黃任文 王鑫越 黃俊杰

【摘要：】為對比分析分別由泡沫輕質土和傳統(tǒng)填土填筑的拓寬路基在新舊路基沉降變形及地基土水平位移分布方面的規(guī)律及其差異性，文章開展了室內離心試驗與數(shù)值模擬分析。結果表明：傳統(tǒng)填土填筑的路基面，最大沉降為43.3 mm，既有路基坡腳最大水平位移為-13.4 mm，拓寬路基坡腳處最大水平位移為56.3 mm;泡沫輕質土填筑的路基面，離心試驗結果顯示最大沉降減小了45.0%（與傳統(tǒng)填土填筑相比）、既有路基坡腳和拓寬路基坡腳下地基土最大側向變形分別減小了60.4%和74.6%;相比傳統(tǒng)填土，泡沫輕質土填筑的路基最大沉降減少了56%、側向變形分別減小74.0%和82.5%。這說明采用泡沫輕質土作為拓寬路基填料，能夠有效減小拓寬路基面水平變形、沉降與差異沉降量。

【關鍵詞：】道路工程;路基拓寬;泡沫輕質土;離心試驗;數(shù)值模擬;沉降變形

U416.1+11A160494

0 引言

隨著我國經濟飛速發(fā)展，國民生活水平不斷提高，機動車保有量迅速增長，城鎮(zhèn)道路及高速公路交通流量趨于飽和，目前一般通過拓寬舊路路基以適應交通流量逐年上升的需求。舊路拓寬雖能有效緩解公路交通壓力，但由于新舊路基受力環(huán)境差異，導致二者極易出現(xiàn)差異沉降變形，引起路面開裂，降低駕駛舒適度和安全性[1-2]。

為降低路基拓寬工程中路面開裂對車輛運行的影響，相關學者對傳統(tǒng)工藝進行了改良。康笠[3]通過模型試驗對比碎石樁、土工格柵、CFG樁與無加固狀態(tài)地基沉降變形，發(fā)現(xiàn)采用CFG樁結合土工格柵的施工工藝能有效減少拓寬路基沉降。何敬晨等[4]對路基拓寬臺階尺寸方案進行了比選，提出一種大尺寸臺階施工工藝。傅珍等[5]通過土工離心試驗研究了不同加筋材料加筋拓寬路基時的差異沉降量，發(fā)現(xiàn)加筋能有效協(xié)調路基不均勻沉降。此外，還有學者提出通過提高壓實度、架設反壓護道等方法減少拓寬路基的差異沉降量[6-7]。但以上工藝存在施工復雜、周期長、經濟性差等問題。因此，有學者將具有輕質性、高流動性、施工便捷性等技術特點的泡沫輕質土引入路基拓寬工程作為拓寬區(qū)填料，并取得了一定的研究成果[8-11]。

雖然泡沫輕質土在公路路基拓寬工程中的應用越來越廣泛，但泡沫輕質土施工工藝、與傳統(tǒng)土石填料拓寬路基沉降變形差異性等方面還有待研究。因此，本文提出公路路基泡沫輕質土拓寬工藝，結合土工離心試驗和數(shù)值模擬技術，對比分析傳統(tǒng)填料與泡沫輕質土填料拓寬路基的沉降變形及水平位移分布規(guī)律，對泡沫輕質土在高速公路拓寬工程中的優(yōu)越性進行探討。

1 公路路基泡沫輕質土拓寬工藝

1.1 泡沫輕質土制備

泡沫輕質土制備工藝流程主要分為三步：（1）將水泥及其他改性材料（如粉煤灰、纖維等）與水混合攪拌形成水泥漿;（2）將水與發(fā)泡劑混合形成發(fā)泡液，發(fā)泡液通過壓縮空氣機與空氣混合后形成細密均勻的泡沫;（3）將上述第一步與第二步制備的水泥漿與泡沫進行混合攪拌，最終形成泡沫輕質土。

1.2 泡沫輕質土施工工藝

泡沫輕質土施工工藝流程主要包括：施工準備工作→澆筑模板安裝→泡沫輕質土泵送澆筑→養(yǎng)護作業(yè)。以下分別對各工藝流程進行闡述，重點說明各施工工藝控制要點。

（1）施工準備工作

場地清理后，進行既有路基臺階開挖，開挖應分段進行，避免一次性開挖后既有路基邊坡長期暴露而產生塌方等危險。保證各級臺階土體處于密實狀態(tài)，必要時可采用水泥砂漿對坡面進行初步加固，同時做好現(xiàn)場防排水等施工準備措施。

（2）澆筑模板安裝

準備工作結束后，架設泡沫輕質土澆筑模板以形成封閉的澆筑區(qū)域，模板應分段設置，避免單次澆筑距離過長。

（3）泡沫輕質土泵送澆筑

澆筑泡沫輕質土應分層、分段進行。單次澆筑高度宜控制在0.6～0.8 m，防止單次澆筑厚度過大導致泡沫輕質土塌縮、開裂;單次澆筑長度應根據(jù)泵送距離、澆筑厚度、設備生產能力等現(xiàn)場情況綜合確定。同時，單次澆筑面積宜控制在200～400 m2。此外，當泡沫輕質土澆筑長度較大時，應間隔10～15 m設置伸縮縫，縫寬≥10 mm，填縫材料宜采用泡沫板、擠塑板等。

（4）養(yǎng)護作業(yè)

泡沫輕質土泵送完成后，應及時進行覆膜保濕養(yǎng)護，避免內外溫差過大，導致泡沫輕質土產生開裂等問題，影響后期強度的形成。

2 泡沫輕質土拓寬路基變形研究方案

為研究采用泡沫輕質土作為拓寬區(qū)域填料時公路路基拓寬工程沉降及水平變形特性，本文通過室內土工離心試驗及計算機數(shù)值模擬方法，對比分析傳統(tǒng)填料與泡沫輕質土填料的路基拓寬工程效果。

2.1 室內離心試驗方案

分別建立由泡沫輕質土和傳統(tǒng)填料填筑而成的兩組離心試驗模型，其中采用泡沫輕質土填筑拓寬路基模型如圖1所示，泡沫輕質土濕密度為700 kg/m 另一組模型填筑與既有路基相同的傳統(tǒng)填料。兩組模型比例均為1∶80，制作于相同的模型箱內，模型箱尺寸為600 mm（長）×400 mm（寬）×400 mm（高）。兩組離心試驗模型除拓寬路基填料不同外，其余參數(shù)如地基土層厚度、新舊路基高度、基樁長度與間距、傳感器布置位置等均保持一致。

試驗模型建立過程主要包括軟土地基與既有路基建立和拓寬路基建立兩個步驟。

（1）軟土地基與既有路基模型的建立

軟土地基采用成都郊區(qū)軟黏土進行填筑，經測定其天然含水量為15.1%。為模擬地基土固結過程，首先對地基土開展離心試驗，具體操作如下：兩組試驗模型均先填筑厚度為35 cm的軟土，再放入離心機中以80 g離心加速度作用82 min，然后將模型箱從離心機中取出，挖除地基土表層，保留地基土厚度為20 cm，即模擬相當于原型16 m厚的地基土層。提取離心后的土體，經測試得到固結后地基土粘聚力和摩擦角分別為20.0 kPa和18.1°。

根據(jù)相似理論，本試驗采用PVC管模擬樁體，經計算后，樁體長度和直徑分別為125 mm和10 mm，PVC管壁厚1 mm，彈性模量為2.5 GPa。在固結后的軟黏土地基中開挖孔徑為10 mm的孔，然后將PVC管插入地基土層中，最后在樁頂鋪設碎石加筋墊層，墊層加筋材料和碎石分別采用棉質紗網(wǎng)和細砂進行模擬。既有路基模型采用重塑黏土，在外部特制鋼模中進行制作，測定其最優(yōu)含水量為16.5%，填筑壓實度≥0.96。隨后將制作完成的既有路基模型放在復合地基加筋墊層設計位置，再將路基模型整體放入離心機中，在離心加速度為20 g、40 g、60 g、80 g條件下分別旋轉21.6 min、5.7 min、2.4 min、1.4 min，模擬既有路基分層填筑過程，每層填筑時長為6 d。當離心機的離心加速度達到80 g后，繼續(xù)保持82 min，模擬既有路基填筑后放置1年，使路基壓密下沉且與復合地基固結沉降均趨于穩(wěn)定。

（2）拓寬路基模型的建立

路基拓寬部分分別采用泡沫輕質土與傳統(tǒng)土體填筑，即總共開展兩組離心模型試驗。每組完成上述步驟（1）軟土地基與既有路基建立后，將在外部特制模型槽內制作成型的拓寬路基模型放入既有路基模型側邊的拓寬區(qū)域。其中，泡沫輕質土在外部木板模型槽內澆筑成型，并覆膜保濕養(yǎng)護28 d。

將完成拓寬的路基整體模型再次放入離心機中，在離心加速度為80 g環(huán)境下繼續(xù)旋轉82 min，模擬兩組不同填料拓寬路基長期固結沉降過程。

兩組試驗模型建立過程中均安裝有沉降變形傳感器，試驗模型在離心機內加載過程中對其沉降變形進行測試采集。

2.2 數(shù)值計算模型

建立基于三維有限差分法的常規(guī)路基填料與泡沫輕質土填料拓寬路基數(shù)值模型，如圖2所示。該模型中既有路基和拓寬路基的長度與深度與離心模型原型中的長度與深度保持一致。為加快計算效率并基于幾何對稱性，模型僅模擬一側路基。在數(shù)值模型中只考慮拓寬路基自重，忽略交通荷載影響。

軟土與傳統(tǒng)土體均采用摩爾-庫侖本構模型，泡沫輕質土采用理想彈塑性模型。計算參數(shù)見表1。

模型橫向對稱面施加對稱約束，底部施加固定約束。數(shù)值模擬過程與離心試驗過程相同，因此可將數(shù)值計算模型加載全過程分為以下步驟：（1）軟土地基固結與既有復合地基固結;（2）拓寬路基施工與固結。將前一分析步結束的應力應變狀態(tài)作為下一分析步的初始狀態(tài)，對新舊路基施工及沉降全過程進行模擬。

3 結果分析

3.1 路基面沉降規(guī)律

由于拓寬路基填料自重的作用，既有路基不可避免地會產生新的沉降，且沉降量與新舊路基位置有關，越靠近拓寬路基一側的既有路基沉降量越大，如圖3所示。

由如圖3可知，離心模型實驗中，在拓寬區(qū)域采用泡沫輕質土填筑的條件下，路基面最大沉降量為23.8 mm（新舊路基界面），而采用傳統(tǒng)土體填筑最大沉降為43.3 mm（拓寬區(qū)域中部）;數(shù)值模擬分析結果分別為19.7 mm和44.8 mm。對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，采用泡沫輕質土填筑路基拓寬區(qū)域能夠有效減小新舊路基面的沉降量，相比于傳統(tǒng)填土拓寬路基，最大沉降量減小了45.0%（離心試驗）及56.0%（數(shù)值模擬）。

以上數(shù)據(jù)說明了采用泡沫輕質土填筑路基拓寬部分能夠充分發(fā)揮泡沫輕質土輕質的技術優(yōu)勢，減小新建拓寬路基自重，從而降低了因新建拓寬路基引起既有路基的沉降，對新舊路基之間差異沉降具有良好的控制作用，進而抑制新舊路基交接位置處路面結構開裂并減少后續(xù)維護工作量。

3.2 地基水平位移規(guī)律

通過對模型箱透明部分的定位標志進行測量，得到試驗完成后既有路基坡腳下和拓寬路基坡腳下地基水平位移量，同時將其與數(shù)值分析結果進行對比，并將其隨地基深度的變化規(guī)律繪制成圖，見圖4（負值表示地基土向既有路基側移動，正值表示地基土遠離既有路基）。

由圖4可知，在拓寬區(qū)填料自重荷載作用下，既有路基坡腳下地基土水平位移主要朝既有路基一側發(fā)展，隨地基深度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，最大水平位移為-13.4 mm;而新建拓寬路基坡腳下地基土水平位移隨地基深度增加而逐漸減小，最大水平位移發(fā)生在1.8 m深度處，為56.3 mm，數(shù)值模擬分析結果分別為-10.0 mm和48 mm。采用泡沫輕質土填筑時，既有路基坡腳最大水平位移為-5.3 mm，拓寬路基坡腳處最大水平位移為14.3 mm，數(shù)值模擬分析結果分別為-2.6 mm和8.4 mm。相較于傳統(tǒng)填料填筑的拓寬路基而言，離心試驗中泡沫輕質土路基最大水平位移分別減小了60.4%和74.6%，而數(shù)值分析結果中最大水平位移分別減小了74.0%和82.5%。這說明采用泡沫輕質土填筑拓寬路基可有效減小地基土的水平位移。若新建拓寬路基靠近既有建筑物時，可利用泡沫輕質土的輕質性，減小新建拓寬路基的自重，進而減小地基產生的水平位移，從而控制地基水平位移對既有建筑物或構筑物的影響。

4 結語

通過闡述公路路基泡沫輕質土拓寬工藝，開展離心模型試驗與數(shù)值模擬計算，對比研究了拓寬路基分別采用泡沫輕質土和傳統(tǒng)填土進行填筑條件下新舊路基沉降變形與側向變形特性，得出以下主要結論：

與傳統(tǒng)路基填料相比，泡沫輕質土填筑拓寬路基時的最大沉降量減小了45.0%（離心試驗）和56.0%（數(shù)值模擬）;既有路基坡腳下與拓寬路基坡腳下地基最大水平位移分別減小了60.4%和74.6%，數(shù)值模擬分析結果顯示最大水平位移分別減小了74.0%和82.5%。相關數(shù)據(jù)表明，采用泡沫輕質土填筑路基拓寬部分能夠充分發(fā)揮泡沫輕質土輕質的技術優(yōu)勢，減小因新建拓寬路基而引起既有路基的沉降和控制新舊路基之間的差異沉降量，降低地基土水平位移，從而降低拓寬路基對路面結構與既有構筑物的影響。

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