气泡混合轻质土在路桥过渡段施工应用中的沉降变形分析

王 茜，赵 翔

（1.广西交通技师学院，广西 南宁 530000；2.西安水务（集团）有限责任公司，陕西 西安 710000）

1 引言

随着我国交通运输事业的快速发展，桥梁、涵洞在道路建设中的比例越来越高，但是桥梁与路基过渡段之间常常会因为设计不周、材料性能以及压实度不足等问题产生不均匀沉降，从而引起桥头跳车现象，严重影响行车安全，大大增加了运维费用，采取有效措施解决路桥过渡段的稳定性和沉降差异是现今路桥施工中的一大难题[1-4]。

气泡轻质土具有质量轻、强度高、可密实性好、流动性强、造价低等诸多特点，不仅可以减小对地基的附加应力，还可以减小对桥台等结构的水平应力，被逐步应用于软土、黄土、盐渍软土等各种路基中的填筑当中，并取得一定应用效果[5-8]。杨燕超、刘金艳、石多慧[9-11]通过对比气泡混合轻质土与压实回填土两种施工方案下的沉降变形，证明了气泡混合轻质土在解决桥头跳车方面的优势。因此，采用气泡混合轻质土解决路桥过渡段的沉降差异是当前最常用的技术手段之一。故本文开展了不同工况下气泡混合轻质土在路桥过渡段施工应用中的沉降变形分析，可为气泡混合轻质土的普及使用提供参考。

2 工程概况

某桥梁工程总长（包括桥头引道）375.5m，其中桥梁长267.5m，宽度为8m，桥头路堤总宽度（包括路缘、绿化、机动车道、非机动车道、人行道等）为25.25m，桥台背部初步拟定采用气泡混合轻质土进行填筑，填筑高度为2.5m，断面示意如图1 所示。根据现场地质勘察，桥梁过渡区的地层由上往下分别为杂填土（厚度约为1.5m）、黏土（厚度约为2.5m）、淤泥质土（厚度约为7m），填筑后路面结构厚度为0.19m，各层道路结构的计算参数见表1。

图1 路基断面示意图（m）

表1 各道路结构层计算参数

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

采用Geo-studio 岩土数值分析软件对填筑过程进行模型分析，建立如图2 的计算分析模型。模型假设：①路堤模型按平面应变问题进行分析；②气泡混合轻质土填筑前，原有地基已达到初始应力平衡，即自有固结作用已经完成；③路堤及桥台侧面不会发生相对位移，桥台底部约束后不发生沉降变形；④各结构之间完全连续，竖向位移变形耦合。气泡混合轻质土和地基土采用摩尔库伦理想弹塑性模型，桥台结构以及路面结构均采用线弹性模型进行分析。

图2 数值计算模型

3.2 气泡混合轻质土性能对沉降影响

不同气泡混合轻质土容重情况下路基填筑沉降量模拟分析结果如图3所示。由图可知，当填筑高度相同时，随着容重的不断增大，路基的沉降量呈线性增大，分层填筑的高度越大，路基沉降变形速率加快；在同一容重水平下，越远离桥台处的沉降变形越大，且呈两阶段变化特征，0～10m 时，基本呈线性增大，当距离＞10m后，沉降变形逐渐放缓，容重越大，沉降变形量越大；气泡混合轻质土容重越小，路基的沉降变形减小，但其抗压强度得不到相应的保证，而且现场制备时难度也较大，容重越大时，沉降变形较大，既浪费大量水泥，不利于工程造价，也失去了路基填筑料轻质性的特点，造成沉降变形过大，影响行车安全。通过比较分析，认为气泡混合轻质土容重等级宜采用6 kN/m3，且分层填筑厚度取小值，现场填筑一般选择0.5m作为分层压实厚度。

图3 容重对沉降变形的影响

进一步对不同气泡混合轻质土弹性模量情况下路基填筑沉降量模拟分析，其结果如图4 所示。从图4 中可以看到，随着气泡混合轻质土弹性模量的增加，路基的沉降变形呈逐渐减小趋势，当弹性模量小于150MPa时，沉降变形的减小幅度较为明显，当弹性模量大于100MPa后，沉降变形减小幅度很小，路基沉降变形随着分层填筑厚度的增大而增大，这与不同容重时分层填筑表现一致；不同弹性模量下，越远离桥台处的沉降变形越大，并且也成两阶段变化特征，当弹性模量为50MPa 和100MPa 时，两者在同一位置处的沉降变形有明显差距，但当弹性模量为200MPa、150MPa 和100MPa时，三者的沉降变形相差较小；从整体上来看，弹性模量对沉积沉降变形的影响小于容重，在满足经济性和沉降要求的前提下，认为气泡混合轻质土的理想弹性模量为100MPa，对应的抗压强度为0.4MPa。

图4 弹性模量对沉降变形的影响

3.3 横、纵断面沉降变形

对气泡混合轻质土容重为6kN/m3、弹性模量为100MPa 以及分层填筑厚度为0.5m 下的过渡段横断面和纵断面沉降变形情况进行分析，结果如图5 所示。从图5（a）中可以看到，路面中心附近的沉降变形最大，并依次向外侧逐渐减小，路面结构下（0～4m）的沉降变形减小幅度较小，当在路肩外侧时（4m～6m），沉降变形呈陡然降低变化特征，当距离超过6m后，沉降变形变化幅度再次放缓，从横断面沉降变形可以看到，沿路中心向外基本呈“Z”字型变化；随着累计分层填筑厚度的增加，路基的沉降变形也在逐渐增大，中心处的沉降量分别为4.5mm、8mm、12.5mm、16.2mm 和20mm，路肩处的沉降变形分别为3.5mm、6.8mm、10.3mm、14.8mm 和18mm，最大沉降差仅为2.2mm（沉降均匀），可见，由于气泡混合轻质土本身质量较轻，对地基产生的附加应力较小，故而产生的沉降差也较小。

从图5（b）可以看出，路基纵断面的沉降变形情况与上文分析结果类似，呈两阶段变化特征，当距离小于10m 时，呈线性增长关系，当距离大于10m 后，增长趋势基本放缓，当完成2.5m 的分层填筑后，最大沉降变形仅为25.8mm，可见，气泡混合轻质土填筑路基沉降变形控制效果良好。

图5 路面横、纵断面沉降分析

4 工后沉降监测

按照模拟分析结果，得到气泡混合轻质土的施工配合比，水泥∶粉煤灰∶水=2.33∶1∶2.22，设计湿密度为583kg/m3，气泡率为66%；按照0.5m/层的分层填筑方法进行施工，随机选取两个断面进行1 个月的工后沉降监测，其路面中心部位的沉降变形如图6 所示。从图6 中可以看到，沉降曲线随着历时呈先增加后减小最后趋于稳定的变化特征，最大沉降变形出现在工后1 周左右，断面1 的最大沉降变形为33mm，断面2 的最大沉降变形为46.3mm；一个月后，沉降值基本稳定，断面1 稳定在14mm，断面2 稳定在29.7mm，与模拟分析结果较为接近，路基整体上沉降变形较小，处于可接受范围。

图6 工后沉降变形监测结果

5 结语

①路基沉降变形随着气泡混合轻质土容重的增大而呈线性增长，分层填筑厚度越大，沉降变形增长速率越快；沉降变形随气泡混合轻质土弹性模量的增大而减小；越远离桥台位置，路基的变形越大，且呈两阶段变化过程。

②经研究分析，认为气泡混合轻质土容重为6kN/m3、弹性模量为100MPa 以及分层填筑厚度为0.5m 时为最佳施工方案，最大沉降位于路面中心位置，横断面的最大沉降仅为20mm，最大沉降差仅为2.2mm，纵断面的最大沉降变形为25.8mm。

③对过渡段路基沉降变形进行了监测，工后一个月后，路基的沉降变形逐渐稳定，过程中的最大沉降量为46.3mm，稳定后的最大沉降变形为29.7mm。