泡沫轻质土路基应力应变现场监测及结果

李建宇，王忠杰，杨 林，王振兴

(1.中国电建路桥集团有限公司，北京 100048； 2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

0 引 言

泡沫轻质土新型材料是由水泥、水、发泡剂和其他细集料(粉煤灰等)按照一定配合比混合而成的。许多学者依托室内土工试验对泡沫轻质土的物理力学性质进行系统研究，包括配合比、掺料对轻质土强度和施工稳定性的影响[1-2]，气泡含量对轻质土抗剪强度的影响，冻融循环对抗压强度和吸水率的影响[3]，干湿循环和硫酸钠长期浸泡环境对轻质土抗压强度和耐久性的影响[4]，以及泡沫轻质土在单轴压缩试验条件下的应力应变规律和浸水性能[5-9]。

谢学钦[10]设计研究了单螺杆泵技术，低损失的泵送轻质土材料。陈永辉等[11]研究了轻质土置换路基工后沉降的预测方法。赵新宇[12]研究了轻质土应用于既有高速铁路路基加宽中的路基设计技术，得出轻质土加宽路基对既有路基影响微小，处治效果好的结论。朱俊杰等[13]结合轻质土强度与路堤深度关系研究了轻质土路堤最佳浇筑厚度。宋亮等[14]采用非均匀温变温度应力计算模型，分析了公路改扩建拼接路基的温度应力与变形。

目前，混凝土坝应力应变和桥梁应力应变方面的研究比较成熟[15-16]，对公路路基现场监测数据的应力应变研究相对较少。泡沫轻质土在既有软基拓宽工程中的应力应变研究常采用数值模拟的方式[17-18]，因此，本文结合江门礼睦路单侧改扩建工程，在新建路侧换填泡沫轻质土路基材料的内部埋设土压力盒，通过观测土压力盒频率变化，借助理论计算，求得实时土压力值，分析轻质土土压力的变化规律，在泡沫轻质土路基填筑材料内部埋设应变计，观测并分析应变变化规律。

由于目前还没有直接有效测量泡沫轻质土内部应力的仪器，而土压力盒等监测仪器可以监测内部压应力，但不能监测拉应力；因此，本文采用应变计测得应变值，经应力-应变模型反算应力值，对轻质土路基内部土压力值和应变值进行现场数据采集和初步分析。

1 工程概况

江门礼睦路改扩建工程项目全长6.64 km，采用二级公路标准建设，设计车速为40 km·h-1，现有路基宽7.5 m，单侧拓宽8 m，道路路基宽度为15.5 m。项目区地处三角洲平原，地表水较发育，沿线分布的溪流为主要的地表河流，常年有水，地表水较丰富；地层主要为第四系冲积质黏土、砂、砾、卵石层及三角洲相淤泥质土、砂质土等；基底为侏罗系泥质(粉)砂岩、炭质砂岩、砂岩、白垩系泥质粉砂岩等沉积岩，如表1所示。由于地基淤泥层较厚，土层承载力特征值小，且施工侧民房、花木场、鱼塘交错分布，征地困难，施工作业面小，故选取泡沫轻质土作为路基填筑材料的方案，利用泡沫轻质土的轻质性、施工阶段流动性、无需振捣碾压、凝固后直立性等优势解决深厚软土地基沉降大、征地困难等问题。

选取典型试验断面，桩号为K3+380，分别埋设混凝土土压力盒和应变计。试验段泡沫轻质土设计强度为1.0 MPa，设计湿容重为6 kN·m-3，泡沫轻质土施工配合比，如表2所示。

自然养护28 d后现场钻孔取芯，钻心取样3个点，每点及附近各取3个芯样，钻孔取芯的重度测试和无侧限抗压强度试验结果见表3。

表1 工程地质资料

表2 泡沫轻质土施工配合比

表3 泡沫轻质土取芯试验结果

结果显示：自然养护28 d后的泡沫轻质土的干容重均值为4.85 kN·m-3，28 d抗压强度均值为1.18 MPa，均满足设计要求。因此，在上覆荷载作用下，泡沫轻质土换填料本身的变形很小或基本不变形，在荷载长期作用下，强度满足要求。

2 监测方案

2.1 监测仪器布置

图1 监测仪器布置

监测仪器布置如图1所示，试验断面泡沫轻质土换填深度为1.5 m，基坑开挖深度为1.8 m，设计开挖成2级台阶，台阶宽0.75 m[19]；基坑底回填0.2 m厚碎石垫层，泡沫轻质土分3层浇筑，每层浇筑0.5 m，在第2层浇筑完成并初凝后埋设土压力盒。泡沫轻质土第2层与第3层之间铺设规格为Φ3.5 mm@5 cm×5 cm的镀锌钢丝网，将应变计按照垂直于公路走向(横向)和平行于公路走向(纵向)分别绑扎在钢丝网上。路面为弯拉强度5.0 MPa的水泥混凝土，表4列举了监测项目、仪器及目的。

表4 监测项目、仪器及目的

2.2 土压力盒的埋设

2.2.1 仪器与设备

试验中选用振弦式混凝土土压力计观测泡沫轻质土土压力的变化，当轻质路基压力发生变化时，土压力计感应面将会产生变形，变形转换成振弦的振动频率，频率信号配合电缆经读数仪采集，再由式(1)换算便可得到此时的土压力值

(1)

式中：P为土压力(MPa)；K为土压力计的灵敏度(MPa·Hz-2)；f为某时刻测量频率值(Hz)；f0为初始频率值(Hz)。

2.2.2 仪器埋设

在第2层泡沫轻质土浇筑完成后开挖一个20 cm×20 cm×10 cm的立方坑，在坑底铺设2 cm厚标准砂并找平，放置土压力盒，土压力盒的受力膜朝上，在砂面上来回错动使土压力盒与标准砂紧密接触，在土压力盒表面铺设5 cm厚标准砂并找平，然后轻质土回填齐平，将线缆引出，土压力盒埋设完成，如图2所示。

图2 土压力盒埋没

2.2.3 观测要点

土压力盒埋设完成后，测量其稳定读数作为初始压力零点。施工期监测频率为1 次·d-1。在上覆荷载施加时，应分别测量加载前后的土压力值。另外，土压力盒引线应有一定的富余，以防止上层轻质土施工而产生拉伸损坏。

2.3 应变计埋设

2.3.1 仪器与设备

试验中选用振弦式混凝土应变计观测泡沫轻质土的应变变化，当轻质路基应力发生变化时，应变计感应面将会产生变形，变形转换成振弦的振动频率，频率信号配合电缆经读数仪采集，经公式(2)换算可得到此时的应变值。振弦式应变计工作原理如图3所示。

(2)

式中：ε为应变；Kh为应变计的灵敏度(με·Hz-2)。

图3 振弦式应变计工作原理

2.3.2 仪器埋设

第2层泡沫轻质土浇筑完成后，铺设一层钢丝网，规格为Φ3.5 mm@5 cm×5 cm，在钢丝网上分别按垂直于公路方向(横向)和平行于公路方向(纵向)绑扎振弦式应变计，通常用捆绑钢筋网的扎丝绕应变计缠绕2周，将仪器安装在钢丝网上，用扎丝绕钢丝2圈，再将扎丝自身缠绕，完成应变计的埋设。

2.3.3 观测要点

应变计埋设完成并与钢丝网紧密接触后，测量应变计的稳定读数作为初始应变读数。施工期监测频率为1 次·d-1。另外，应变计引线应有一定的富余，以防止上层轻质土施工而产生拉伸损坏。

3 监测结果分析

3.1 泡沫轻质土土压力分析

泡沫轻质土土压力如图4所示，泡沫轻质土土压力值在观测初期上升较快，达到峰值一段时间后压力值明显降低，现场实测土压力值数据下降范围为10 kPa，到最后趋于稳定。泡沫轻质土浇筑初期的湿容重较凝固后的干容重大，基层、面层施工使得土压力盒上覆压力不断增大，施工完成时土压力值到达最大值；随着材料内部水分蒸发，材料自重减小，土压力盒所受压力减小，在车辆荷载和自重等荷载作用的稳定状态下，土压力值趋于平稳。

图4 泡沫轻质土土压力曲线

3.2 泡沫轻质土应变分析

泡沫轻质土应变如图5所示，观测初期泡沫轻质土湿容重大于干容重，内部温度较高，应变表现为压应变；随着施工的进行，泡沫轻质土凝固，温度降低，表现为拉应变。初期应变值增长较快，之后增长速率逐渐降低；轻质土内部垂直于公路走向的拉应变在初期大于轻质土内部平行于公路走向的拉应变，但运营期由于新老路基的相互作用，轻质土内部平行于公路走向的拉应变逐渐大于轻质土内部垂直于公路走向的拉应变，最后趋于相对稳定状态。

图5 泡沫轻质土应变监测曲线

3.3 应变反算应力

公路路面的强度和路基变形是引起路面结构破坏的主要原因，路基的变形包括弹性变形和塑性变形。弹性变形的应力应变关系呈线性规律，应力增大，应变随之增大，当应力消失时，应变随之消失；若弹性变形较大，水泥混凝土产生疲劳开裂。塑性变形阶段，应力消失，应变不会全部消失；若塑性变形较大，将导致水泥混凝土路面产生断裂。

在观测期内未发现路面的变形开裂。假定应力应变关系为线弹性，应力σ与应变ε成正比[20]，利用式(3)、(4)胡克定律可反算应力值

式中：σ为应力(Pa)；E为弹性模量(Pa)；ε为应变；F为拉(压)力(N)；A为作用截面面积(m2)。

拉伸试验结果显示，规格为Φ3.5 mm@5 cm×5 cm的镀锌钢丝网的弹性模量为198 GPa，将现场测试应变值代入式(3)得到应力变化规律，如图6所示。

图6 泡沫轻质土应力曲线

由图6可知，泡沫轻质土应力曲线规律与应变曲线规律相同，仪器埋设与施工初期均表现出压应力，后续施工使压应力转变为拉应力，并且呈上升趋势。在新旧路基的相互作用下，平行公路走向的拉应力初期小于垂直公路走向的拉应力，在运营期拉应力分布发生变化，平行公路走向的拉应力开始变大并逐渐超过垂直公路走向的拉应力，最大拉应力值为66.2 MPa，最后趋于稳定。根据式(3)、(4)求得最大拉力值为637 N，小于设计焊点抗拉力5 000 N，满足设计要求。

4 结 语

(1)泡沫轻质土填筑路基后内部土压力值最大为49.4 kPa，表现出良好的轻质性，施工过程和运营期路基土压力变化规律均表现为先增大后减小，最后趋于稳定。

(2) 单侧扩建工程中新旧路基施工的差异影响泡沫轻质土内部的应变分布和变化规律。根据垂直公路走向和平行公路走向的测试数据表明：在道路施工和运营中，路基承受拉应变，应变在施工初期增长较快；随着施工继续，应变增长速率逐渐减小，最终趋于稳定状态。

(3)采用胡克定律分析应变数据，反算应力变化规律，在观测期内应变最大值出现在平行公路走向的方向上，拉应力最大值为66.2 MPa，最大拉力为637 N。