軟基道路擴建工程中泡沫輕質土換填厚度及路基變形規律研究

收稿日期：2024-01-03

作者簡介：魏先永（1976—），男，大專，工程師，研究方向：道路橋梁。

摘要 以軟基道路擴建工程中泡沫輕質土換填厚度及路基變形規律為研究對象，旨在探究泡沫輕質土在道路工程中的應用效果。采用實驗室模型試驗和數值模擬方法，研究不同泡沫輕質土換填厚度對路基變形的影響。結果表明增加泡沫輕質土的換填厚度可以有效減緩路基的變形和沉降，提高軟基地基的承載能力，為軟基道路工程的設計和施工提供一定的理論依據和技術支持，研究結論可為類似工程的實踐提供參考，促進道路工程的可持續發展。

關鍵詞 軟基道路；泡沫輕質土；換填厚度；路基變形

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0155-03

0 引言

既有道路不能滿足日益增加的交通量，需對既有道路進行擴容改造。為了保證車輛運行的安全性、平穩性和乘坐舒適性，對道床的強度、剛度、穩定性及耐久性提出更高要求。與一般道路相比，對路基的要求更為苛刻，其最突出的表現就是路基沉陷的控制。在保證路基強度的同時，對路基變形也提出更高的要求。以某公路為例，采用一種新型的填充方式治理軟土路基的變形，采用大型通用分析程序ANSYS對其進行數值仿真分析。首先，基于彈性力學理論，構建置換填充型輕質土組合基礎的變形計算方法；然后利用有限元法，對置換后的置換變形進行數值分析并建立仿真模型，進行對比分析，最終確定出最優的置換方案。

1 工程概況

某公路全長7.14 km，在20世紀90年代完工，但由于當前的社會和經濟環境，其建造方式和施工質量均不能適應現代城市的需求。根據調查，當前道路路基寬度只有8 m，在軟基路段僅有0.5 m的厚碎石用來換填，沒有做任何深度的處理。自工程開始運營以來，各個區域都出現了不同深度的下沉現象，部分地方的下沉程度甚至達到70 cm。總體來講，道路狀況相當糟糕，損壞的情況也相當突出。為了適應當前的交通需求，必須對道路進行擴建。由于這個道路項目位于一個水資源豐富的地方，全線都覆蓋著淤泥和淤泥質的軟土，這些土壤的埋藏深度和厚度都很大，并且具有抗剪切力弱、壓縮性高等特性。由于路堤填料層的結構特點，尤其是軟土和粉質黏土，其力學性能相對較差。通過對該地區的調查，得出了該地區各層的主要物理和機械特性指標[1]，詳見表1所示。其中，λ是土的等向固結曲線沿v-lnp面的坡度；k是土的彈模系數，也就是試樣在v-lnp面上的卸荷曲線的坡度；M是土樣應力比。

（1）

2 軟基道路換填厚度有限元模型建立

2.1 土體的本構模型

由于土壤是散體，在剪切過程中會發生膨脹，并且其抗拉強度遠遠低于壓縮極限，因此通常采用的VonMises屈服判據已不再適合。土力學中最常見的屈服標準是馬氏-奧盧姆布和杜克塞-普格屈服判據。在此基礎上，提出一種新的材料本構關系——Drucker-Prager模型，其對土體進行有限元法計算時，可以獲得更高的精度。這種方法是對馬爾-柯洛姆標準的一個逼近，用于修改馮米斯的屈服條件。當側壓（靜水壓）增大時，其屈服面不會發生變化，因此無加強判據，但其屈服強度會隨側壓（靜水壓）增大而增大，表現為理想彈塑性。在ANSYS中DP物料選擇的參數表格中，需要填寫三個數值：黏聚力C、內摩擦角Ф和膨脹角[2]。當擴張角度為0 °時，沒有體積擴張；當擴張角度與內摩擦角相等時，就會出現較大的體積膨脹。根據D-P屈服判據，提出了土體的屈服條件，具體見式（2）和式（3）：

（2）

（3）

2.2 材料的選擇及所用參數

第一個層次：棕黃色的粉質黏土，易塑；第二個層次：棕黃色的陶土，松軟可塑；第三層為棕灰色粉砂，具有可塑性；第四層：灰色、潮濕、中至密的粉質黏土；第五層：棕灰色粉砂，可流動；第六層：灰色、潮濕、中至密的粉質黏土。發泡輕質土壤：在規范環境下，通過試驗獲得的（100 cm×100 cm×100 cm）的抗壓強度為1.8 N/mm2，由有關的關系式計算出其彈性模量E為4.45 GP。車輛荷載：利用公路中的載荷，把載荷轉換成平面載荷作用于該模型[3]。

2.3 建立模型

采用SOLID45有限元數值方法，將8個結點拼接在一起，形成具有塑性、拉脹、應力增強和變形大等特點，且各構件的變形符合幾何連續。在剖分時，在應力集中區域，將其劃分為比較精細的區域，而在臨近區域，則將其劃分為比較厚的區域，從而構成一種從細化到粗化的網格。除頂面以外，其余的界面也要加以限制：底面是一個固定的約束，四周的四個面要限制水平面內兩個方向的變形，這樣就可以進行上下運動，也就是在圓周上設置一個垂直的滑移支承。

3 路基變形現場監測結果分析

3.1 基底應力監測結果分析

采用土壓箱法測定地基應力，因3個測點的實測值相近，故選擇K148+000段為研究區域。將上部和下部的土壓力箱編號為T1-T5，通過對路堤進行施工時的土體壓力進行觀測，并根據實測的資料，將地基的應力分布與地基的應力分布進行比較（如圖1所示）。

從圖1可以看出，地基上的應力隨填土深度的增大而增大，并以填充后的泡沫輕量填料為最大值[4]。在T2型土壓機的基礎上，最大的是T1T5，最低的是T3。在填充泡沫輕量土后，地基的應力仍有較大增長。而在施工結束后，其增長速度則顯著減緩，由于受到了車輛荷載的作用，在5個月后該增長速度已接近平穩。

圖1 K148+000監測斷面基底應力變化曲線圖

3.2 基底應變監測結果分析

同時，采集試件的應力測試數據，并給出相應的應力分布曲線，如圖2所示：

圖2 斷面基底應變分布曲線圖

從圖2可以看出，該路段的變形呈盆狀，其基礎應力的變化規律與一般公路的變形情況相似，在公路中心處的變形最大，而在路的兩邊則相對較小。因路堤兩邊的路堤填筑而引起的上部負荷增大，在多次觀測時段內，路兩邊的路側變形都有很大變化。

3.3 分層沉降監測結果分析

選取左幅為研究區域，在路堤頂部各2 m處進行連續觀測，得到各層的沉降量隨時間的變化曲線[5]如圖3所示。

從圖3可以看出，在摻入泡沫輕質土后，輕量壓縮率僅為一般填料的1/5左右，特別是在后期更為顯著。根據實測數據，基礎產生地層的分層沉陷，并與實測數據進行對比分析。試驗結果表明：在檢測初期，基礎的變形比實測值要大，而在后期，則有明顯減小的趨勢，這表明使用泡沫輕質土能夠顯著減少路基的重量，減小其壓縮變形。

圖3 K148+100斷面分層沉降變化曲線圖

3.4 路基表面沉降監測結果分析

對路堤表層沉陷進行實時觀測，實測結果見表2所示：

表2 路基表面沉降監測結果表

監測

時間 本月

沉降/

cm 月平均沉降速率/

（mm/d） 累積沉降量/cm 填筑

高度/

m

左

路肩 路中 右

路肩 左

路肩 路中 右

路肩

6月 3.0 1.9 2.0 2.0 2.9 3.0 3.0 3.0

7月 5.7 2.0 1.9 1.4 8.8 8.7 8.7 7.1

8月 7.1 1.3 2.4 0.6 12.6 15.8 15.8 8.9

9月 3.8 0.3 1.3 0.3 13.5 19.6 19.6 9.9

10月 1.3 0.3 0.4 0.2 14.4 20.9 20.9 10.4

11月 0.4 0.1 0.1 0.1 14.7 21.3 21.3 10.6

從表2可以看出，在觀測初期，地基的每月沉降及沉降速度都很大，尤其是中間部分，在進行了大量的氣泡輕量土換填后，其沉降速度變慢，而在觀測結束后，整個地基的表層沉降都趨于平穩。結果表明：7—8月份時，路堤表層沉降最大值達7.1 cm，而中間段的沉降量為2.4 mm/d。

4 不同因素對路基變形的影響

4.1 抬高路基填筑材料密度

用密度分別為400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3的輕質土與1 800 kg/m3的一般填料進行填料，監測其施工后的變形情況。隨著填料密度的增加，新路堤的沉降量也隨之增加，不同密度下的最大沉降分別為：?48.8 mm、?54.5 mm、?60.1 mm和?127.7 mm，最大沉降比相對于前一個原密度分別增加10.5%、9.3%和52.9%。

4.2 新填土材料密度

新的填料密度導致新舊道路的沉降，新填料的密實度對新鋪筑路基豎向位移的影響很小，但對老路基的附加變形卻有很大作用。其原因是由于新填土對路基土的擠壓，使路基與路基之間形成一種附加變形，從而使已有公路與基礎同時發生沉降[6]。

4.3 抬高路基高度

根據施工后新鋪筑出的地基土的提升量與路堤下沉的關系，如圖4所示。隨著路堤提升高度的增大，新建道路的最大沉降量為：4.0 m、5.0 m、6.0 m和8.0 m時的最大沉降為?22.6 mm、?25.0 mm、?49.0 mm和?54.5 mm；最大沉降比相對于前一個高度分別增加9.6%、49%和10%。

圖4 不同路基抬高高度的工后新路面沉降

5 結論

基于此，該項目擬采用數值模擬方法，對在役公路拓寬提升區內填充的氣泡混合地基進行了變形狀態研究，獲得各階段新老混合地基在建造過程中的沉降變化規律，探索材料及構造工藝等對其變形的影響規律。以某公路軟基工程為研究對象，設置了三條觀測剖面，并分別對路基基底應力、地表變形和層化變形進行了觀測。

參考文獻

[1]唐勇斌. 泡沫輕質土換填公路淺埋中厚層軟土地基處理分析[J]. 路基工程， 2023（4）： 108-112.

[2]賴幼幼. 泡沫輕質土在路橋工程中的應用及試驗檢測方法研究[J]. 工程技術研究， 2023（13）： 115-117.

[3]周旺. 泡沫輕質土在道路擴建工程中的應用分析[J]. 西部交通科技， 2023（5）： 42-44+78.

[4]睢向文. 泡沫輕質土在公路改擴建工程中的應用[J]. 福建交通科技， 2023（5）： 19-21.

[5]薛國毛， 李金龍， 謝規球， 等. 泡沫輕質土換填路堤下地基沉降計算方法[J]. 交通科學與工程， 2022（4）： 28-34.

[6]姜啟珍， 陳忠平， 汪建斌， 等. 軟基路堤換填輕質土厚度確定方法[J]. 公路， 2019（4）： 84-88.