的應用，結果表明：在高速公路橋頭路基填筑中應用泡沫輕質土技術可行、工程效益顯著.許江波等[7]將聚丙烯纖維加入泡沫輕質土,使材料變形能力和承載能力大大提高，改善了泡沫輕質土產生很小應變就馬上破壞的現象，同時提高了材料的強度.

近年來，公路工程設計中不均勻地質與軟土地基同時出現即是一個典型的難題.文中以某公路工程軟土地基加固為例，對軟土地基與不均勻地質同時出現的類似情況進行探討.

1 工程概況

某軟土地區公路工程路堤包括三部分，從上往下依次為路面結構層、混凝土保護層和填土層，見圖1.按原設計方案，全幅路堤均設置粉噴樁，樁徑1.2 m、樁長14 m，樁間距為1.4 m；填土層全部填筑普通填土.實際施工時，在填土層施工完成約一個月后左幅路堤頂面出現縱向裂縫，裂縫寬度在3 d內增大至5 cm.經檢測，左幅路堤下大部分粉噴樁失效，右幅路堤下粉噴樁基本完好.該路段路堤須進行相應加固處理.

該路段路堤加固采用輕質混凝土換填技術以減小路堤自重，從而減小路堤沉降及基底應力、提高基底沉降及應力分布均勻性.路堤寬度設計值為30 m，高度為8.95 m，坡率按照1∶1.5設計，施工時采用分層填筑碾壓的方法，每次填筑高度為1 m.為了分析輕質混凝土的處理效果，采用有限元分析軟件對輕質混凝土和普通土處理該軟土路基進行數值模擬對比分析.

2 數值建模

圖2為采用有限元軟件Midas GTS NX建立的數值模型圖.本次模擬簡化為平面應變問題進行分析，忽略沿路線方向的應變，僅考慮重力荷載作用下路堤的變形以及應力分布，不考慮施工過程中的汽車荷載及碾壓振動等因素，土體的本構模型均為莫爾-庫倫，模型底部(即地基)寬度取116 m，埋深取14.5 m.為了獲取輕質混凝土經濟換填高度，將輕質混凝土換填高度從0 m(即路堤全為普通填土)逐級增加至6 m，每級增量為1 m，輕質混凝土換填部位為路堤上部.各種材料的物理力學參數見表1.

圖2 數值模型圖

表1 土體的物理力學參數

3 計算結果分析

3.1 路面工后沉降

當輕質混凝土填筑高度從0 m(即路堤全為普通填土)逐級增加至6 m時，路堤沉降值逐漸減小，但整體沉降分布趨勢保持不變.最大沉降值發生于左幅路堤底面中心附近，路面沉降值較小，路堤左側地基有明顯隆起現象.由于右幅路堤下粉噴樁未失效，右幅路堤沉降值比左幅路堤明顯較小，且路堤右側地基未出現隆起.輕質混凝土填筑高度為4 m時路堤沉降云圖見圖3.

圖4為不同輕質混凝土填筑高度時路面的工后沉降值曲線.

圖4 路面工后沉降

由圖4可知：在保持整體沉降趨勢不變的情況下，隨輕質混凝土填筑高度的增加，路面工后沉降值減小，但隨著輕質混凝土填筑高度的線性增大，路面工后沉降值并未線性減小，其減小量越來越小，即輕質混凝土對路面工后沉降值的影響作用越來越弱.在實際工程中應該合理選擇輕質混凝土填筑高度.根據文獻[8]，高速公路一般路段路面工后沉降值不大于300 mm.圖4中輕質混凝土填筑高度為4 m時，路面工后沉降值為273 mm，故輕質混凝土填筑高度宜為4 m.

3.2 基底沉降與應力對比分析

圖5為不同輕質混凝土填筑高度時路堤底沉降曲線.由圖5可知：路基底的沉降以左幅路堤為主，最大沉降值發生在左幅路堤底中心附近；左幅路堤底沉降較大且沉降分布不均勻，右幅路堤底沉降較小且分布較均勻.左幅路堤外側出現明顯隆起，而右幅路堤未見隆起.隨著輕質混凝土填筑高度的增大，路堤底沉降值減小，路堤外側隆起高度也減小，路堤底沉降分布更加均勻.但隨著輕質混凝土填筑高度從0～6 m線性增大，基底沉降最大值的減小量依次為295，275，256，233，212和200 mm，路堤底左側邊緣隆起高度的減小量依次為307，295，262，215，158和111 mm，即路堤底沉降及隆起高度并未線性減小，其減小量越來越小，輕質混凝土對基底沉降及隆起高度的影響作用越來越弱，工程中應根據實際需要合理選擇輕質混凝土填筑高度.

圖5 路基底沉降

圖6為不同輕質混凝土填筑高度時路基底應力曲線.由圖6可知：基底兩側應力較小，應力最大值出現在距基底左邊線水平距離30 m附近，即不均勻地質分界處(粉噴樁分布邊界)，且該處附近基底應力變化較快.從不均勻地質分界處往右即硬質地基部分，路基底應力分布線性較好，從分界處往左即軟弱地基部分，路基底應力分布線性較差.隨著輕質混凝土填筑高度的增大，基底應力整體為減小趨勢，應力最大值處及其附近的應力減小尤為明顯，基底兩側應力減小不明顯，位于軟弱地基上的左幅路基基底應力分布均勻性提高較明顯.

圖6 路基底應力

3.3 施工方案對比

由于施工現場已經用普通填土填筑好整幅路堤，把普通土路堤上部4 m高度的普通填土挖除再填筑輕質混凝土則相當于對路堤下部進行堆載預壓再卸載并換填輕質混凝土.故對輕質混凝土填筑路堤進行兩種施工方案的模擬以分析預壓效果.兩種施工方案分別為：A方案 先對路堤下部進行預壓再換填輕質混凝土；B方案 直接填筑輕質混凝土.

圖7為兩種施工方案路基底沉降分布曲線.由圖7可知：方案B路基底沉降較大且分布不均，最大沉降值達485 mm，路堤外側隆起較高.方案A路基底沉降較小且分布較均勻，最大沉降值為184 mm，基底沒有出現隆起.此外，方案A路面工后沉降值為109 mm，遠小于方案B的路面工后沉降值273 mm.由此可見，對下部路堤進行預壓處理的效果較好.

圖7 兩種施工方案基底沉降

圖8為兩種施工方案路基底應力分布曲線.由圖8可知：兩種施工方案路基底應力分布整體趨勢相似，基底應力最大值均出現在不均勻地質分界處，但方案A基底應力最大值比方案B小，方案A基底應力最大值約為200 kPa，方案B基底應力最大值約為250 kPa；此外，不均勻地質分界處附近方案A基底應力較方案B有明顯減小.由于不均勻地質分界處基底應力較大，故對該處地基進行承載力校核.通過數值模擬分析得到不均勻地質分界處復合地基承載力值為322.4 kPa，大于路基底應力最大值；不均勻地質分界處粉噴樁單樁樁頂受力為148 kN，小于施工現場載荷試驗所得單樁承載力180 kN，故不均勻地質分界處地基承載力滿足要求.

圖8 兩種施工方案基底應力

4 結 論

1) 在不均勻地質中，路基底最大沉降值和最大應力值不在同一位置出現，最大沉降值出現在軟弱地基部分路基底面中心，最大應力值出現在不均勻地質分界處；路基底沉降曲線的拐點出現在不均勻地質分界處附近.

2) 路堤高度不變時，輕質混凝土填筑高度越大，路基底沉降和應力越小且分布越均勻，軟弱地基側隆起高度越小，路面工后沉降也越小，但輕質混凝土的作用有限，其作用不隨輕質混凝土填筑高度線性增強.實際工程中應合理選擇輕質混凝土填筑高度.

3) 相比于直接填筑輕質混凝土，先對路堤下部進行預壓再換填輕質混凝土時，基底沉降明顯減小且分布更均勻；路面工后沉降值明顯減小，軟弱地基側未出現隆起；不均勻地質分界處基底應力有明顯減小，其余地方基底應力變化不明顯.