泡沫輕質土在公路改擴建工程中的應用

■睢向文

（晉城高速公路管理有限公司，晉城 048000）

很多公路運營數年后已無法滿足交通量的需求，亟需進行改擴建。公路改擴建工程設計與施工中，應優先考慮新舊路基之間的差異沉降問題[1]，通常采用開挖臺階、降低路基填土自重等方式緩解變形。然而，在公路沿線往往分布有軟土地基，在該區域內進行改擴建施工更易產生不均勻沉降。泡沫輕質土結構穩定、密度低、施工簡便[2-3]，可大幅降低路基填土自重荷載，減少工后沉降，進而降低路基沉降。在改擴建路基沉降施工中，學者大多采用有限元建立計算模型進行數值分析[4-5]，對地基和路基沉降進行計算分析，確定不均勻沉降，用于指導深厚路基改擴建施工，優化設計方案。本文結合某高速公路改擴建項目，在軟土地基施工區域采用泡沫輕質土換填軟基，利用有限元計算模型計算路基分層沉降量和孔隙水壓力，與現場監測結果對比分析，驗證計算結果的準確性。

1 工程概況

某高速公路建于20 世紀90 年代，近幾年交通運輸能力和服務水平已不能滿足當地經濟發展的需要，亟需進行改擴建工程。公路原設計采用雙向四車道，路基寬度為24.5 m，路基拓寬后為雙向八車道，路基寬度為42.5 m。公路沿線K42+524～K42+753 段為軟土地基，承載力較低，擬采用塑料排水板+堆載預壓等方法進行加固處理。為進一步降低工后沉降，采用泡沫輕質土換填地基軟土。該區域軟土地基主要為淤泥質土層，含水量高，具有較高的壓縮性。泡沫輕質土原材料為粉煤灰和礦渣粉，其配合比為：水泥∶粉煤灰∶礦渣粉∶水=248∶36∶72∶229，水膠比為0.64。泡沫輕質土主要指標技術要求如表1 所示。

表1 泡沫輕質土主要指標技術要求

2 計算模型建立與數值模擬分析

2.1 建立計算模型

為分析路基變形情況，根據設計資料采用有限元軟件建立計算模型，建立時對實體進行簡化，并作以下假設：路基沉降按照平面應變進行模擬分析；地基土采用摩爾—庫倫彈塑性模型分析[6]；假設舊路基固結已完成；新舊路基不產生相對變形。K42+524～K42+753 段主要采用單側加寬，地基軟土換填2 m 厚的泡沫輕質土，泡沫輕質土上填筑1 層20 cm厚的碎石墊層，根據原路基組成結構和新路基設計方案建立計算模型，計算模型如圖1 所示。邊界條件為：模型兩側X 方向約束，均不透水；模型底部不透水，X、Y、Z 3 個方向均約束；模型頂面透水，各向自由。通過現場勘察，確定新舊路基的主要組成部分的計算參數如表2 所示。

表2 改擴建道路模型計算參數

2.2 數值模擬結果

2.2.1 路基分層沉降

由于原道路固結已基本穩定，雖然在施工荷載下會產生一定幅度的變形，但變形較小，本項目以新建路基為研究對象，分析泡沫輕質土的應用效果。為分析不同深度土層的沉降量，選擇沉降量計算結果最大的K42+485 斷面計算數據作為研究對象，分別對距地基表面以下5 m、10 m、15 m 3 個深度的深層土體沉降量進行計算，整理計算數據繪制路基分層沉降變化曲線如圖2 所示。

圖2 K4+485 斷面分層沉降模擬曲線

分析圖2 得出，各層地基土沉降量隨深度的增加而下降，其中距地基頂面以下5 m 深度沉降量最大，最終沉降量為19.62 mm，隨深度增加沉降量逐漸下降，10 m 和15 m 位置最終沉降量分別為8.56 mm和1.58 mm，這是由于路基填筑施工階段施工荷載較大，完工后沉降量增速逐步趨緩，1 年后基本趨于穩定。采用泡沫輕質土處理后，地基土所產生分層沉降量較小，且工后趨于穩定，說明處置后路基沉降量得到有效控制。

2.2.2 孔隙水壓力同樣選擇K42+485 斷面為研究對象，計算新建路基地基表面以下5 m、10 m、15 m 3 個深度的孔隙水壓力，繪制孔隙水壓力變化曲線如圖3 所示。

圖3 K4+485 斷面孔隙水壓力模擬曲線

分析圖3 得出，孔隙水壓力隨深度增加而增加，各深度孔隙水壓力曲線變化規律基本一致，均呈現先上升后下降的趨勢，完工后基本趨于穩定；其中15 m 深度位置孔隙水壓力最大，最大值為93.6 kPa，5 m 深度位置最小。這是由于在路基施工階段，隨路基填筑高度的增加，地基上部荷載不斷增加，孔隙水壓力也隨之增加，工后孔隙水壓力不斷下降且逐步趨于穩定。

3 路基現場監測結果分析

3.1 路基變形現場監測方案

為驗證模擬計算結果的準確性，在施工現場布置測點，對地基土不同深度分層沉降量、孔隙水壓力以及路面沉降變形進行監測，分析新舊路基的不均勻沉降情況。以K42+485 斷面作為研究對象，在新建路基內部埋設多點位移計、孔隙水壓力計，在路面布置沉降樁，測點分布如圖4 所示。多點位移計、孔隙水壓力計埋設深度分別為5 m、10 m、15 m 3 個深度，在施工過程中和完工后進行監測，監測周期為1 年。路面沉降利用精密水準儀在路面沉降樁布置后開展監測，監測時間為1 年。

圖4 監測現場設備儀器布置圖

3.2 分層沉降監測結果分析

整理K42+485 斷面地表以下5 m、10 m 和15 m 位置沉降數據繪制分層沉降變化曲線如圖5所示。

圖5 K4+685 斷面分層沉降變化曲線

分析圖5 得出，不同深度地基土沉降量隨深度增加而下降，且監測前期沉降量增速較大，完工后沉降量增速逐步趨緩，監測完成后基本達到穩定狀態。其中地表以下5 m 位置沉降量最大，最終沉降量為21.18 mm，與模擬計算值19.62 mm 接近。不同深度地基土分層沉降現場實測變化曲線與模擬曲線基本一致，說明計算結果準確，可用于指導現場施工。

3.3 孔隙水壓力監測結果分析

整理地表以下5 m、10 m 和15 m 位置孔隙水壓力監測數據繪制孔隙水壓力變化曲線如圖6 所示。

圖6 K4+485 斷面孔隙水壓力變化曲線

分析圖6 得出，不同深度孔隙水壓力曲線變化趨勢基本一致，且隨深度增加孔隙水壓力不斷提高，孔隙水壓力呈現先上升后下降的趨勢，并逐步趨穩。在施工期間沉降量增速較大，工后沉降量逐步下降，達到穩定狀態。地表以下15 m 深度位置孔隙水壓力最大，最大值為105.8 kPa，略高于計算值93.5 kPa，但兩者相差不大。這是由于地基下水位線與模型模擬存在一定的差異，孔隙水壓力計的布置也存在一定的偏差造成的。運營期間孔隙水壓力變化逐步趨緩，并最終達到穩定狀態，說明路基結構穩定，工后沒有產生較大的變形。

3.4 路面沉降監測結果分析

在K42+485 斷面布置9 個沉降觀測樁，在完工后采用精密水準儀進行監測，監測1 年后各測點沉降已基本穩定，整理監測數據繪制各測樁累計沉降量分布曲線如圖7 所示。

圖7 K42+485 斷面各測樁累計沉降量分布曲線

分析圖7 得出，1#～4# 舊路基在監測期間產生的沉降量很小，新路基所產生的沉降量相對較大，最大值為9# 測點，但累計沉降量僅為9.22 mm，新舊路基所產生的不均勻沉降量較小。結合現場調查結果，該路段未發現明顯的破壞，說明采用泡沫輕質土有效降低了路基沉降。

4 結語

以高速公路軟土地基路段泡沫輕質土應用為研究對象，分別采用有限元數值模擬和現場監測2 種方法對路基變形規律進行分析，得出以下結論：（1）地基不同深度分層沉降模擬曲線與實測曲線變化趨勢基本一致，且隨深度增加分層沉降不斷下降，深度為5 m 位置最終沉降量計算值與實測值分別為21.18 mm 和19.62 mm，兩者十分接近，說明計算結果準確，且地基累計沉降量均較??；（2）地基不同深度孔隙水壓力模擬曲線與實測曲線變化趨勢基本一致，且隨深度增加分層沉降不斷增加，深度為15 m位置孔隙水壓力最大，模擬計算與現場實測最大值分別為93.6 kPa 和105.8 kPa，兩者比較接近，說明計算結果準確，可用于指導現場施工；（3）分析路面沉降監測結果，新舊路基沉降量相差較小，且施工現場未發現明顯的破壞，說明采用泡沫輕質土后新舊路基沒有出現較大不均勻沉降，路基結構穩定。