張孝鋮， 胡笑林， 呂玉坤

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院, 安徽 合肥 230023)

0 引 言

氣泡輕質(zhì)土對(duì)臺(tái)背的側(cè)壓力可忽略不計(jì)，抗沖擊性能比一般回填材料效果好，剛性比一般填土路基大，并且由于材料本身存在大量的閉合氣泡，所以輕質(zhì)土比其他回填材料具有密度小的特點(diǎn)，能較大程度減少地基的位移和沉降破壞[1]，故在臺(tái)背回填中有著良好的應(yīng)用。通過(guò)PLAXIS 2d有限元軟件分析氣泡輕質(zhì)土不同參數(shù)條件下基底沉降模擬結(jié)果，合理選用氣泡輕質(zhì)土的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而充分發(fā)揮其“輕質(zhì)性”的特性，為氣泡輕質(zhì)土在臺(tái)背回填中設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

啟東德匯濱海教育生態(tài)城匯海大道建設(shè)工程道路南起G328，北至觀海平臺(tái)如圖1所示。道路設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 868.729 m，道路紅線寬32 m。新建橋梁跨越景觀規(guī)劃水系，名為鷗鷺橋，其與規(guī)劃水系正交，中心里程樁號(hào)為K1+316.313，橋跨為1-30 m，橋?qū)?7.5 m。由于歐鷺橋?yàn)榫坝^橋，其下凈空需要保證行人和游艇通過(guò)，對(duì)路橋過(guò)渡段工后沉降要求極為嚴(yán)格，故對(duì)臺(tái)后路床層位采用容重等級(jí)為W8，抗壓等級(jí)為CF0.8氣泡輕質(zhì)土回填，路堤層位采用容重等級(jí)為W5，抗壓等級(jí)為CF0.5氣泡輕質(zhì)土回填。

圖1 項(xiàng)目地理位置

2 建立模型

2.1 模型的建立

在模擬氣泡輕質(zhì)土在路橋過(guò)渡段回填中對(duì)基底沉降影響分析時(shí)，受到各材料參數(shù)和邊界條件的制約影響，需做出如下假設(shè)：

(1) 模型按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行考慮。

(2) 地基土、氣泡輕質(zhì)土均采用摩爾-庫(kù)侖彈塑性模型。

(3) 模型左右兩側(cè)邊界受水平約束，底邊界受固定約束。

(4) 地基土、路堤、路床之間接觸面光滑連續(xù)，不發(fā)生相對(duì)滑移及脫落。

(5) 在填筑氣泡輕質(zhì)土之前，先對(duì)原地基土進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，保證地基土在原自重壓力作用下完成固結(jié)。

(6) 暫不考慮路面結(jié)構(gòu)層荷載影響，只研究路基荷載對(duì)基底沉降的影響。

根據(jù)提供的背景資料，對(duì)路橋銜接段位置進(jìn)行橫向數(shù)值模擬。由于路基橫斷面的幾何形狀、地質(zhì)條件及材料性質(zhì)均關(guān)于路基中心線對(duì)稱(chēng)，即結(jié)構(gòu)繞對(duì)稱(chēng)軸對(duì)折后，左右兩部分完全重合，故應(yīng)力和變形也是對(duì)稱(chēng)的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以取橫斷面一半為研究對(duì)象，寬度為13.5 m，地基寬度取為60 m。為了滿(mǎn)足沉降計(jì)算精度，按附加應(yīng)力等于0.1～0.2倍土體的自重應(yīng)力確定壓縮層厚度，壓縮層厚度定為40 m滿(mǎn)足精度要求。其幾何模型如圖2所示。

圖2 路橋過(guò)渡段橫向幾何模型及網(wǎng)格劃分

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

歐鷺橋橋頭位置地質(zhì)土層分布較為復(fù)雜，但相對(duì)穩(wěn)定，結(jié)合地勘報(bào)告擬定對(duì)本次模型中材料參數(shù)取值如表1。

2.3 加載模擬

根據(jù)《氣泡輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ T177-2012)[2]規(guī)定，氣泡輕質(zhì)土單層澆筑厚度宜按0.3～0.8 m控制，上一層澆筑作業(yè)在下一層澆筑終凝后進(jìn)行。本次歐鷺橋橋頭過(guò)渡段路堤設(shè)計(jì)高度為3.56 m，氣泡輕質(zhì)土單層澆筑厚度按0.5 m控制，分7層填筑；路床高度為0.8 m，氣泡輕質(zhì)土單層澆筑厚度按0.4 m控制，分2層填筑。

3 氣泡輕質(zhì)土參數(shù)對(duì)路基沉降影響分析

3.1 填筑高度的影響

為了進(jìn)一步研究氣泡輕質(zhì)土填筑高度對(duì)路基基底沉降的影響，保持其他模型參數(shù)(表1)不變，計(jì)算不同填筑高度下的基底沉降。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)[3]3.9.6條，氣泡輕質(zhì)土最大填筑高度不宜大于15 m，最小填筑高度不宜小于1 m。本文假定路堤高度分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m，通過(guò)PLAXIS 2D模擬計(jì)算，可以得到不同高度下基底沉降變形情況，如圖3所示。

所有病例在入院時(shí)均接受超聲檢查，檢查儀器為GELOGIQ E9型彩色多普勒超聲檢查儀，設(shè)定探頭的工作頻率位4～11MHz。患者采用仰臥位，頸前區(qū)充分暴露，常規(guī)掃查甲狀腺雙側(cè)葉及峽部，觀察甲狀腺位置、外形、大小；隨后使用二維超聲檢查甲狀腺結(jié)節(jié)的部位、大小、形態(tài)、數(shù)目、邊界、聲暈、內(nèi)部回聲變化、血流情況。

表1 材料參數(shù)一覽表

圖3 路堤高度與沉降關(guān)系圖

由圖3可以看出，填筑高度的增加，將會(huì)導(dǎo)致地基土上部荷載增大，并且基底沉降隨填筑高度的增加呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從整體變化上來(lái)看，基底沉降并沒(méi)有出現(xiàn)較大突變。當(dāng)氣泡輕質(zhì)土路堤高度為14 m時(shí)，模擬結(jié)果顯示地基土發(fā)生剪切破壞，沉降計(jì)算不收斂，說(shuō)明在啟東歐鷺橋臺(tái)背回填模擬中，當(dāng)氣泡輕質(zhì)土路堤容重為5 kN/m3，氣泡輕質(zhì)土最大填筑高度在12～14 m。

3.2 容重的影響

為研究氣泡輕質(zhì)土容重參數(shù)對(duì)沉降的影響，保持其他參數(shù)不變，路基氣泡輕質(zhì)土分別采用W3、W5、W7、W9、W11、W13和 W15，研究不同分層填筑高度下路基橫斷面中線處沉降隨容重等級(jí)的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣泡輕質(zhì)土容重與沉降關(guān)系圖

由圖4可以看出，在同一分層填筑高度下，隨容重等級(jí)的提高，路中心線位置處的沉降量隨之增大，接近線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并且隨著填筑高度的增大，其沉降量增長(zhǎng)速率也加快。所以當(dāng)氣泡輕質(zhì)土容重等級(jí)選擇較低，不僅不能滿(mǎn)足規(guī)范要求，而且抗壓強(qiáng)度較低，現(xiàn)場(chǎng)制備較為困難，質(zhì)量無(wú)法得到保證，后期在日益增長(zhǎng)的交通量下路面可能出現(xiàn)裂縫；當(dāng)氣泡輕質(zhì)土容重選擇過(guò)高，與普通路基填料相比，無(wú)法發(fā)揮其輕質(zhì)性的特性，不僅導(dǎo)致水泥用量的浪費(fèi)，加大施工成本，而且對(duì)路基造成較大的沉降，不利于行車(chē)安全。故在綜合考慮各方面優(yōu)缺點(diǎn)下，在匯海大道歐鷺橋臺(tái)背回填中路床部分的氣泡輕質(zhì)土采用W8容重等級(jí)以及路堤部分的氣泡輕質(zhì)土采用W5容重等級(jí)較為合理。

3.3 抗壓強(qiáng)度等級(jí)的影響

根據(jù)《氣泡輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ T177-2012)規(guī)定，在無(wú)試驗(yàn)資料的前提下，氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度與彈性模量可按下式計(jì)算：

Ec=250qu

式中：Ec為彈性模量,MPaqu為抗壓強(qiáng)度，MPa。

氣泡輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度不同，彈性模量也有所不同，進(jìn)而路基自身的壓縮也有所差異。為了研究抗壓強(qiáng)度等級(jí)對(duì)沉降的影響，保持其他參數(shù)不變，氣泡輕質(zhì)土分別采用CF0.4、CF0.6、CF0.8、CF1.0、CF1.2和CF1.5，研究在不同填筑高度下路基橫斷面中線處沉降的變化情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 氣泡輕質(zhì)土強(qiáng)度等級(jí)與沉降關(guān)系圖

4 氣泡輕質(zhì)土路堤與普通灰土路堤沉降對(duì)比分析

為了進(jìn)一步體現(xiàn)氣泡輕質(zhì)土材料的“輕質(zhì)性”，在其他參數(shù)和條件不變的前提下，采用石灰土路基填料進(jìn)行路基回填，計(jì)算不同高度下基底沉降，并與氣泡輕質(zhì)土路堤進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同高度下氣泡輕質(zhì)土路堤與石灰土路堤的沉降對(duì)比

由圖6可以看出，石灰土路堤隨填筑高度的增加，其路基基底沉降迅速增加，其增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于氣泡輕質(zhì)土路堤。模型計(jì)算結(jié)果反映，當(dāng)石灰土填筑高度為4～6 m時(shí)，基底產(chǎn)生的沉降陡升，到6 m沉降計(jì)算已不收斂，地基土已經(jīng)發(fā)生剪切破壞，而同樣的模型參數(shù)下，氣泡輕質(zhì)土卻能填筑到12～14 m地基土才發(fā)生破壞。

當(dāng)路堤填筑高度為2 m時(shí)，氣泡輕質(zhì)土路堤基底沉降僅為普通石灰土路堤基底沉降的26.79%；當(dāng)填筑高度為4 m時(shí)，更只為其沉降的23.67%。從而可見(jiàn)，氣泡輕質(zhì)土作為臺(tái)背回填材料，能夠較大程度的降低路基沉降，從而減少“橋頭跳車(chē)”現(xiàn)象，保證道路行駛的安全性。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)啟東歐鷺橋路橋過(guò)渡段建立有限元模型，計(jì)算了不同參數(shù)下氣泡輕質(zhì)土路堤的沉降變化情況，并在不同填高下與普通石灰土路堤沉降進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

(1) 氣泡輕質(zhì)土填筑高度的增加，即路堤的自重增大，其基底沉降也隨之增大，呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從曲線整體變化上來(lái)看，基底沉降并沒(méi)有出現(xiàn)較大突變。

(2) 氣泡輕質(zhì)土容重對(duì)基底沉降影響較大，在相同填筑高度下，基底沉降隨容重的增大而增大，接近線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)；不同填筑高度下，隨填筑高度的增大，沉降量增長(zhǎng)速率也加快。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣泡輕質(zhì)土的容重參數(shù)來(lái)減小基底沉降，確保路基穩(wěn)定性。

(3) 氣泡輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度等級(jí)對(duì)基底沉降影響不大。提高氣泡輕質(zhì)土強(qiáng)度等級(jí)，相應(yīng)的彈性模量增大，路基抵抗變形的能力提高，能夠減少路基本身的壓縮變形，但路基的沉降主要是地基土的壓縮變形導(dǎo)致的，所以提高強(qiáng)度等級(jí)對(duì)路基的沉降影響不大，可以忽略影響。

(4) 路堤填筑高度越大，泡沫輕質(zhì)土路堤與普通石灰土路堤產(chǎn)生的基底沉降差異越大。氣泡輕質(zhì)土作為臺(tái)背回填材料，能夠較大程度的降低基底沉降，保證路基穩(wěn)定性。