楊建停

(新疆公路橋梁試驗(yàn)檢測中心 烏魯木齊市 830000)

路橋銜接處是路橋工程設(shè)計(jì)和施建一直重視的技術(shù)重點(diǎn)之一，事關(guān)橋頭跳車治理，關(guān)系路橋筑建質(zhì)量和應(yīng)用舒適性。參考案例工程實(shí)用數(shù)據(jù)，借助ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析的方式，對泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路橋銜接處的降沉影響課題開展專題分析探究，以為泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的路橋銜接處回填應(yīng)用提供依據(jù)及參照，助力實(shí)現(xiàn)良好的路橋銜接處筑填效果。

1 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土概念簡介

泡沫復(fù)合輕質(zhì)土是基質(zhì)土、發(fā)泡劑、固化劑以及水等多種組分復(fù)合而成的一種輕質(zhì)材料，容重范圍5～12kN/m3，熱傳導(dǎo)系數(shù)0.100～0.175，流值160～200mm左右，干燥聚縮率一般為普通混凝土的4～6倍，抗壓強(qiáng)度0.3～5MPa。其透滲常數(shù)比較低，并且會隨容重的降低而加大。其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彈塑模量呈線性關(guān)系。其腐蝕環(huán)境條件下的力學(xué)強(qiáng)度跟普通混凝土差別不大，而其耐堿腐蝕性相對更好。泡沫復(fù)合輕質(zhì)土材料會生發(fā)大量氣泡，擁有容重小、密度和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)、良好的保溫隔熱性和良好的高流動性等工程特性，能相對較好地緩解新老路基銜接的差異降沉、路橋銜接處的橋頭跳車、涵隧減荷以及山區(qū)路堤穩(wěn)定維護(hù)等交通筑建難題。其結(jié)構(gòu)狀態(tài)具體見圖1所示。

圖1 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)狀態(tài)

2 分析模型的建立

2.1 本構(gòu)基本設(shè)定及參數(shù)

2.1.1本構(gòu)模型

工程土體擁有復(fù)雜性，對其進(jìn)行客觀全面的分析揭示，如果僅憑本構(gòu)模型分析，則要么難以實(shí)現(xiàn)，要么只適用于某種加載情況。要對工程土體進(jìn)行客觀全面的分析描述，本構(gòu)模型基礎(chǔ)上再進(jìn)行模擬數(shù)值分析即為一種必要的補(bǔ)充手段。

材料模型主要包括莫爾-庫侖模型、彈塑性模型等。本研究的泡沫復(fù)合輕質(zhì)土和基礎(chǔ)土模擬選用莫爾-庫侖彈塑性模型，路面及橋臺構(gòu)造模擬選用線彈塑模型。

2.1.2基本設(shè)定

本模擬分析的基本設(shè)定包括:

(1)路堤模型以平面應(yīng)變情況為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算；

(2)在對輕質(zhì)土路堤分層筑填進(jìn)行模擬前，對既有基礎(chǔ)土實(shí)施起始應(yīng)力平衡，以保障基礎(chǔ)土在自身重量載荷下已然完成固結(jié)；

(3)輕質(zhì)土路堤與橋臺側(cè)向碰觸面不會出現(xiàn)任何間斷，不出現(xiàn)相對滑移及分離；

(4)在橋臺底部與基礎(chǔ)土間設(shè)置約束，橋臺不出現(xiàn)降沉形變；

(5)路堤、路面構(gòu)造和基礎(chǔ)土間處在接觸面完全不間斷，基礎(chǔ)土層間在垂向移位方向耦合。

2.1.3基本參數(shù)

因現(xiàn)實(shí)環(huán)境下開展的一些工程，其土層構(gòu)成體系相對復(fù)雜，而且各層的厚度分布不夠均勻，即便是同層土體，其性質(zhì)亦不是完全一樣的，所以，要求對該模型的土層進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化與調(diào)整。泡沫復(fù)合輕質(zhì)土模擬計(jì)算主要參數(shù)具體見表1所示。

表1 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土模擬計(jì)算主要參數(shù)

2.2 幾何建模及有限元建模

參考某路橋工程的A匝道路橋銜接處基礎(chǔ)資料及實(shí)踐勘察信息，選擇典型截面AK0+390開展建模分析，該區(qū)段地層下部為淤泥，中部為黏土，上部為雜填方。

路基頂面寬為8m，并且邊坡直立，路堤填高取為2.5m。在對獲取到的相關(guān)資料進(jìn)行有效梳理與歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，將輕質(zhì)土路堤橫截面的二分之一為對象展開深入的探索與研究，以提高計(jì)算效率，其中，路堤橫截面寬是4m，基礎(chǔ)土層寬是16m。其橫截面圖模型及網(wǎng)絡(luò)劃分如圖2和圖3所示。

圖2 數(shù)值模擬橫截面圖

圖3 路橋銜接處橫截面網(wǎng)絡(luò)劃分

參考路橋銜接處調(diào)查可知，通常路橋銜接處的差異降沉形變主要出現(xiàn)在橋臺附近的20m以內(nèi)，因此在本設(shè)計(jì)中，筆者以該路段的縱向長度25m當(dāng)作研究對象，臺背回填高程2.5m，路面厚度0.19m，橋臺高度2.5m，基礎(chǔ)0到1.5m深度內(nèi)為雜填方，1.5m到4m內(nèi)為黏土，4m以下為淤泥。在接下來的模型構(gòu)建中，選用CPE4R進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)單元劃分，既有基礎(chǔ)土及泡沫復(fù)合輕質(zhì)土選用莫爾-庫侖模型，上覆路面構(gòu)造及橋臺混凝土選用線彈塑性模型，并且考慮橋臺及輕質(zhì)土間的接觸。其縱截面模型及網(wǎng)絡(luò)劃分如圖4及圖5所示。

圖4 數(shù)值模擬縱截面圖

圖5 路橋銜接處縱截面網(wǎng)絡(luò)劃分

3 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土主要參數(shù)對路橋銜接處的降沉影響分析

3.1 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土容重參數(shù)對降沉的影響

本節(jié)以泡沫復(fù)合輕質(zhì)上的容重級別當(dāng)作對象對路橋銜接處筑填效果進(jìn)行全面、系統(tǒng)的評估與分析，在對工程A匝道橋頭泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤進(jìn)行模擬時，選用的泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的容重級別定為W5。而路基降沉是否與泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的容重相關(guān)，還需展開更深入的考核與驗(yàn)證。通過對同泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的容重級別的進(jìn)一步研究，以計(jì)算路基降沉演變。

在保持泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤高程2.5m和其他參數(shù)不變的條件下，泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的容重級別分別設(shè)立7個容量級別，在此基礎(chǔ)上，廣泛研究各分層筑填高程路基降沉隨著容重級別演變的情況，結(jié)果如圖6及圖7所示。

圖6 不同容重級別在不同分層筑填高程的降沉值

從圖6我們可知，泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤在同分層筑填高程下，隨著容重級別的增強(qiáng)，路基垂向降沉值加大，并且隨著分層筑填高程的加大，路基垂向降沉的形變提升速度加快。

圖7 不同容重級別泡沫復(fù)合輕質(zhì)土筑填的降沉曲線

從圖7我們可知，在同一容重級別下，路基垂向降沉值與橋臺距離先表現(xiàn)出明顯的正關(guān)聯(lián)性，也就是說，在間距不斷擴(kuò)大時，沉降現(xiàn)象就愈發(fā)嚴(yán)重，但達(dá)到一定水平之后，則趨向于平緩。由此可以看出，容重級別越高，泡沫復(fù)合輕質(zhì)土對路基垂向降沉值影響變大。

當(dāng)泡沫復(fù)合輕質(zhì)土容重級別較低時，雖然其自身重量載荷減輕，但其抗壓強(qiáng)度亦相對較低，加之現(xiàn)場制備困難，因此在很大程度上影響澆筑效果。當(dāng)泡沫復(fù)合輕質(zhì)土容重級別太高時，不但導(dǎo)致混凝土用量的浪費(fèi)，無法充分體現(xiàn)其輕質(zhì)性的優(yōu)勢，并且導(dǎo)致施工成本進(jìn)一步增加。最為重點(diǎn)的是，路基垂向降沉加大，容易引發(fā)安全隱患，無法從源頭上保證行車安全。經(jīng)多方面考慮及綜合分析后，筆者認(rèn)為橋頭路堤筑填選擇應(yīng)用容重級別為W6較為合適。

3.2 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土彈塑性模量對降沉的影響

案例工程路堤筑填數(shù)值模擬過程中，其泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的強(qiáng)度級別定為CF0.6，經(jīng)過調(diào)整泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的彈塑性模量，計(jì)算其對路基垂向降沉的影響。經(jīng)過控制泡沫復(fù)合輕質(zhì)土彈塑性模量演變范圍在50～300MPa，深入探討并分析它在各筑填高程下路基降沉演變，結(jié)果如圖8及圖9所示。

圖8 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土彈塑性模量與降沉關(guān)系

圖9 不同彈塑性模量的泡沫復(fù)合輕質(zhì)土筑填的降沉曲線

由圖8可知，當(dāng)泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的彈塑性模量<100MPa時，隨著其彈塑性模量的加大，路基垂向降沉速度降低較快；當(dāng)其彈塑性模量>100MPa時，彈塑性模量的加大對路基垂向降沉影響不是相當(dāng)大。

圖9是不同彈塑性模量的泡沫復(fù)合輕質(zhì)土筑填的降沉曲線。從圖9我們可知，在泡沫復(fù)合輕質(zhì)土彈塑性模量不變的條件下，如果距離橋臺的長度不斷增大，路基垂向降沉值先加大，之后趨向于平緩。當(dāng)增強(qiáng)輕質(zhì)土的彈塑性模量，路基的垂向降沉值降低，而14m外的路基垂向降沉值不受彈塑性模量的影響。

所以，當(dāng)泡沫復(fù)合輕質(zhì)土材料彈塑性模量大，抵御形變的能力增強(qiáng)，降低了本身的壓縮形變，從而下降了路堤的降沉。當(dāng)彈塑性模量到達(dá)一定值時，路堤自身壓縮形變非常小，因此彈塑性模量的繼續(xù)加大所引發(fā)的演變就很小，此時的路基降沉主要是基礎(chǔ)的壓縮引發(fā)的。當(dāng)泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的彈塑性模量到達(dá)100MPa，繼續(xù)增強(qiáng)其彈塑性模量對路基垂向降沉的影響甚微。所以，在經(jīng)濟(jì)性及滿足降沉需要的條件下，應(yīng)將100MPa當(dāng)作泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的彈塑性模量，通過換算獲取到抗壓強(qiáng)度級別0.4MPa。

3.3 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤筑填高程對降沉的影響

經(jīng)過改變路堤的筑填高程，計(jì)算不同路堤高程下的路基降沉。參考泡沫復(fù)合輕質(zhì)土筑填工程技術(shù)規(guī)范，泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路基筑填高程不宜超越15m。所以，本研究擬定了五個路堤高程。經(jīng)過模擬計(jì)算，可得知各高程的泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤路基降沉，見圖10具體所示。

圖10 路增強(qiáng)度與降沉關(guān)系圖

由圖10可知，路堤筑填高程與降沉值存在密切關(guān)聯(lián)，路堤的垂向降沉值隨著路堤高程的增高而加大。輕質(zhì)土路堤高程的加大，自身重量載荷加大，使對基礎(chǔ)的附加應(yīng)力加大，基礎(chǔ)降沉形變亦隨之增大?；谡w性而言，其沉降值沒有出現(xiàn)突變，表明在上述模型中，泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度級別為CF0.6，容重級別為W5，路堤高程到8m時，基礎(chǔ)載承力基本能滿足需要。

3.4 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤筑填軟土基礎(chǔ)降沉分析

在保持泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤高度2.5m不變條件下，通過控制變量法的推行與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了軟土層參數(shù)的科學(xué)調(diào)整，由此獲取到的路基降沉演變見圖11具體所示。

圖11曲線揭示，軟土基礎(chǔ)的彈塑模量、黏聚力、泊松比及內(nèi)摩角等參數(shù)差異，都會對路基降沉產(chǎn)生影響，隨著彈塑模量、黏聚力、泊松比及內(nèi)摩角等參數(shù)的加大，軟土基礎(chǔ)降沉對應(yīng)伴隨而走低?；A(chǔ)彈塑模量越大，則降沉值的下降速度越快。所以，對于軟土基礎(chǔ)的路橋過渡銜接，彈塑模量是相對更關(guān)鍵的影響參數(shù)。

3.5 泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤與普通土路堤的降沉比對

對普通填方路堤來說，其沉降值要求還需做更深入的探討與分析，以進(jìn)一步證實(shí)泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的效果程度。因此，在原有初始條件不發(fā)生任何改變的工況下，選用普通填方實(shí)施路堤筑填，路堤兩側(cè)坡度初步設(shè)定為1∶1.5，計(jì)算分析高度不同其路基垂向降沉值，之后與泡沫復(fù)合輕質(zhì)土實(shí)施比較。普通填方路堤模型與網(wǎng)絡(luò)劃分詳見圖12及圖13所示，其中材料參數(shù)見表2。

(a)基于彈塑模量影響

(b)基于粘聚力影響

(c)基于內(nèi)摩角影響

(d)基于泊松比影響圖11 基于各參數(shù)的軟土基降沉影響曲線

圖12 普通填方路基橫截面圖

圖13 普通填方路堤降沉網(wǎng)絡(luò)模型

道路構(gòu)造厚度(m)彈塑性模量(MPa)泊松比重度(kN/m3)粘聚力(kPa)內(nèi)摩角(°)路面構(gòu)造層0.1912000.2520--普通填方2.5250.35182022雜填方1.550.317.5815粘土2.54.50.2617.8723.0610.14淤泥760.315.7511.996.58

得到泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤與普通填方路堤降沉值比對，見圖14具體所示。

圖14 基于筑填高程差異的兩種填方路基的降沉對比

從圖14我們可知，普通填方高程與累計(jì)沉降值呈特定的線性關(guān)系，隨著筑填高程的加增，路基垂向降沉值提升較快，并且提升速率遠(yuǎn)高于泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤；不僅如此，在路堤不斷增大的情況下，它們的降沉差異就越大，當(dāng)路堤筑填高程2.50m時，泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤路基基礎(chǔ)底部最大累計(jì)沉降值2.18cm，普通填方路堤路基基礎(chǔ)底部最大累計(jì)沉降值8.95cm。所以，泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤的路基基礎(chǔ)底部最大降沉僅為普通土路堤的24%。

4 總結(jié)

參考某案例工程A匝道橋頭路堤筑填實(shí)用數(shù)據(jù)，借助ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析的方式，對泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路橋銜接處的降沉影響開展了專題分析探究。主要收獲及結(jié)論：

(1)最佳容重級別為W6；當(dāng)泡沫復(fù)合輕質(zhì)土的彈塑性模量<100MPa時，在彈塑性模量不斷增大時，路基垂向降沉速度降低較快；當(dāng)其彈塑性模量>100MPa時，彈塑性模量的加大對路基垂向降沉影響不是相當(dāng)大，并在滿足經(jīng)濟(jì)性及降沉需要的條件下提出了最佳彈塑性模量是100MPa。

(2)普通填方路堤與泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤相較，隨著筑填高程的加大，路基垂向降沉差異越大，當(dāng)路堤筑填高程2.50m時，泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤路基垂向最大累計(jì)沉降值2.18cm，普通填方路堤路基垂向最大累計(jì)沉降值8.95cm。

(3)泡沫復(fù)合輕質(zhì)土路堤高程影響著路基降沉，路堤高程越高，路基垂向降沉越嚴(yán)重。但在本設(shè)計(jì)中，其路堤高程需合理地控制在8m之內(nèi)。在深入探討泡沫復(fù)合輕質(zhì)土在軟土基礎(chǔ)筑填時，隨著軟土基礎(chǔ)的彈塑性模量、內(nèi)摩角等參數(shù)的加大，軟土基礎(chǔ)的垂向降沉值降低，而最大的影響要素是軟土基礎(chǔ)的彈塑性模量。