泡沫輕質土在道路擴建工程中的應用分析

周 旺

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國車輛保有量的增加,道路通行能力受到了越來越大的挑戰。目前常通過新建并行線路、利用交通組織引導以及擴建道路來達到提高既有道路通行能力的目的。道路擴建具有能夠充分利用既有道路、降低部分投資等諸多優點。目前用于道路擴建常用的材料包括土石材料、工業廢渣、新型材料等。不同的材料在不同的地質條件下具有不同的適用性。經過大量的工程實踐發現,泡沫輕質土作為一種新型的路基填筑材料,在道路填筑中具有良好的適用性。泡沫輕質土是一種由發泡劑溶液和必要的集料組分按一定的比例混合攪拌,并最終通過物理化學反應形成的一種新型輕質材料,具有較好的整體性、抗壓性等,尤其是其具有的輕質性能夠減小地層附加應力,使泡沫輕質土在軟基路堤填筑等方面得到了廣泛的應用,也因此得到越來越多學者的關注和研究。

駱永震等[1]通過FLAC3D軟件模擬分析了砂土和泡沫輕質土作為軟土地基路基填料時應力和位移的關系,得到了泡沫輕質土對路基沉降等指標的影響規律,為加筋泡沫輕質土的應用提供了參考。李群[2]以江門某道路擴建工程為研究背景,通過室內試驗、現場監測等多種手段分析了軟土地基上道路擴建工程運用泡沫輕質土的變形規律,并對其沉降進行了預測分析,為類似工程的分析研究提供了重要的參考價值。牛昴懿[3]分析了泡沫輕質土的主要物理性質和其工作機理,通過現場監測和軟件模擬分析了泡沫輕質土加寬道路的力學原理,分析了軟土地基上道路擴寬的整體穩定性,為類似工程提供了重要的參考價值。李碩等[4]以江廣高速公路擴寬工程為研究對象,分析了泡沫輕質土的工程特性,介紹了泡沫輕質土現場施工過程中的實施方案,提出利用提高泡沫輕質土的整體均勻性達到提高成品質量的目的,為泡沫輕質土在道路拓寬中的施工提供了一定的參考價值。甄俊杰[5]通過室內試驗,分析了含水率等多種指標對道路拓寬中的泡沫輕質土物理特性的影響規律,為泡沫輕質土的實際工程應用提供了材料配合比參考。

本文以某道路擴建工程為研究對象,對比分析了泡沫輕質土和普通填土在路基擴建中的應用效果,以期為類似工程的實施提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質地形概況

該路段地形比較平緩,地層產狀近似水平。該地層地表以下2 m范圍內為粉質黏土,屬于第四紀洪積土,局部夾粉砂薄層,干強度一般。地表以下2～6 m為松散卵石層,母巖以石英巖為主,分選性一般,卵石粒徑多為20～120 mm,含部分漂石,漂石粒徑含量為10%～15%。地表6 m以下為密實卵石層,母巖為砂巖和石灰巖,分選性較差,呈亞圓形,卵石粒徑多為20～160 mm,粒間主要由圓礫和中砂填充。

各土層的力學參數如表1所示。

表1 巖、土物理力學指標建議取值表

1.2 工程概況

擬擴建道路段全長約4.6 km,其中K2+360～K3+815段位于填方段,道路紅線寬度為20 m,為雙向四車道。填方高度約為8 m,現狀道路填方坡率為1∶1.75。道路邊坡左右兩側均采用菱形骨架護坡,骨架內采用植草防護。既有道路已經通車達到10年,現填方路基已基本完成固結沉降。根據最新規劃,該道路擬進行改擴建形成一條新的城市主干道。新規劃下的城市主干道要達到雙向八車道,并形成集交通與景觀于一體的交通風景線。根據現有地形,擬在該樁號范圍道路左側進行單側加寬,擴建紅線寬度為15 m。為此,在初步設計階段提出了兩種設計方案。

方案一:在既有道路左側拓寬道路路基,采用傳統填料回填,填方邊坡坡率為1∶1.75,坡面內采用冷暖兩級草籽進行播種,并做好景觀的規劃和搭配。新舊道路搭接處采用挖臺階加鋪土工格柵的工程措施,盡可能減小新舊道路搭配的沉降差異。新增占地寬度為20 m。

方案二:在道路左側擴寬道路路基,新舊路基搭接面同樣采用挖設臺階的措施,但填筑材料采用新型泡沫輕質土,填方坡率為1∶0.5,坡面施作防護面層。新增占地紅線寬度為10 m。

2 有限元模型的建立

為了對兩種方案進行比較,得到更優的設計方案,擬采用有限元軟件對設計方案進行比選。

Midas GTS NX有限元軟件作為一款巖土工程有限元計算的專業軟件,具有本構模型全面、建模速度快等優點,并在巖土工程的計算和驗證中得到了大量的應用,因此擬采用該軟件對兩種方案進行施工過程模擬,并得到其拓寬后的沉降等變化規律。

有限元模型按照實際尺寸進行建模,并保證天然土體的橫向寬度不小于路堤邊坡高度的2.5倍,以避免邊界約束對計算結果產生影響。為了更好地模擬實際施工過程,軟件采用了以下施工階段模擬過程:

(1)天然地應力平衡。

(2)開挖第一層土體臺階、壓實回填第一層土體。

(3)開挖第二層土體臺階、壓實回填第二層土體,以此類推。

(4)開挖最后一層土體,鋪設土工格柵,壓實回填。

(5)施加車輛荷載模擬通車。

模型中的土體單元采用摩爾-庫侖本構模型,參數取值見表1,其余各參數如表2所示。

表2 有限元模型計算參數表

據此建立有限元模型如圖1所示。

(a)方案一

3 有限元結果分析

3.1 路面沉降

提取兩個方案的路基沉降結果如圖2所示。

圖2 路面沉降變化曲線圖

從圖2可以看出,兩種方案路面的沉降變化規律一致,都呈現出新路基側沉降大、舊路基側沉降小的變化規律,總體呈現出傾倒的“S”形變化曲線。但兩種方案又存在較大差異。方案一中,新建道路側的沉降明顯大于右側舊路基道路,路面的最大沉降值為62.2 mm,最小值僅約1 mm,位于舊路基最右側位置。方案二中路面的最大沉降值為11.6 mm,最小沉降值為0.2 mm。對比兩種方案可以看出,采用傳統路基填料進行道路拓寬時,路面的最大沉降比采用泡沫輕質土增加了50.6 mm,增大了4.4倍。分析其原因,由于傳統路基填料相比泡沫輕質土而言,其彈性模量更小,抗剪強度更低。沉降的分層總和法計算如式(1)所示。

(1)

式中:s——豎向沉降(mm);

Ψs——沉降計算系數;

P——附加應力(kPa);

Es——壓縮模量(MPa);

h——土層厚度(m)。

從式(1)可以看出,當上覆荷載和土體厚度一致時,沉降與土體的彈性模量成反比,彈性模量越大,土體的沉降越小。因此,在上覆相同車輛荷載的作用下,方案一產生的沉降更大。另外,由于泡沫輕質土重度比傳統路基填料小,因此方案二由土體自重產生的沉降值也比方案一更小。

3.2 基底附加應力

提取路堤填土底部的豎向應力云圖如圖3所示。

(a)方案一

從圖3可以看出,兩種方案道路的豎向應力均成水平層狀分布,在路基填筑范圍內向上凸起,形成“幾”字形應力分布。對比分析兩種方案的豎向應力云圖可以看出,在路基填土范圍內,方案二的豎向應力等值線要比方案一更平緩。

從圖3(a)可以看出,新擴建路基下的基底豎向應力最大值為212.9 kPa,位于拓建路基與舊路基的交界面坡腳處;最小值為7 kPa,位于新建路基外側坡腳處。方案一的基底附加應力分布呈現出線性分布的變化規律。從圖3(b)可以看出,方案二中擴建路基底的附加應力最大值為142 kPa,位于新建路基外側坡腳處;最小值為53.3 kPa,位于拓建路基與舊路基的交界面坡腳處。方案二的基底附加應力幾乎呈等值線均勻分布,僅在路基坡腳和內側新舊路基交界面因為局部應力集中的原因,導致基底附加應力迅速增大。對比兩種方案下的路基應力可以看出,泡沫輕質土填筑路基時對下部土體的附加應力分布更均勻,具有更強的整體性。兩種方案下的路基受力模式有較大的區別,方案一中基底附加應力呈非均勻變化,方案二中基底附加應力則更加均勻。究其原因,在方案一中,填筑土基底更類似于柔性地基基礎,在上覆荷載和自重作用下,表現出非均勻變化,荷載大的部位對基底產生的附加應力更大;在方案二中,泡沫輕質土整體性較好,填筑土基底更類似于剛性結構,因此基底附加應力變化均勻,僅在端部形成了應力集中現象,形成兩端大中間小的應力分布。由此可以看出,用泡沫輕質土填筑路基時,能夠減小對基底的附加應力,降低對原狀地基土的承載力要求,尤其是在軟土地基的路堤填筑中具有較大的優勢。

3.3 塑性區分布

提取道路擴建范圍內的塑性區分布如圖4所示。

(a)方案一

從圖4可以看出,兩種方案下的塑性區分布存在較大的差異。從圖4(a)可以看出,方案一中沿臺階挖土及粉質黏土層均出現了較大范圍的塑性區分布,同時在坡腳處也存在局部塑性區。而從圖4(b)方案二的塑性區分布可以看出,在新拓寬范圍內未出現大的塑性區分布,僅在坡腳處有局部分布。分析其原因,在方案一中,由于傳統路基填料抗剪強度低、容重大,對現狀路基產生較大的附加應力,在路基滑移變形趨勢下,對既有路基存在拖拽牽引的變形作用,使得既有路基出現較大變形,從而形成塑性區;新建路基坡腳存在隆起變形,產生了較大的位移,因此形成了塑性區。方案二中泡沫輕質土容重更小的同時具有更高的強度,自身穩定性更高,減小了對基底的附加應力,因此塑性區較小,僅因為應力集中而產生了局部塑性區。這說明泡沫輕質土對既有道路的影響更小,方案更優。

4 結語

本文以某道路擴建工程為研究對象,通過有限元軟件模擬分析了泡沫輕質土和普通填土在路基拓寬中的位移、應力及塑性區規律,得到了以下主要結論:

(1)兩種方案均表現出新路基沉降大、既有路基沉降小的變化規律,泡沫輕質土拓寬道路時最大沉降值僅為11.6 mm,更有利于控制路面沉降。

(2)傳統填料的地基附加應力呈現非均勻變化,而泡沫輕質土的輕容重產生的附加應力更小,分布更均勻,對軟弱地基的填方道路具有較大的優勢。

(3)泡沫輕質土拓寬道路時產生的塑性區分布更小,路基穩定性更高,采用泡沫輕質土擴建路基方案更優。