气泡轻质土的参数设计及对路基沉降影响分析

张孝铖， 胡笑林， 吕玉坤

(中铁四局集团有限公司设计研究院, 安徽 合肥 230023)

0 引 言

气泡轻质土对台背的侧压力可忽略不计，抗冲击性能比一般回填材料效果好，刚性比一般填土路基大，并且由于材料本身存在大量的闭合气泡，所以轻质土比其他回填材料具有密度小的特点，能较大程度减少地基的位移和沉降破坏[1]，故在台背回填中有着良好的应用。通过PLAXIS 2d有限元软件分析气泡轻质土不同参数条件下基底沉降模拟结果，合理选用气泡轻质土的设计参数，从而充分发挥其“轻质性”的特性，为气泡轻质土在台背回填中设计提供参考依据与经验。

1 项目概况

启东德汇滨海教育生态城汇海大道建设工程道路南起G328，北至观海平台如图1所示。道路设计全长1 868.729 m，道路红线宽32 m。新建桥梁跨越景观规划水系，名为鸥鹭桥，其与规划水系正交，中心里程桩号为K1+316.313，桥跨为1-30 m，桥宽27.5 m。由于欧鹭桥为景观桥，其下净空需要保证行人和游艇通过，对路桥过渡段工后沉降要求极为严格，故对台后路床层位采用容重等级为W8，抗压等级为CF0.8气泡轻质土回填，路堤层位采用容重等级为W5，抗压等级为CF0.5气泡轻质土回填。

图1 项目地理位置

2 建立模型

2.1 模型的建立

在模拟气泡轻质土在路桥过渡段回填中对基底沉降影响分析时，受到各材料参数和边界条件的制约影响，需做出如下假设：

(1) 模型按平面应变问题进行考虑。

(2) 地基土、气泡轻质土均采用摩尔-库仑弹塑性模型。

(3) 模型左右两侧边界受水平约束，底边界受固定约束。

(4) 地基土、路堤、路床之间接触面光滑连续，不发生相对滑移及脱落。

(5) 在填筑气泡轻质土之前，先对原地基土进行初始应力平衡，保证地基土在原自重压力作用下完成固结。

(6) 暂不考虑路面结构层荷载影响，只研究路基荷载对基底沉降的影响。

根据提供的背景资料，对路桥衔接段位置进行横向数值模拟。由于路基横断面的几何形状、地质条件及材料性质均关于路基中心线对称，即结构绕对称轴对折后，左右两部分完全重合，故应力和变形也是对称的，为了简化计算，可以取横断面一半为研究对象，宽度为13.5 m，地基宽度取为60 m。为了满足沉降计算精度，按附加应力等于0.1～0.2倍土体的自重应力确定压缩层厚度，压缩层厚度定为40 m满足精度要求。其几何模型如图2所示。

图2 路桥过渡段横向几何模型及网格划分

2.2 模型计算参数

欧鹭桥桥头位置地质土层分布较为复杂，但相对稳定，结合地勘报告拟定对本次模型中材料参数取值如表1。

2.3 加载模拟

根据《气泡轻质土填筑工程技术规程》(CJJ T177-2012)[2]规定，气泡轻质土单层浇筑厚度宜按0.3～0.8 m控制，上一层浇筑作业在下一层浇筑终凝后进行。本次欧鹭桥桥头过渡段路堤设计高度为3.56 m，气泡轻质土单层浇筑厚度按0.5 m控制，分7层填筑；路床高度为0.8 m，气泡轻质土单层浇筑厚度按0.4 m控制，分2层填筑。

3 气泡轻质土参数对路基沉降影响分析

3.1 填筑高度的影响

为了进一步研究气泡轻质土填筑高度对路基基底沉降的影响，保持其他模型参数(表1)不变，计算不同填筑高度下的基底沉降。根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[3]3.9.6条，气泡轻质土最大填筑高度不宜大于15 m，最小填筑高度不宜小于1 m。本文假定路堤高度分别为2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m，通过PLAXIS 2D模拟计算，可以得到不同高度下基底沉降变形情况，如图3所示。

所有病例在入院时均接受超声检查，检查仪器为GELOGIQ E9型彩色多普勒超声检查仪，设定探头的工作频率位4～11MHz。患者采用仰卧位，颈前区充分暴露，常规扫查甲状腺双侧叶及峡部，观察甲状腺位置、外形、大小；随后使用二维超声检查甲状腺结节的部位、大小、形态、数目、边界、声晕、内部回声变化、血流情况。

表1 材料参数一览表

图3 路堤高度与沉降关系图

由图3可以看出，填筑高度的增加，将会导致地基土上部荷载增大，并且基底沉降随填筑高度的增加呈现近似线性增长的趋势，从整体变化上来看，基底沉降并没有出现较大突变。当气泡轻质土路堤高度为14 m时，模拟结果显示地基土发生剪切破坏，沉降计算不收敛，说明在启东欧鹭桥台背回填模拟中，当气泡轻质土路堤容重为5 kN/m3，气泡轻质土最大填筑高度在12～14 m。

3.2 容重的影响

为研究气泡轻质土容重参数对沉降的影响，保持其他参数不变，路基气泡轻质土分别采用W3、W5、W7、W9、W11、W13和 W15，研究不同分层填筑高度下路基横断面中线处沉降随容重等级的变化情况，结果如图4所示。

图4 气泡轻质土容重与沉降关系图

由图4可以看出，在同一分层填筑高度下，随容重等级的提高，路中心线位置处的沉降量随之增大，接近线性增长的趋势，并且随着填筑高度的增大，其沉降量增长速率也加快。所以当气泡轻质土容重等级选择较低，不仅不能满足规范要求，而且抗压强度较低，现场制备较为困难，质量无法得到保证，后期在日益增长的交通量下路面可能出现裂缝；当气泡轻质土容重选择过高，与普通路基填料相比，无法发挥其轻质性的特性，不仅导致水泥用量的浪费，加大施工成本，而且对路基造成较大的沉降，不利于行车安全。故在综合考虑各方面优缺点下，在汇海大道欧鹭桥台背回填中路床部分的气泡轻质土采用W8容重等级以及路堤部分的气泡轻质土采用W5容重等级较为合理。

3.3 抗压强度等级的影响

根据《气泡轻质土填筑工程技术规程》(CJJ T177-2012)规定，在无试验资料的前提下，气泡轻质土抗压强度与弹性模量可按下式计算：

Ec=250qu

式中：Ec为弹性模量,MPaqu为抗压强度，MPa。

气泡轻质土的抗压强度不同，弹性模量也有所不同，进而路基自身的压缩也有所差异。为了研究抗压强度等级对沉降的影响，保持其他参数不变，气泡轻质土分别采用CF0.4、CF0.6、CF0.8、CF1.0、CF1.2和CF1.5，研究在不同填筑高度下路基横断面中线处沉降的变化情况，结果如图5所示。

图5 气泡轻质土强度等级与沉降关系图

4 气泡轻质土路堤与普通灰土路堤沉降对比分析

为了进一步体现气泡轻质土材料的“轻质性”，在其他参数和条件不变的前提下，采用石灰土路基填料进行路基回填，计算不同高度下基底沉降，并与气泡轻质土路堤进行比较，结果如图6所示。

图6 不同高度下气泡轻质土路堤与石灰土路堤的沉降对比

由图6可以看出，石灰土路堤随填筑高度的增加，其路基基底沉降迅速增加，其增长速率远大于气泡轻质土路堤。模型计算结果反映，当石灰土填筑高度为4～6 m时，基底产生的沉降陡升，到6 m沉降计算已不收敛，地基土已经发生剪切破坏，而同样的模型参数下，气泡轻质土却能填筑到12～14 m地基土才发生破坏。

当路堤填筑高度为2 m时，气泡轻质土路堤基底沉降仅为普通石灰土路堤基底沉降的26.79%；当填筑高度为4 m时，更只为其沉降的23.67%。从而可见，气泡轻质土作为台背回填材料，能够较大程度的降低路基沉降，从而减少“桥头跳车”现象，保证道路行驶的安全性。

5 结 论

通过对启东欧鹭桥路桥过渡段建立有限元模型，计算了不同参数下气泡轻质土路堤的沉降变化情况，并在不同填高下与普通石灰土路堤沉降进行对比分析，得出如下结论：

(1) 气泡轻质土填筑高度的增加，即路堤的自重增大，其基底沉降也随之增大，呈现近似线性增长的趋势，从曲线整体变化上来看，基底沉降并没有出现较大突变。

(2) 气泡轻质土容重对基底沉降影响较大，在相同填筑高度下，基底沉降随容重的增大而增大，接近线性增长的趋势；不同填筑高度下，随填筑高度的增大，沉降量增长速率也加快。所以在设计过程中，满足规范要求的前提下，可以通过调节气泡轻质土的容重参数来减小基底沉降，确保路基稳定性。

(3) 气泡轻质土抗压强度等级对基底沉降影响不大。提高气泡轻质土强度等级，相应的弹性模量增大，路基抵抗变形的能力提高，能够减少路基本身的压缩变形，但路基的沉降主要是地基土的压缩变形导致的，所以提高强度等级对路基的沉降影响不大，可以忽略影响。

(4) 路堤填筑高度越大，泡沫轻质土路堤与普通石灰土路堤产生的基底沉降差异越大。气泡轻质土作为台背回填材料，能够较大程度的降低基底沉降，保证路基稳定性。