張闖 余洋 楊淑娟 岑業(yè)波

摘要 隨著城市交通的快速發(fā)展，城市道路改擴建工程量加大，為減少對地鐵結構附加應力與擾動，輕質材料EPS被廣泛應用于地鐵上方道路的填筑。文章依托楊高中路（中環(huán)立交—金海路）改建工程路，通過室內試驗、現場監(jiān)測與有限元仿真，分析地鐵上方機動車道EPS的填筑效果。結果表明：EPS具有超輕性、良好的壓縮性和疲勞特性；EPS填筑能顯著減小路基內的車輛附加應力，減小對地下結構的影響；施工時老路基開挖與EPS填筑對地鐵結構的影響很小，不會影響地鐵的正常運營；運營期間EPS拓寬路基的工后沉降量較小，且隨時間趨于穩(wěn)定。

關鍵詞 EPS路基；路用性能；路基結構響應；地鐵變形；填筑效果

中圖分類號 U213.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0093-04

0 引言

土工泡沫塑料，也稱發(fā)泡聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS）是一種具有蜂窩狀封閉結構的高分子土工合成材料。EPS由于獨特的封閉空腔結構，具有超輕性、化學穩(wěn)定性、自立性、施工便捷性等特點。因此，常用作輕質填料，以解決擋土墻結構的回填、軟弱地基上修筑道路的過度沉降以及新老路基的差異沉降等問題^[1]。

EPS在國外道路工程中的應用最早可追溯到20世紀50年代，德國進行的一項調查中評估了EPS用作路面隔熱材料的適用性^[2]。隨后，挪威、日本逐漸加大EPS的研究與推廣，將EPS用于軟基的橋臺、路基填筑等領域^[3]。國內對EPS的試驗研究和工程應用要略遲于國外。1993年，白冰等提出在結構物頂部鋪設EPS層可以減少不均勻沉降引起的附加應力與結構縱向開裂^[4]。隨后，杜騁、凌建明等通過室內試驗，對EPS的壓縮、蠕變、強度等特性進行了探究與規(guī)律分析^[5-6]。鄭慧振、陳志芳探究了EPS在軟土地基路基拓寬工程、橋頭跳車防治與城市快速路的應用^[7-8]。

近年來，隨著城市交通快速發(fā)展，城市道路改擴建工程與既有地鐵結構難以避免地存在空間重疊問題。地鐵上方的道路改建工程應盡量減少對地鐵結構的附加應力與變形擾動，EPS被廣泛應用于地鐵上方道路的填筑^[9]。但是，目前對于施工期與運營期地鐵上方EPS對地鐵的影響與填筑效果研究較少。

該文依托上海市地鐵9號線上的楊高中路（中環(huán)立交—金海路）改建工程，首先通過室內試驗確定EPS的密度、強度、疲勞特性等，根據現場試驗與有限元仿真，從行車荷載下EPS拓寬路基內部的附加應力、EPS填筑前后的地鐵結構的變形、EPS拓寬路基的工后沉降等角度探究了地鐵上方EPS填筑效果。

1 EPS路用性能

1.1 密度

采用電熱絲將EPS塊體切割成50 mm×50 mm×50 mm立方體試件，把試件放入60 ℃烘箱烘24 h，取出后用毫米刻度尺測量幾何尺寸，長、寬、高均精確到0.1 mm，然后用電子天平稱其質量，計算出密度。試驗結果表明，現場所用EPS塊體的密度為38.3 kg/m3，大約是土的1/50～1/100。

1.2 壓縮性

通過對EPS試件單軸壓縮試驗可得到應力—應變曲線，如圖1所示。由圖可知，當壓縮應變ε≤1%時，EPS塊體的應力與應變呈現良好的線性關系。文獻^[6]中的結論為在壓應變不超過0.8%～2%時，材料處于線彈性變形階段，與該文結果一致。為避免運營期行車荷載對EPS塊體產生塑性變形，EPS的抗壓強度設計取值應為EPS處于彈性變形范圍內時允許的最大壓應力。因此，依托工程現場所用EPS的抗壓強度不應小于120 kPa。

1.3 疲勞特性

EPS塊體在不同應力水平下荷載作用次數與壓應變的關系曲線，如圖2所示。關系曲線主要呈現兩種類型：①當應力水平≤0.43時，隨著荷載作用次數的變化，EPS塊體始終處于彈性變形范圍，卸載后EPS的變形回彈至原位；②當應力水平≥0.53時，隨著荷載作用次數的增加，EPS塊體出現塑性位移；且當應力水平高于閾值時，隨著應力水平的增加，EPS發(fā)生破壞的荷載作用次數逐漸降低。不同應力水平下，壓應變和荷載作用次數之間可采用指數或冪函數進行表示，如表1所示。

2 有限元仿真模型

2.1 幾何模型和材料參數

根據施工圖冊與現場傳感器埋設位置，選定交叉口范圍內的挖方路基（路面結構新建）新老路基搭接填筑結構，如圖3所示。考慮應力擴散作用，道路有限元模型縱向（沿行車方向）取20 m，同時為了避免邊界效應的影響，橫向（垂直行車方向）在機動車道（3.5 m×4）兩側依據現場情況分別設置3.5 m的非機動車道和中央分隔帶。

2.2 荷載模型與參數

在每個車道施加道路設計標準軸載：BZZ-100型標準車，荷載集度為q=0.7MPa，輪胎作用范圍為單量圓直徑d=21.3 cm，雙輪間距1.5 d。有限元軟件分析中圓形在網格劃分時效果較差，為了提升網格劃分效果，將輪印假定為矩形。矩形輪印的長度a與寬度b采用等效面積進行計算。

a=0.871 2L （1）

b=0.6L （2）

式中，a——矩形輪印的長度（m）；b——矩形輪印的寬度（m）。計算得L=0.261 1 m，則a=0.227 5 m，b=0.156 6 m。

2.3 邊界條件和單元類型

三維道路有限元模型中X方向代表道路橫向（垂直行車方向），Y方向代表道路縱向（沿行車方向），Z方向代表路基路面結構的豎方向。模型四面約束法向位移，底面約束所有自由度，與車輪接觸面施加荷載。為了防止邊界約束對動態(tài)力學響應的影響，加載位置距縱向前后兩端邊界各10 m，網格劃分時有限元單元類型采用C3D8R，具體模型如圖4所示。

2.4 現場試驗與模型驗證

在EPS填筑范圍內最靠近中央分隔帶的機動車道4上埋設土壓力盒，如圖5所示。其中土壓力盒1埋設在開挖路基頂部的黃沙層內，土壓力盒2埋設在EPS層頂部。后續(xù)開放交通發(fā)現土壓力盒2損壞。故只監(jiān)測土壓力盒1的數據變化值，與模型計算得到的豎向附加應力峰值進行對比。如圖6所示，小轎車和貨車產生的豎向附加壓應力仿真值在實測均值附近，故認為模型可行。

3 結果與討論

3.1 行車荷載作用下EPS拓寬道路的結構響應

不同深度處豎向附加應力的橫向分布，如圖7所示。由圖7（a）可知，路面結構層中的豎向附加壓應力在每個車道內呈現單峰特征，峰值位置為車輛荷載的中心線。在EPS層頂（z=0.88 m），仍能觀察到每個車道明顯的波峰，同時也能觀察到老路基與EPS層、黃沙層分界處出現的應力集中現象。隨著距路表深度的增加，在應力擴散作用下應力波峰逐漸減緩，路基1 m（z=2.38）以下應力波峰已經不明顯。

圖7（b）表明，在EPS層和黃沙層，由于機動車道1和機動車道2之間存在老路基與EPS、黃沙的分界，機動車道4存在EPS、黃沙與中央分隔帶的分界，因此存在一定的應力集中現象導致機動車道1和4的豎向附加壓應力最大值較機動車道2和3存在突變。其中EPS層頂位置機動車道1～4的豎向附加壓應力最大值分別為4.53 kPa、4.73 kPa、4.87 kPa和4.64 kPa。而常規(guī)路基材料在標準軸載下路基頂面的豎向附加壓應力為7～12 kPa。因此，EPS填筑能有效降低路基內部車輛附加應力。黃沙層以下隨著距路表深度的繼續(xù)增加，豎向附加壓應力繼續(xù)減小，但減小的速度放緩。

3.2 填筑前后地鐵結構變形

取填筑下方附近100 m范圍內地鐵上、下行線的地鐵結構變形測點數據。每個測點間距10 m，共包含40個測點。地鐵結構變形包括垂直位移（沉降）與水平位移（收斂）。沉降與收斂的報警值均為5 mm，如圖8所示?？梢钥闯?，填筑前后地鐵結構的沉降與收斂變形在3 mm以內，小于報警值。這說明老路基開挖與EPS填筑對地鐵的影響很小，不會影響地鐵的正常運營。

3.3 EPS拓寬道路路表工后沉降

依托工程EPS拓寬路段于2022年11月通車，此后每個月對路表沉降進行一次監(jiān)測。測點位于EPS填筑的機動車道上方，共計3個測點，每個測點間距10 m。通車后EPS填筑段路表累積沉降曲線，如圖9所示。由圖可以看出，隨著時間推移，沉降逐漸趨于穩(wěn)定，在通車后第4個月沉降速率小于5 mm/月，早期的沉降主要來自EPS自身壓縮^[9]。通車9個月后EPS填筑效果良好，累積沉降2～3 cm，小于《上海道路路基設計規(guī)范》中規(guī)定的城市主干路20 cm的工后沉降閾值。此外，沉降新老路基結合部分未出現明顯的不均勻沉降或開裂現象。

4 結論與展望

（1）當壓縮應變ε≤1%情況下EPS塊體其應力與應變均呈現出很好的線性關系；當應力水平達到0.53的閾值，EPS塊體在重復荷載作用下出現塑性破壞。

（2）EPS層頂豎向附加壓應力最大值僅為4.87 kPa，約為常規(guī)路基材料結構內部附加壓應力的1/2。這表明EPS填筑能顯著減小路基內的車輛附加應力，減小對地下結構的影響。

（3）EPS填筑前后地鐵結構的沉降與收斂變形在3 mm以內，小于報警值。這說明老路基開挖與EPS填筑對地鐵的影響很小，不會影響地鐵的正常運營。

（4）運營9個月后EPS拓寬路基的工后沉降，隨時間逐漸趨于穩(wěn)定，累積沉降在2～3? cm，遠小于規(guī)范中20 cm的閾值，填筑效果良好。

參考文獻

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[9]張勇. 地鐵工程上覆樞紐道路輕質路基材料研究與工程應用[D]. 南京：東南大學， 2022.

收稿日期：2023-10-14

作者簡介：張闖（1990—），男，本科，工程師，研究方向：市政公用工程。