楊云朋，符仁建，馮陸軍，江可彬

(南通理工學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226000)

0 引言

聚苯乙烯泡沫顆粒(EPS)具有質(zhì)量輕、保溫隔熱、防水、耐酸耐堿、減震性能好等優(yōu)點(diǎn)，其與原料土、固化劑、摻合料和水混合制成的EPS輕質(zhì)土在軟弱地基處理、橋頭跳車、拓寬填土施工和管道填埋等巖土工程中具有十分重要的應(yīng)用[1]。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)EPS輕質(zhì)土的物理力學(xué)性能進(jìn)行了廣泛的研究，取得了豐碩的成果：Tiwari等[2]研究了基于膨脹土的EPS輕質(zhì)土最優(yōu)含水量、最大干密度、級(jí)配、液限、塑限、壓縮模量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等多項(xiàng)物理力學(xué)性能，確定了EPS顆粒摻量的最大限度為1%；Chenari等[3]研究了土工格柵增強(qiáng)的砂性EPS輕質(zhì)土界面特性，得到了法向應(yīng)力，循環(huán)剪切振幅和循環(huán)次數(shù)對(duì)界面剪切剛度和阻尼比的影響規(guī)律；梅利芳[4]通過(guò)密度試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、XRD試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)研究了改性聚丙烯纖維對(duì)EPS輕質(zhì)土物理力學(xué)性能的影響規(guī)律；侯天順等[5]通過(guò)對(duì)素土和EPS輕質(zhì)土開(kāi)展室外擋土墻模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)EPS輕質(zhì)土可以大大減小墻后靜止土壓力、靜止土壓力系數(shù)以及豎向沉降量。

加筋土是指在土中加入條帶、纖維或者網(wǎng)格等筋材，其對(duì)巖土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有較大的提高，其中土工格柵憑借著自身抗拉強(qiáng)度高、韌性大和整體性好的優(yōu)點(diǎn)可以有效地提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少路基的不均勻沉降[6]。Ahmad等[7]通過(guò)縮尺模型研究了靜載作用下土工格柵加固土路基的強(qiáng)度特性，并通過(guò)一系列數(shù)值模擬分析了土工格柵的強(qiáng)度和層數(shù)對(duì)路基整體性能的影響規(guī)律；Singh等[8]提出兩種預(yù)測(cè)模型通過(guò)輸入加固/未加固截面、加固深度、液限、塑性指數(shù)、最優(yōu)含水量、最大干密度和浸泡/未浸泡條件這八個(gè)輸入?yún)?shù)得到土工格柵加固后路基土的加州承載比(CBR)，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；高海軍等[9]通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)研究不同荷載強(qiáng)度下試樣動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變等指標(biāo)的變化規(guī)律，并且通過(guò)數(shù)值模擬分析了循環(huán)荷載作用下加筋土路基工程的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制；趙志東[10]分析了土工格柵加筋碎石墊層軟基加固機(jī)理，分析了地基承載力試驗(yàn)結(jié)果和沉降觀測(cè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)土工格柵加筋處理后的地基承載力顯著提高。

沿江沿海地區(qū)廣泛分布著高含水量和高壓縮性的軟土[11]，在路基路面工程中，容易產(chǎn)生路基沉降、邊坡失穩(wěn)等問(wèn)題[12]。為有效地解決軟土地區(qū)路基變形過(guò)大的問(wèn)題，本文采用EPS輕質(zhì)土作為輕質(zhì)填料來(lái)減輕上覆土自重并通過(guò)鋪設(shè)土工格柵對(duì)路基土進(jìn)行加筋強(qiáng)化。使用ABAQUS有限元軟件模擬分析了加筋EPS輕質(zhì)土路基的豎直沉降和水平位移的變化規(guī)律，為加筋EPS輕質(zhì)土在軟土地區(qū)路基工程中的應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

本文采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行普通填土路基、EPS輕質(zhì)土路基、加筋土路基和加筋EPS輕質(zhì)土路基的數(shù)值模擬與對(duì)比分析。為方便分析，本文對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化：1)本次模擬采用平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析，鑒于實(shí)際工程的對(duì)稱性，本文取路基的一半進(jìn)行建模分析；2)地基土均視為連續(xù)均質(zhì)材料；3)不考慮土體排水固結(jié)，采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析。本文計(jì)算采用的路基模型頂部設(shè)計(jì)寬度為20 m，路基填土層厚度為3 m，路基邊坡坡度為1∶1.5，土工格柵鋪設(shè)于0.2 m厚的砂墊層上，材料厚度為25 mm，具體計(jì)算模型如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示，參考相關(guān)資料[13]及南通沿海地區(qū)某工程土層參數(shù)，本文各層材料參數(shù)取值如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

考慮前期地基自重對(duì)模型的影響，首先通過(guò)有限元軟件“生死單元”功能將路基路面層“殺死”，對(duì)地基進(jìn)行地應(yīng)力平衡處理，然后再依次分層對(duì)已“殺死”的單元進(jìn)行激活，從而模擬路基路面分層澆筑的過(guò)程，分析各工況下路基自重作用下的豎直沉降和水平位移的變化規(guī)律。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 路基整體沉降云圖分析

圖3分別為普通填土路基、EPS輕質(zhì)土路基、加筋土路基和加筋EPS輕質(zhì)土路基的沉降云圖，由圖3可知，路基的最大沉降并非發(fā)生在路基表面，而是發(fā)生在路基基底附近。其中，采用普通填土填筑時(shí)，最大沉降值為146.1 mm，采用EPS輕質(zhì)土填筑時(shí)，最大沉降值為81.3 mm，相比普通填土減少44.4%；采用加筋填土填筑時(shí)，最大沉降值為145 mm，相比普通填土減少0.8%；采用加筋EPS輕質(zhì)土填筑時(shí)，最大沉降值為80 mm，相比普通填土減少45.2%?？梢?jiàn)，采用EPS輕質(zhì)土可以減輕上覆土的自重，有效地降低路基的最大沉降變形，而加筋土并沒(méi)有減輕上覆土的自重，故對(duì)路基的最大沉降變形影響并不明顯。

2.2 路基施工基底沉降規(guī)律分析

圖4分別為普通填土路基、EPS輕質(zhì)土路基、加筋土路基和加筋EPS輕質(zhì)土路基各施工階段基底沉降分布圖，可以看出，各種路基的沉降規(guī)律基本一致，路基中線的位置沉降最大，隨著距離中線位置越遠(yuǎn)沉降逐漸減小，在路基邊坡坡肩范圍內(nèi)，沉降值減小幅度較小，在路基邊坡坡肩到坡腳范圍內(nèi)，沉降值大幅度減小，當(dāng)距離超過(guò)路基邊坡坡腳范圍過(guò)后，沉降值為正，地基土出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。四種路基的沉降值和回彈值都隨路基分層施工的進(jìn)行逐漸增大，普通填土路基、EPS輕質(zhì)土路基、加筋土路基和加筋EPS輕質(zhì)土路基的路基中線的沉降值分別為142.8 mm,79.8 mm,141.9 mm和78.7 mm，數(shù)值與整體路基最大沉降值非常接近，說(shuō)明路基的最大沉降發(fā)生在路基基底中心附近；采用普通填土填筑時(shí)，最大回彈值為4.11 mm，采用EPS輕質(zhì)土填筑時(shí)，最大回彈值為2.23 mm，相比普通填土減少45.7%；采用加筋填土填筑時(shí)，最大回彈值為3.80 mm，相比普通填土減少7.5%；采用加筋EPS輕質(zhì)土填筑時(shí)，最大回彈值為2.05 mm，相比普通填土減少50.1%，可見(jiàn)，采用EPS輕質(zhì)土填筑可以大幅度地減小路基范圍外地基土的隆起，采用加筋土填筑可以減小少部分路基范圍外地基土的隆起。

2.3 路基坡腳水平位移分析

路基邊坡坡腳的水平位移是反映路基邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，圖5所示為普通填土路基、EPS輕質(zhì)土路基、加筋土路基和加筋EPS輕質(zhì)土路基邊坡坡腳的水平位移分別在第一層路基、第二層路基、第三層路基和路面結(jié)構(gòu)層澆筑完成時(shí)變化規(guī)律，四種路基的邊坡坡腳水平位移都隨路基分層施工的進(jìn)行逐漸增大。其中，采用普通填土填筑時(shí)，最終坡腳水平位移為28.9 mm，采用EPS輕質(zhì)土填筑時(shí)，最終坡腳水平位移為14.8 mm，相比普通填土減少48.8%；采用加筋填土填筑時(shí)，最終坡腳水平位移為7.5 mm，相比普通填土減少74%；采用加筋EPS輕質(zhì)土填筑時(shí)，最終坡腳水平位移為3.8 mm，相比普通填土減少86.9%?？梢?jiàn)，EPS輕質(zhì)土和加筋土都能有效地降低路基邊坡坡腳的水平位移，其中，采用加筋土可以大幅度降低路基邊坡坡腳的水平位移，降低幅度比采用EPS輕質(zhì)土還大25.2%，說(shuō)明加筋土對(duì)路基的水平方向的約束較為突出，綜合采用加筋EPS輕質(zhì)土路基，不僅可以降低路基豎直方向的沉降，更能夠大幅度減小路基邊坡坡腳水平方向的位移，極大地提高了路基邊坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文使用ABAQUS有限元軟件模擬分析了普通填土路基、EPS輕質(zhì)土路基、加筋土路基和加筋EPS輕質(zhì)土路基分別在第一層路基、第二層路基、第三層路基和路面結(jié)構(gòu)層澆筑完成后的豎直沉降和水平位移的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)路基沉降最大值發(fā)生在路基基底附近，基底中間的位置沉降最大，隨著距離中間位置越遠(yuǎn)沉降逐漸減小，在路基邊坡坡肩范圍內(nèi)，沉降值減小幅度較小，在路基邊坡坡肩到坡腳范圍內(nèi)，沉降值大幅度減小，當(dāng)距離超過(guò)路基邊坡坡腳范圍過(guò)后，沉降值為正，地基土出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。

2)EPS輕質(zhì)土減輕了路基填土的自重，有效地降低了路基的豎直沉降和水平位移，相比普通填土路基，EPS輕質(zhì)土路基的最大豎直沉降值和坡腳水平位移分別降低44.4%和48.8%。

3)加筋土路基并沒(méi)有減輕路基填土的自重，對(duì)路基基底的豎直沉降影響并不明顯，但加筋土對(duì)路基填土的水平位移約束十分顯著，相比普通填土路基，加筋土路基的坡腳水平位移降低74%。

4)加筋EPS輕質(zhì)土路基充分利用了EPS輕質(zhì)土自重輕的特點(diǎn)以及加筋對(duì)土體水平方向變形的約束作用，相比普通填土路基，加筋EPS輕質(zhì)土路基的最大豎直沉降值和坡腳水平位移分別降低45.2%和86.9%，優(yōu)化效果顯著。