路基施工過程沉降及應力變化數值模擬

崔兆戶

摘要：為了掌握路基填料選擇加筋泡沫輕質土時的沉降變化趨勢，并得出最優加筋率，通過數值模擬的方式分析了各加筋率泡沫輕質土填料的路基變形和受力情況，并與普通路基進行了對比。研究結果表明：路基填料種類不同時其沉降變化趨勢基本一致，基底沉降最大的部位為路基中線，且沉降值隨著和路基中線距離的增大而降低；普通路基在施工時形成了1.88cm的回彈，而加筋率在0.75%時的泡沫輕質土路基所形成的回彈量最低，為0.87cm；泡沫輕質土加筋改性后用作路基填料時，所形成的施工沉降降低幅度較為明顯，且在加筋率為0.75%時所形成的基底沉降最小，為17.35cm；當路基填料選擇泡沫輕質土時，并未對路基的基底應力分布情況造成較大影響，只有路基的基底豎向應力有小幅度降低；而泡沫輕質土在加筋后基底應力最大值可減小近40kPa，與普通填土路基基底應力最大值相比降低了近50%；選擇路基填料時采用0.75%加筋率的加筋泡沫輕質土，能夠在最大程度上減小基地沉降值。

關鍵詞：軟土地基；加筋泡沫輕質土；沉降；數值模擬；基底應力

0? ?引言

大規模沉降在軟土路基眾多病害里較為常見，施工人員通常以換填方式來對其進行處理[1-2]。早在20世紀70年代，英國在修建某條高速公路時路基填料選擇了泡沫輕質土，這也首次將其應用在道路修建中。此道路修建完畢通車使用后，泡沫輕質土展現出了較好的耐久性、高強度以及輕質性，并逐漸走入了技術人員的視野當中[3-4]。通過數值模擬的方式分析填料種類對路基沉降和受力情況，能夠更加清晰的揭示和體現出加筋泡沫輕質土在道路中的應用效果。吳海剛等[5]以實際工程為參考，通過試驗對比發現，通過泡沫輕質土與水泥攪拌樁的結合能夠有效降低軟土路基沉降。

基于此，為了掌握路基填料選擇加筋泡沫輕質土時的沉降變化趨勢，并得出最優加筋率，本文通過數值模擬的方式，分析各加筋率泡沫輕質土填料的路基變形和受力情況，并將其與普通路基進行了對比，以為相關工程提供指導和借鑒。

1? ?工程概況

某一高速公路全長26.43km，雙向八道為主線設計標準，100km/h為最大設計時速。通過現場勘探可知，場地巖層類型主要包括淤泥質土、砂質黏性土以及素填土。

鑒于原路基土質較差，若選擇常規填土法來對路基土體進行處理，造價過高，故通過填筑加筋泡沫輕質土的方式來對路基進行處理，保證回填處理后土體工程性質能夠滿足設計需要，避免高速公路修建時受到不良地質的影響。

2? ?建立計算模型

2.1? 模型建立

此次計算所用路堤模型上部寬度為26m，其邊坡坡度為1：1.5，路面結構層厚度為0.7m。加筋泡沫輕質土為路基填料類型，在路面結構層和輕質土層相接位置施作素混凝土保護層，厚度為0.2m。在路堤底部安設厚度為0.3m的墊層，路堤底面寬度的兩倍為地基寬度，地基壓縮層的厚度為15m。從上部到地基的土層類別分別為3m普通填土、4m淤泥質土、6m砂質黏性土。

地基初始變形會受到重力的影響，所以要先處理低級的地應力平衡問題。把重力作用下地基的應力場當成初始應力場。為了計算更加簡便，在建立模型時做出了下列假設：進行路基填料時，填筑工作分三次完成，1m為每次填筑高度。

不考慮道路方向上的應變，把此次模擬看成平面應變問題，把地基和路堤各層材料視作連續均勻介質，簡化各層地基底面為水平面。模擬時忽略施工過程里機械的碾壓振動、汽車荷載等作用，只考慮路堤在重力荷載下的應力分布情況和變形。

2.2? ?確定邊界條件和參數設置

加筋泡沫輕質土屬于一種彈塑性材料，所以選擇Mohr-Coulomb彈塑性模型來進行此次的模擬。通過室內試驗得出加筋泡沫輕質土各加筋率下的參數。

3? ?分析計算結果

3.1? ?路堤施工沉降受填筑材料的影響

填筑材料的不同，其自身承載能力、剛度、彈性模量、密度等性能均有所差異，路基沉降會受到填筑材料各項性能的影響。整理填料在不同加筋配比時的路基底部沉降值，能夠得出填土路堤在不同加筋率、施工時期以及不同材料情況下的基底沉降變化趨勢。不同施工階段各類填土路堤沉降變化趨勢如圖1所示。

從圖1中能夠看出，路基填料種類不同時其沉降變化趨勢基本一致，基底沉降最大的部位為路基中線，且沉降值隨著和路基中線距離的增大而降低。

當施工繼續開展時，與路基中線距離在25m范圍內，隨著荷載的增大，地基沉降值也逐漸增大。當距離在25m范圍以外時，即在坡腳線范圍以外時，當施工荷載增大時，地基的沉降值呈現出逐漸減低的規律。

分析認為，當路基荷載逐漸增大時，荷載作用下超過路基范圍的地基土出現了擠出，使得路基附近土體被抬升。對于普通填土路基，施工完路面結構層后，為和距離路基中線40m部位沉降值達到0.35cm，當施工完路基墊層時，同樣部位的沉降值達到2.23cm，在施工時形成了1.88cm的回彈。

反觀施工過程中，加筋率1.0%、0.75%0.5%以及0%情況下，泡沫輕質土路基所形成的回彈量分別為0.97cm、0.87cm、0.88cm以及0.9cm。由此能夠看出，此類路基和普通路基相比，不會對附近地區產生較大的影響，擾動較小，適應范圍較廣，在實際工程中應用效果更佳。

對泡沫輕質土路基與普通填土路基在路基中線部位的基底沉降進行對比可知，對于普通填土路基，每施工完一層路基填土后，路基中線部位的基底沉降值提高了近9cm，而同樣部位泡沫輕質土路基的沉降值僅提高了4cm。

施工完路基后各類填土路基最大沉降值如圖2所示。其中1為普通路基，2～5依次表示0%、0.5%、0.75%以及1%加筋率的泡沫輕質土路基。從圖2中能夠看出，普通填土路基所形成的基底沉降最大值為38.65cm，加筋率為0%的泡沫輕質土路基所形成基底沉降最大值為22.74cm，與前者相比，后者施工沉降最大值降低了近41%。

除此之外，泡沫輕質土加筋改性后用作路基填料時，所形成的施工沉降降低幅度更加明顯，且在加筋率為0.75%時所形成的基底沉降值達到17.35cm，遠遠小于普通路基基底沉降，降低幅度約達55%。所以選擇路基填料時，可采用0.75%加筋率的加筋泡沫輕質土，以此在最大程度上減小基地沉降值。

3.2? ?路堤施工橫向位移受填筑材料的影響

通過有限元分析軟件，分析泡沫輕質土在各加筋率下路基的橫向施工位移，得出加筋率和路基施工橫向位移間的關系。施工完路基后各路堤坡腳部位橫向位移值如圖3所示。其中1為普通路基，2～5依次表示0%、0.5%、0.75%以及1%加筋率的泡沫輕質土路基。

從圖3中能夠看出，和普通砂性土填料相比，路基填料選擇泡沫輕質土時，路堤坡腳處的橫向位移由之前的8.23mm降低到3.52mm，且降低幅度隨著加筋率的增大而增大。

3.3? ?路堤基底應力受填筑材料的影響

不同施工階段各類填土路堤基底豎向應力變化如圖4所示。從圖4a中能夠看出，對于普通砂性土路堤，其基底豎向應力分布，在整體上表現為路基中線部位最大，且由中線向兩側慢慢降低的規律。基底應力在填筑完第一層路基填筑完成分布均勻，且基底應力在每填筑完成一層路基時會增大約20kPa，且增加程度隨著與路基中線距離的增加而減小。在施工完路面結構層后，路堤坡腳線和基底中心的豎向應力差值達到47.5kPa。

從圖4b至圖4e能夠看出，當路基填料選擇泡沫輕質土時，并未對路基的基底應力分布情況造成較大的影響，只有路基的基底豎向應力有小幅度降低。

而泡沫輕質土在加筋后基底應力最大值可減小近40kPa，與普通填土路基基底應力最大值相比降低了近50%，且應力分布在整體上更加均勻，故使用加筋泡沫輕質土作為路基填料能夠更好的避免路基的不均勻沉降。同時能夠看出，在路基坡腳部分范圍路基的基底應力均有一定程度的增加。

4? ?結束語

本文通過數值模擬的方式分析了各加筋率泡沫輕質土填料的路基變形和受力情況，并與普通路基進行了對比。主要得出以下結論：

對于普通填土路基，施工時形成了1.88cm的回彈，而各加筋率為1.0%、0.75%、0.5%以及0%情況下，泡沫輕質土路基所形成的回彈量分別為0.97cm、0.87cm、0.88cm以及0.9cm。其和普通路基相比，不會對附近地區產生較大的影響，擾動較小，應用效果更佳。

對于普通填土路基，每施工完一層路基填土后，路基中線部位的基底沉降值提高了近9cm。而同樣部位泡沫輕質土路基的沉降值僅提高了4cm，與前者相比，后者施工沉降最大值降低了近41%。除此之外，在加筋率為0.75%時所形成的基底沉降最大值最低，達到17.35cm，基底沉降降低幅度約為55%。

路基填料選擇泡沫輕質土時，并未對路基的基底應力分布情況造成較大的影響，只有路基的基底豎向應力有小幅度降低。而泡沫輕質土在加筋后基底應力最大值可減小近40kPa，與普通填土路基基底應力最大值相比降低了近50%，且應力分布在整體上更加均勻。

參考文獻

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