建筑垃圾填筑高速公路路基變形及穩定性分析

馮 云

(廣西路建工程集團有限公司,廣西 南寧 530001)

0 引言

近年來,隨著我國各城市大規模的建設和發展,建筑垃圾產量出現較大的增長趨勢,不僅浪費了大量土地資源,更給城市環境造成了嚴重影響[1]。同時,伴隨著我國道路工程的高速發展,路基填料經常出現無法及時供應的現象[2]。因此,如何將建筑垃圾有效利用成為路基填料,對于城市的建設及道路工程的發展均具有重要意義[3-4]。

目前,國內外關于建筑垃圾的處理和利用展開了大量研究。如王蒙等[5]通過有限元軟件,模擬分析公路路面結構的力學性能,研究了建筑工程垃圾在公路路基中的力學性能,發現對建筑垃圾路基剛度進行增強能夠有效改善路面結構抗拉能力。聶夢強等[6]通過對不同配合比例下的建筑垃圾混合料進行研究,得出各項參數對抗壓強度的影響,結果表明某一配合比下的試塊其抗壓強度能夠滿足二級及二級以下公路路基墊層的要求。劉喜[7]設計了不同摻量及不同磚-混凝土比例的建筑垃圾再生填料配合比,對建筑垃圾作為路基填料的性能開展研究,發現建筑垃圾摻量為30%～40%時,再生填料密實度高,可以用于公路路基。趙傳海等[8]以建筑垃圾再生骨料制備成加固樁,對其應用于黃土地基的加固進行了數值模擬研究,發現室內模型試驗和數值模擬沉降得到的曲線比較吻合,具有相同的趨勢,加固效果明顯。目前,建筑垃圾已經在路面結構、地基加固樁以及混合料中得到廣泛應用,但關于建筑垃圾作為路基填料的研究還有待進一步完善。基于此,本文以實際工程為例,深入研究了建筑垃圾填料替代傳統填料對路基變形及穩定性的影響規律,以期為我國建筑垃圾的處理和循環利用提供思路。

1 工程概況

本文以某高速公路為研究對象,該線路全長136.58 km,建設里程約128.36 km,項目挖方合計約429.1×104m3,填方合計約1 485.3×104m3。車道設計為雙向六車道,最高時速設計為120 km/h,安全等級為公路Ⅰ級。路面寬度為26 m,主要包括2×3 m應急車道+4×3.75 m行車道+2×0.75路緣帶+2 m中央隔離帶,道路兩側分別設置0.75 m寬土路肩,邊坡比為1∶1.5。路基填筑材料主要采用建筑垃圾,部分路段采用常見的黃土填料。填筑過程采用分層壓實的方法,每次填筑2 m,分三層進行填筑,每層壓實度均在90%以上。根據地質勘測結果顯示,該路段地基土層大致可分為7.5 m厚雜填土層、6.8 m厚黏土層以及4.7 m厚全風化花崗巖層。路基結構橫截面如圖1所示。

圖1 路基截面尺寸示意圖

2 模型的建立

本文運用有限元軟件ABAQUS分別建立建筑垃圾填筑路基和黃土填筑路基數值模型,地基計算高度取20 m,寬度取45 m,路基計算寬度取26 m,高度取6 m。計算模型中共包含1 753個單元和2 037個節點。路基有限元模型如下頁圖2所示。

圖2 路基有限元模型示意圖

計算模型中路面結構采用Drucker-Prager線彈性本構模型。由于路基填料與地基土體具有明顯的非線性和非彈性變形特點,其本構模型均采用Drucker-Prager彈塑性模型。該模型可以更好地反映填土材料及地基土體的重要性質,使計算結果更為精準,屈服準則遵循Mohr-coulomb原則。計算過程中將路面結構與路基材料視為均勻同質材料,土層各接觸面均為完成連續,且各接觸面壓力均呈均勻分布;同時對地基底部進行水平位移及豎向位移約束,地基與路基上部均為自由界面,地基兩側設置水平位移約束。計算模型中各材料參數如表1所示。

表1 路基填土及地基各土層參數表

3 結果與分析

3.1 不同填筑高度對比分析

運用軟件分別建立填筑高度為4 m、5 m、6 m、7 m及8 m的建筑垃圾填料路基的分析模型,確定邊坡比均為1∶1.5,以黃土路基模型作為參照對象,針對兩種路基填料在不同填筑高度的變形及穩定性進行對比分析。

3.1.1 變形分析

圖3為建筑垃圾路基與黃土路基在不同填筑高度下的坡底最大水平位移變化對比曲線。

圖3 不同填筑高度下路基坡底最大水平位移變化對比曲線圖

根據圖3可知,隨著填筑高度的增高,黃土與建筑垃圾填料路基的坡底最大水平位移均呈不斷增大趨勢,隨著填筑高度的增大兩種填料路基坡底的最大水平位移差值會逐漸增大,但兩種填料路基的水平變形整體趨勢相似。由此說明,對于不同填筑高度的路基而言,采用建筑垃圾作為填料在控制路基水平變形方面基本滿足規范要求。

3.1.2 沉降分析

圖4為建筑垃圾路基與黃土路基在不同填筑高度下的最大沉降變化對比曲線。

圖4 不同填筑高度下路基工后最大沉降變化對比曲線圖

根據圖4可知,隨著填筑高度的增高,黃土與建筑垃圾填料路基頂面的最大沉降均呈不斷增大趨勢,隨著填筑高度的增大兩種填料路基頂面的最大沉降差值同樣會逐漸增大,但兩種填料路基的豎向沉降值整體變化相似。由此說明,采用建筑垃圾作為填料可以使不同填筑高度的路基豎向變形滿足規范要求。

3.1.3 穩定性分析

圖5為建筑垃圾路基與黃土路基在不同填筑高度下的穩定安全系數變化對比曲線。

圖5 不同填筑高度下路基穩定安全系數變化對比曲線圖

根據圖5可知,隨著填筑高度的增高,黃土與建筑垃圾填料路基的穩定系數均呈不斷減小趨勢,兩種填料路基的穩定系數整體變化趨勢大致相似。對于填筑高度<6 m的路基,兩種填料路基的穩定系數相對較高;而對于>6 m的路基,兩種填料路基的穩定系數均出現較大程度下降,但兩種填料路基在不同填筑高度的穩定系數均滿足設計要求。由此說明,采用建筑垃圾作為填料可以保證不同填筑高度下的路基安全穩定性達到設計要求。

3.2 不同邊坡比對比分析

運用軟件分別建立路基邊坡比為1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75及1∶2的建筑垃圾填筑路基分析模型,路基填筑高度均為6 m,并以黃土路基模型作為參照對象,針對兩種填料在不同邊坡比時的變形及穩定性進行對比分析。

3.2.1 變形分析

圖6為不同邊坡比下建筑垃圾路基與黃土路基的坡底最大水平位移變化對比曲線。

圖6 不同邊坡比下路基坡底最大水平位移變化對比曲線圖

根據圖6可知,隨著路基邊坡比的增大,黃土與建筑垃圾填料路基的坡底最大水平位移均呈不斷減小趨勢,隨著邊坡比的增大兩種填料路基坡底的最大水平位移差值會逐漸變小,但兩種填料路基的水平變形整體變化趨勢大致相似。由此說明,采用建筑垃圾作為路基填料在控制路基水平變形方面可以達到傳統填料的設計要求。

3.2.2 沉降分析

圖7為不同邊坡比下建筑垃圾路基與黃土路基的最大沉降變化對比曲線。

根據圖7可知,隨著路基邊坡比的增大,黃土與建筑垃圾填料路基頂面的最大沉降值均呈不斷減小趨勢,隨著邊坡比的增大兩種填料路基頂面的最大沉降差值會逐漸變小,但兩種填料路基的最大豎向沉降值整體變化趨勢大致相似。由此說明,與傳統填料相比,建筑垃圾作為路基填料在控制路基豎向變形方面同樣可以滿足規范要求。

3.2.3 穩定性分析

圖8為不同邊坡比下建筑垃圾路基與黃土路基的穩定安全系數變化對比曲線。

根據圖8可知,隨著路基邊坡比的增大,黃土與建筑垃圾填料路基的穩定系數均呈不斷增大趨勢,兩種填料路基的穩定系數整體變化趨勢大致相似。對于邊坡比<1∶1.5的路基,兩種填料路基的穩定系數相對較低,而對于邊坡比>1∶1.5的路基,兩種填料路基的穩定系數相對較高,但不同邊坡比條件下兩種填料路基的穩定系數均符合安全設計標準。由此說明,采用建筑垃圾替代傳統填料具有較高的可行性和適用性。

圖8 不同邊坡比下路基穩定安全系數變化對比曲線圖

4 結語

本文通過運用有限元軟件建立建筑垃圾填料高速公路路基數值模型,并針對不同填筑高度及邊坡比條件下,黃土填料與建筑垃圾填料路基的變形及穩定性變化規律進行對比分析,得到以下主要結論:

(1)隨著填筑高度的增大,兩種填料路基的坡底最大水平位移及頂面最大沉降均呈不斷增大趨勢,且增大趨勢基本保持一致。

(2)黃土填料路基與建筑垃圾填料路基的穩定系數均隨著路基高度的增高而增大,且兩種填料路基的穩定系數整體變化趨勢大致相似。

(3)隨著路基邊坡比的增大,兩種填料路基的坡底最大水平位移及頂面最大沉降均不斷減小,且兩種填料路基的位移及沉降差值相對較小。

(4)在不同路基邊坡比條件下,兩種填料路基的穩定系數均滿足安全設計標準,說明采用建筑垃圾替代傳統填料在控制路基變形以及保證其安全穩定性方面具有優良效果。