鐘飛祥

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

軟土地基因強(qiáng)度小、含水率高等特點(diǎn)給工程建設(shè)帶來過高的成本和困難，而泡沫輕質(zhì)土因具有施工簡便和質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，在軟土地基路基工程中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。本文結(jié)合某實(shí)際工程建立有限元數(shù)值模型，探討在軟土地基上填筑路基的過程和工后對地基和路基變形的影響，同時(shí)，進(jìn)一步探討施工參數(shù)對路基變形的影響，為類似工程提供參考。

1 數(shù)值模擬建立

1.1 工程概況

軟土是指沿海的濱海相、三角洲相、湖泊相、沼澤相和河流相等主要由細(xì)粒土組成的土，其具有孔隙比大(一般>1)、天然含水率高、壓縮性大和強(qiáng)度低等特點(diǎn)。某公路路基工程的路線穿越多段軟土區(qū)域，為了控制路基過大沉降和不均勻沉降變形的問題，采用泡沫輕質(zhì)土填筑路基，對其進(jìn)行分層澆筑，每層澆筑厚度為0.8～1.0 m，路基路面寬度為26 m。軟土地基上填筑泡沫輕質(zhì)土材料形成的路基，其道路結(jié)構(gòu)如圖1所示，路基填筑高度為8 m(包含路面)，路基邊坡坡度為1∶1.5，在輕質(zhì)土路基與淤泥質(zhì)土間鋪設(shè)一層0.3 m的細(xì)砂土。地基-路基結(jié)構(gòu)總共分為7層，自下而上分別為粉質(zhì)黏土(厚度為11 m)、砂性土(厚度為8 m)、粉土(厚度為11.5 m)、普通填土(厚度為10 m)、淤泥質(zhì)土(厚度為9.5 m)和泡沫輕質(zhì)土(厚度為7.2 m)及路面(厚度為0.8 m)。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS對軟土地基上填筑路基施工工程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。同時(shí)，為了消除邊界條件對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，本文結(jié)合圣維南原理建立二維平面應(yīng)變的數(shù)值模型，其地基模型長寬分別為100 m和50 m，劃分網(wǎng)格類型為CPE4R的平面應(yīng)變單元，總共3 126個(gè)單元和3 541個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，具體計(jì)算模型如圖2所示。仿真模擬嚴(yán)格按照實(shí)際施工進(jìn)行，即進(jìn)行分層填筑模擬，本次計(jì)算分為8層填筑。

圖1 地基-路基結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 地基-路基有限元數(shù)值計(jì)算模型圖

1.3 本構(gòu)參數(shù)選取與地應(yīng)力的平衡

為了提高計(jì)算效率，在滿足工程精確度的前提下，對本次數(shù)值計(jì)算做出如下的合理假設(shè)：

(1)路面材料服從線彈性，粉質(zhì)黏土、砂性土、粉土、普通填土和泡沫輕質(zhì)土材料服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，地基土層中地下水滲流規(guī)律符合達(dá)西滲透定律。

(2)路基填筑高度為1 m/層，在數(shù)值計(jì)算中分8層進(jìn)行施工填筑。

(3)地基土與輕質(zhì)土填料力學(xué)參數(shù)不隨施工的進(jìn)行而變化。

(4)泡沫輕質(zhì)土路基填筑屬于平面應(yīng)變問題。

含水率較高的淤泥質(zhì)土，具有壓縮模量高及孔隙比大等特點(diǎn)，而劍橋模型可以考慮高含水率土體在受自重及外部附加荷載下，其固結(jié)排水狀態(tài)下的工作性狀。對此，本文對淤泥質(zhì)土選用劍橋模型(表1)進(jìn)行分析，而路面結(jié)構(gòu)采用線彈性模型計(jì)算，其余材料均采用Mohr-Coulomb模型(表2)。

表1 劍橋塑性模型軟土材料計(jì)算參數(shù)表

其中，λ為塑性體積模量對數(shù)，K為土體彈性對數(shù)體積模量，M為土樣應(yīng)力比,e1為孔隙比，k為滲透系數(shù)。

表2 地基-路基結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)計(jì)算參數(shù)表

此外，在實(shí)際工程中，地基土體在被擾動前其內(nèi)部往往存在應(yīng)力而不發(fā)生位移，即地質(zhì)經(jīng)過長期的演化，使得土體在重力作用下存在著自重應(yīng)力而無位移狀態(tài)，因此在數(shù)值計(jì)算前有必要進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

在軟土地基上填筑而成的路基，工程界更注重其豎向沉降的變形。為此，進(jìn)一步分析泡沫輕質(zhì)土路基澆筑過程和工后的沉降變形，如圖3所示為泡沫輕質(zhì)土澆筑路基施工工后的沉降云圖。

由圖3可知，最大沉降值并沒有出現(xiàn)在路基表面，而是出現(xiàn)在工后填筑的路堤第一層填土及其以下的地基土，其值為12.31 cm。該現(xiàn)象主要緣于土體骨架含有大量的水，在填土的快速填筑下，地基上部受到附加荷載作用使地基土體內(nèi)部的水無法及時(shí)排出，而是隨著荷載繼續(xù)增加，其內(nèi)部的水通過孔隙向四周消散，使原地基土逐漸趨向于穩(wěn)定，因此造成原地基表面和附近的輕質(zhì)土填料沉降最大，而靠近路基頂面的輕質(zhì)土路基短期內(nèi)沒有發(fā)生大的沉降。

圖3 泡沫輕質(zhì)土澆筑路基工后豎向沉降云圖

2.1 地基表面沉降分析

分別提取每層泡沫輕質(zhì)土填筑完成后地基表面的沉降值進(jìn)行分析，以路基中心線作為橫坐標(biāo)的中線，沉降值作為縱坐標(biāo)，具體如圖4所示。

圖4 每層輕質(zhì)土填筑完成后地基表面沉降值變化曲線圖

由圖4可知，每層泡沫輕質(zhì)土澆筑完成后，地基表面的兩側(cè)沉降值與地基中心線呈近似對稱。其中，地基表面的最大沉降均發(fā)生于其中心，第一層至第八層澆筑完成時(shí)，地基最大沉降值分別為-1.55 cm、-2.836 cm、-4.127 cm、-5.386 cm、-6.599 cm、-7.754 cm、-8.787 cm、-12.31 cm，兩兩之間的沉降值分別增大45.3%、31.3%、23.4%、18.4%、14.9%、11.8%、28.6%。

2.2 泡沫輕質(zhì)土密度對路基變形的影響

泡沫輕質(zhì)土密度直接決定地基的附加荷載值大小。根據(jù)有關(guān)研究，泡沫輕質(zhì)土的密度可控制在300～1 600 kg/m3，且泡沫輕質(zhì)土密度增大，相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)也增大。基于此，在改變泡沫輕質(zhì)土密度量值后也應(yīng)相應(yīng)地改變其強(qiáng)度參數(shù)值，再進(jìn)行計(jì)算，并討論泡沫輕質(zhì)土密度分別為400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3時(shí)對路基的變形影響情況。如下頁圖5所示為不同輕質(zhì)土密度下工后路面的沉降曲線。由圖5可知，密度的增大引發(fā)路面沉降值的增大。其中，輕質(zhì)土密度分別為400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3時(shí)，路面的最大沉降值分別為-34.06 mm、-34.84 mm、-35.26 mm。其中，密度為400 kg/m3和500 kg/m3之間的最大沉降值減少率分別為2.24%和1.2%。

圖5 不同輕質(zhì)土密度下工后路面沉降曲線圖

2.3 施工填筑速率對路基變形的影響

研究表明，路基填筑速率是影響其工后沉降的主要因素之一。通過改變數(shù)值模擬中有限元軟件分析的時(shí)間增量，并模擬路基填筑速率分別為0.5 m/d、1.0 m/d、1.5 m/d時(shí)的工況，再提取工后路面的豎向位移值進(jìn)行比較。其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 填筑速率-路面沉降曲線圖

由圖6可知，路面沉降隨路基高度的填筑速率增大而增大，在填筑速率分別為0.5 m/d、1.0 m/d、1.5 m/d時(shí)，路面的最大沉降位移分別為-28.16 mm、-34.84 mm、-43.07 mm，兩兩之間路面的最大沉降值增長率分別為19.2%和19.1%，路面橫向沉降差異分別對應(yīng)的值為5.32 mm、6.57 mm、8.11 mm。由此可見，控制路基高度的填筑速率對路基路面的沉降和不均勻沉降變形能起到一定的抑制作用，因此，在軟土地基上填筑路基，在不考慮工期的情況下，可適當(dāng)調(diào)整路基的填筑速率。

3 結(jié)語

本文通過有限元數(shù)值計(jì)算，模擬了軟土地基上泡沫輕質(zhì)土路基的施工填筑過程，得到了路基施工填筑期間和工后的變形規(guī)律。同時(shí)，還探討了施工參數(shù)和泡沫輕質(zhì)土材料參數(shù)對路基路面的變形影響。

(1)在施工期間和工后，地基表面的最大沉降均發(fā)生于地基中線處，且沉降值隨著填筑高度的增加而增加。

(2)同一斷面軟土地基上的泡沫輕質(zhì)土路基橫向差異沉降值隨路基填筑高度先增加而增大，在抵達(dá)一定值后其值又逐漸減小。

(3)泡沫輕質(zhì)土的填筑速率對軟土地基上的路基路面沉降值影響很大，其中，不同的填筑速率對路面沉降值的影響最大相差達(dá)19.2%；泡沫輕質(zhì)土的密度對路基路面的沉降值影響較小，就輕質(zhì)土密度分別為400 kg/m3和500 kg/m3的情況而言，兩兩之間對路面的沉降值僅相差2.24%。