泡沫轻质土替换软土地基的对比应用研究

吴　蔚　齐　甦

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉　430074)

泡沫轻质土替换软土地基的对比应用研究

吴蔚齐甦

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074)

摘要:针对在软基上修建路堤因差异沉降引起的桥头跳车等问题，通过开展泡沫轻质土在公路工程中的应用研究，对该方法的工程沉降进行有限元数值模拟，并运用工程完工后沉降监测数据加以验证，表明泡沫轻质土为此类问题的解决提供一种新的技术手段，对我国的公路建设具有积极意义。

关键词:软土地基，泡沫轻质土，沉降，有限元模拟

潜江至石首高速公路潜江至江陵段总体呈北南走向，起于潜江市浩口镇以西与汉宜高速交叉，途经张金、白马寺、熊河、郝穴等镇，终点与石首长江公路大桥北岸接线对接，路线全长42.233 km。项目的主要难点在于项目段软基分布广、取土困难、工期紧、造价控制严，桥涵、挡墙等结构物多，如果施工处理不佳造成差异沉降过大，就可能引起桥头跳车、桥台桩基侧移、路面开裂破坏、路堤失稳等问题。对于此类问题的防治虽有多种技术措施，但均有一定的适用性与局限性。例如:传统的各种软基处理法多是从提高地基承载力的角度上下工夫，而减轻填土荷载的研究则较少，即使采用类似水泥搅拌桩这样的复合地基处理类似的深厚软基，因处理深度无法达到附加应力的作用深度，依旧难以避免工后沉降的发生。为解决这些问题，现采用现浇泡沫轻质土路基进行试验性施工，探索现浇泡沫轻质土技术在本项目及湖北公路建设中的应用可行性，为软土地基分布广泛、取土困难、工期紧张的类似项目提供一种解决思路。

1　工程段工程地质条件

潜江至石首高速公路中潜江至江陵段路线主要跨越平原地貌单元，沿线地势起伏较小，工程地质水文地质条件较简单，不良地质主要表现为软土路基。根据地勘揭示，软土试验段桩号范围为K6 +980～K7 +460，地质钻孔位于K7 +457处，由上而下土层分别为粉土、淤泥、淤泥质粘土、细砂、细砂等。沉降计算的典型地层和路堤结构如图1所示。

图1　勘探孔地层分布示意图

2　数值模拟计算分析

2.1有限元模型的建立

在计算中，用有限元模型模拟了细砂以上的土层，并在沿桥的轴线方向以桥台壁厚的中线为中线前后模拟了50 m的长度。具体边界条件如下: 1)底部:不透水，且约束了竖直位移; 2)左右:仅约束边界节点的水平方向的位移; 3)桩基的单元:约束底部水平和竖直方向的位移; 4)由于有限元模型中有不同的土层，为了简化计算，在此我们没有引入界面接触单元，而是简单地将不同土层的交界面处的位移处理为连续的; 5)对于各交界面，如桥台与地基土、桥台与泡沫轻质土、泡沫轻质土与地基土，则设置弹簧来考虑它们之间的相互作用，弹簧设置的原则为两种材料不能互相侵入，其他方向没有相互作用力。

2.2参数取值

材料参数取值见表1。

表1　材料参数取值表

2.3模拟计算及节点划分

软土的沉降变形过程是一个十分复杂的时间历程，综合考虑桥台结构、桥台桩基、路基填土、软土之间的相互作用和总计算工作量，取50年。

图2　有限元网格

为了使模拟的工况尽可能与实际相吻合，本数值模拟方案与原设计方案和新轻质土施工方案一致，分台背填筑常规填土(下称常规工法)和填筑轻质土(下称轻质土工法)两种:

1)常规工法: a.填土预压; b.软基在填土预压下固结并开始对沉降进行监控量测; c.单月的总沉降量小于3 cm时，实施桩基和桥台的施工; d.路面铺装施工，继续监测至地基稳定。2)轻质土工法:对于桥头软土路段台后30 m范围内地面线以下反挖一定深度后，采用现浇泡沫轻质土填筑至路面结构层底，从而有效控制台后沉降;对于其余一般软土路段，先填筑一定高度的常规路基，再浇筑现浇泡沫轻质土至路面结构层底。如图2所示，计算采用的有限元网格共使用5 612个四节点平面应变单元、梁单元和弹簧单元，其中部分带有节点孔隙压力自由度。

2.4计算结果及分析

计算输出结果为填土预压后第50年的相关成果。下面分别介绍并分析。

1)变形。变形图及其特征见图3。由图3可知，当土体变形达到稳定后，两种施工方法的变形完全不同: a.常规工法中，桥台和台背填土之间沉降差达到21 cm，容易造成桥头跳车等工程病害问题; b.轻质土工法中，桥台和台背轻质土之间沉降差仅为6 cm，沉降量较小，易于在工程后进行相关治理; c.台背轻质土发生了向着远离桥台方向的旋转，在桥台顶处轻质土与桥台之间分开了约4 cm，这表明在实际施工中需要考虑该处设置变形缝以应对可能产生的工程质量问题。

图3　各变形图

2)地面总沉降。如图4所示，两种工法在沿路基中线纵向分布地面总沉降有如下特征: a.对于台前总沉降，两种施工方法没有明显差距; b.对于台后的总沉降，轻质土工法比常规工法普遍小15 cm～30 cm左右，这正是桥头跳车的发生地段; c.随着距离增大，台背后两种工法的总沉降逐步趋于一致。

图4　纵向总沉降曲线图

3　监测数据分析

沉降监测主要为路基和台背两个监测断面的沉降监测。两个监测断面的沉降时程曲线绘于图5。由图5可知，轻质路堤的路基沉降表现出如下特点: 1)路基的沉降与荷载的增长基本同步，随荷载的增长而增长，道路通车后，路基的工后沉降很小。2)泡沫轻质土浇筑施工早期，路基的沉降增长较快，主要是早期土体温度较高，泡沫轻质土对基底软土产生挤压作用，表现为路基的沉降增长较快。3)施工期轻质路堤台背段的沉降量小于路基段，工后台背段的沉降量大于路基段。4)轻质路堤的施工期和工后沉降量都很小，累计沉降最大值为46 mm。

图5　横断面K7+025，K7+000路基累计沉降时程曲线（2015年）

4　结论与建议

从前述有限元数值计算及实际施工后沉降监测数据可以得出以下结论: 1)轻质土由于拥有较好的固化强度和较常规填料轻得多的重量，一方面避免了碾压不密实，另一方面可以有效降低高路堤荷载，对消除或降低台背填料的工后压缩变形、避免桥头跳车有较好的处理效果，达到了解决该工程问题的目的。2)有必要在轻质土路基按一定的间距纵向设置变形缝，以应对可能产生的工程质量问题。由于这是潜江试验段属首次采用，无论是设计还是施工，均存在某些缺陷，如未设置必要的沉降缝、纵断面设计未能更好地吻合路桥过渡段的沉降特点等。随着泡沫轻质土在湖北地区的应用推广，这些问题将逐步进行解决和改善，从而让泡沫轻质土更好的为国内工程建设服务。

参考文献:

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An comparison study on the soft soil foundation replacement by the bubble lightweight soil

Wu Wei Qi Su
( China University of Geoscience( Wuhan) Engineering College，Wuhan 430074，China)

Abstract:Because of the differential settlement of embankment caused vehicle dumpping engineering problems.This article study the application in bubble of lightweight soil in highway engineering，aiming at the method of finite element numerical simulation of the engineering settlement and verified the settlement monitoring data after the project completed，which showed that such application of bubble of lightweight soil provides a new technical means，and has a positive meaning to resolve the problem of highway construction in our country.

Key words:soft soil foundation，bubble of lightweight soil，settlement，finite element simulation

作者简介:吴蔚(1991-)，男，在读硕士

收稿日期:2015-11-23

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0068-02

中图分类号:TU447

文献标识码:A