單 雨

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

氣泡輕質(zhì)土的出現(xiàn)對工程建設(shè)有了很大的幫助。1986年[2]日本東北公用氣泡輕質(zhì)土應用于道路填土中，從而達到減載目的，對道路滑坡進行了有效的治理，隨著氣泡輕質(zhì)土技術(shù)逐漸成熟，我國同時也引進了氣泡輕質(zhì)土的應用，并對其進行了大量的研發(fā)。氣泡輕質(zhì)填土路基對解決路基不均勻沉降、舊路拓寬改建等問題具有良好效果。2015年[3]彭惠在青藏公路普通填土路基長期變形特征與路基病害調(diào)查分析中，基于長期監(jiān)測系統(tǒng)2004～2011年現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了路基填土變形的特征分析，有利于路基后期維護。

目前，氣泡輕質(zhì)土廣泛地運用在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，輕質(zhì)性、環(huán)保性、易于施工和抗震性、造價低等優(yōu)良特性，在老路基加寬工程上工藝施工已經(jīng)比較完善，但是如何定性定量地研究氣泡輕質(zhì)土在路基加寬上的沉降變形破壞和分析，卻仍被忽視。基于此背景下，本文依托某公路老路基加寬工程，針對研究了氣泡輕質(zhì)土填土時的受力分析，更好的提出路基加寬施工方案。

1 路基受力理論分析

由氣泡輕質(zhì)土自重和鋪裝荷載共同作用式進行分析(取單位長度分析)[4]。

(1)

式中：Fs為滑動安全系數(shù)，安全條件：平常時Fs≥3.0；地震時Fs≥2.0；qa為地基容許承載力(MPa)；q為氣泡輕質(zhì)土自重及鋪裝荷載共同作用基底的應力(MPa)；當山體背面(或既有填土)產(chǎn)生土壓力時，根據(jù)下圖的地基應力分布形式可以得出[5](圖1)。

(1) 當共同力作用點在基地1/3寬度內(nèi)時(e≤L/6)：

(2)

(3)

(2)當共同力作用點在基地2/3寬度內(nèi)時(e>L/6)：

(4)

式中：q1、q2為兩端壓應力(MPa)；V1為作用于基底的垂直荷載(kN/m)；L為基底寬度(m);e為合力的作用點至底面中心的距離(m);PV為背面土壓的垂直分量(kN/m)；W1為氣泡輕質(zhì)土自重及上部施加荷載(kN/m)。

(a) 力作用點在基地1/3寬度

(b) 力作用點在基地2/3寬度

2 路基模型建立

模型尺寸與原型尺寸為1∶1，模型寬高為10m×12m，模型分為四個模塊：路基基床、老路基、氣泡輕質(zhì)土路基、路面墊層。氣泡輕質(zhì)土通過分層澆筑，每次澆筑1m，最后一層0.4m,下一層澆筑時間為上一層澆筑達到初凝強度時間，通過參數(shù)的時間延續(xù)設(shè)置達到要求。模型右側(cè)根據(jù)實際情況設(shè)置x為固定邊界，左側(cè)為臨空狀態(tài)，設(shè)置為自由邊界，模型底部為x-y固定邊界[6]。模型考慮老路基已經(jīng)沉降完成，為了研究新路基的變形情況，在填筑氣泡輕質(zhì)土前，清除老路基自重應力的累積變形。計算采用彈塑性本構(gòu)模型，氣泡輕質(zhì)土填筑土及老路基視為均質(zhì)各向同性彈塑性體[7]，劃分網(wǎng)格一共1 292個節(jié)點，489個單元，采用初始狀態(tài)和逐級加載的方式。模型如圖2。對加寬的新路基分級加載，分別為50kPa、100kPa、200kP、250kPa、300kPa、400kPa等。為了研究新老路基交界處的路基變形破壞，取有限元模型A、B、C、D四個點，對這四個點的應力變化和沉降變形具體分析。

圖2 有限元路基模型

2.1 模型參數(shù)選取

根據(jù)公路材料規(guī)范規(guī)定以及氣泡輕質(zhì)填土公路運用規(guī)范[8]，老路基和氣泡輕質(zhì)土等材料參數(shù)選取如表1。

表1 材料物理參數(shù)

2.2 路基應力特征分析

路基主要承受自重應力和路面移動荷載，氣泡輕質(zhì)土分層填筑后上部分級加載，新路基產(chǎn)生豎向變形和沉降。路基應力云圖如圖3所示，當路基表面施加荷載到50kPa時，氣泡輕質(zhì)土填土路基受彈性變形，上部路基表面應力變化較小，路基中部新老路基交界處受到側(cè)向壓力作用，交界處左側(cè)出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力相對路基其他部位較大。隨著上部荷載的增加氣泡輕質(zhì)土由外層向新老路基交界應力逐漸增大。氣泡輕質(zhì)土逐漸發(fā)生塑性變形，新老路基交界處附近應力影響范圍擴大，交界處附近最大達到470kPa，荷載達到400kPa后，模型失效發(fā)生破壞。

圖3 模型應力云圖

圖4為四個點的應力對比圖?？梢钥闯鲭S著上部荷載的增加，四個監(jiān)測點的應力隨之增加。在不同荷載下，A、D相對B、C兩個監(jiān)測點的應力較大，可以看出，新老路基交界處左側(cè)應力集中，更容易發(fā)生變形破壞。

圖4 不同荷載作用在A、B、C、D點的應力對比

2.3 路基豎向沉降

圖5為氣泡輕質(zhì)土填土路基在施加最大荷載(400kPa)下豎向位移云圖，路基沉降最大值為5.38cm，受到上部荷載作用，上層氣泡輕質(zhì)土沉降變形較大，變形由上層氣泡輕質(zhì)土朝基底層次性遞減。

圖5 豎向位移云圖

從A、B、C、D四個點可以看出施加荷載為50kPa時，路基變形不明顯，上部施加荷載為200kPa時，路基沉降較大，并隨荷載的增加至400kPa，變形隨之增大，最大變形達到0.355m，四個監(jiān)測點變形趨勢具有一致性。

圖6 不同荷載作用在A、B、C、D點的沉降對比

3 結(jié)論

本文以實際工程為背景，采用有限元方法，研究了氣泡輕質(zhì)填土路基在受載作用下的變形特征和受力破壞機理，初步結(jié)論如下：

(1)氣泡輕質(zhì)土路基在不同荷載的作用下，從彈性變形到塑性變形發(fā)生破壞的過程中，新老路基交界處左側(cè)出現(xiàn)應 力集中現(xiàn)象，應力最大達到470kPa，當荷載達到400kPa后，模型失效發(fā)生破壞。

(2)考慮老路基已沉降完成，氣泡輕質(zhì)填土受到上部荷載的增加，新路基沉降變形越大，變形由上層氣泡輕質(zhì)土朝基底層次性遞減，路基路面最大沉降達到5.38cm。在四個監(jiān)測點位置，沉降有明顯變化，最大沉降達到3.55cm。

(3)從本文的研究結(jié)果得出，氣泡輕質(zhì)土填土在上部荷載作用下變形較小，考慮路基穩(wěn)定性，建議對強度較小的氣泡輕質(zhì)土右側(cè)設(shè)置錨桿加固，消除新老路基交界處應力集中現(xiàn)象，增強路基穩(wěn)定性。