软土地基上泡沫轻质土路基施工填筑数值模拟研究

钟飞祥

(广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

软土地基因强度小、含水率高等特点给工程建设带来过高的成本和困难，而泡沫轻质土因具有施工简便和质量轻的优点，在软土地基路基工程中得到广泛应用[1-3]。本文结合某实际工程建立有限元数值模型，探讨在软土地基上填筑路基的过程和工后对地基和路基变形的影响，同时，进一步探讨施工参数对路基变形的影响，为类似工程提供参考。

1 数值模拟建立

1.1 工程概况

软土是指沿海的滨海相、三角洲相、湖泊相、沼泽相和河流相等主要由细粒土组成的土，其具有孔隙比大(一般>1)、天然含水率高、压缩性大和强度低等特点。某公路路基工程的路线穿越多段软土区域，为了控制路基过大沉降和不均匀沉降变形的问题，采用泡沫轻质土填筑路基，对其进行分层浇筑，每层浇筑厚度为0.8～1.0 m，路基路面宽度为26 m。软土地基上填筑泡沫轻质土材料形成的路基，其道路结构如图1所示，路基填筑高度为8 m(包含路面)，路基边坡坡度为1∶1.5，在轻质土路基与淤泥质土间铺设一层0.3 m的细砂土。地基-路基结构总共分为7层，自下而上分别为粉质黏土(厚度为11 m)、砂性土(厚度为8 m)、粉土(厚度为11.5 m)、普通填土(厚度为10 m)、淤泥质土(厚度为9.5 m)和泡沫轻质土(厚度为7.2 m)及路面(厚度为0.8 m)。

1.2 数值模型的建立

本文采用大型通用有限元软件ABAQUS对软土地基上填筑路基施工工程进行数值模拟计算。同时，为了消除边界条件对数值计算结果的影响，本文结合圣维南原理建立二维平面应变的数值模型，其地基模型长宽分别为100 m和50 m，划分网格类型为CPE4R的平面应变单元，总共3 126个单元和3 541个节点数，具体计算模型如图2所示。仿真模拟严格按照实际施工进行，即进行分层填筑模拟，本次计算分为8层填筑。

图1 地基-路基结构示意图

图2 地基-路基有限元数值计算模型图

1.3 本构参数选取与地应力的平衡

为了提高计算效率，在满足工程精确度的前提下，对本次数值计算做出如下的合理假设：

(1)路面材料服从线弹性，粉质黏土、砂性土、粉土、普通填土和泡沫轻质土材料服从Mohr-Coulomb强度准则，地基土层中地下水渗流规律符合达西渗透定律。

(2)路基填筑高度为1 m/层，在数值计算中分8层进行施工填筑。

(3)地基土与轻质土填料力学参数不随施工的进行而变化。

(4)泡沫轻质土路基填筑属于平面应变问题。

含水率较高的淤泥质土，具有压缩模量高及孔隙比大等特点，而剑桥模型可以考虑高含水率土体在受自重及外部附加荷载下，其固结排水状态下的工作性状。对此，本文对淤泥质土选用剑桥模型(表1)进行分析，而路面结构采用线弹性模型计算，其余材料均采用Mohr-Coulomb模型(表2)。

表1 剑桥塑性模型软土材料计算参数表

其中，λ为塑性体积模量对数，K为土体弹性对数体积模量，M为土样应力比,e1为孔隙比，k为渗透系数。

表2 地基-路基结构相关力学计算参数表

此外，在实际工程中，地基土体在被扰动前其内部往往存在应力而不发生位移，即地质经过长期的演化，使得土体在重力作用下存在着自重应力而无位移状态，因此在数值计算前有必要进行地应力平衡。

2 数值计算结果分析

在软土地基上填筑而成的路基，工程界更注重其竖向沉降的变形。为此，进一步分析泡沫轻质土路基浇筑过程和工后的沉降变形，如图3所示为泡沫轻质土浇筑路基施工工后的沉降云图。

由图3可知，最大沉降值并没有出现在路基表面，而是出现在工后填筑的路堤第一层填土及其以下的地基土，其值为12.31 cm。该现象主要缘于土体骨架含有大量的水，在填土的快速填筑下，地基上部受到附加荷载作用使地基土体内部的水无法及时排出，而是随着荷载继续增加，其内部的水通过孔隙向四周消散，使原地基土逐渐趋向于稳定，因此造成原地基表面和附近的轻质土填料沉降最大，而靠近路基顶面的轻质土路基短期内没有发生大的沉降。

图3 泡沫轻质土浇筑路基工后竖向沉降云图

2.1 地基表面沉降分析

分别提取每层泡沫轻质土填筑完成后地基表面的沉降值进行分析，以路基中心线作为横坐标的中线，沉降值作为纵坐标，具体如图4所示。

图4 每层轻质土填筑完成后地基表面沉降值变化曲线图

由图4可知，每层泡沫轻质土浇筑完成后，地基表面的两侧沉降值与地基中心线呈近似对称。其中，地基表面的最大沉降均发生于其中心，第一层至第八层浇筑完成时，地基最大沉降值分别为-1.55 cm、-2.836 cm、-4.127 cm、-5.386 cm、-6.599 cm、-7.754 cm、-8.787 cm、-12.31 cm，两两之间的沉降值分别增大45.3%、31.3%、23.4%、18.4%、14.9%、11.8%、28.6%。

2.2 泡沫轻质土密度对路基变形的影响

泡沫轻质土密度直接决定地基的附加荷载值大小。根据有关研究，泡沫轻质土的密度可控制在300～1 600 kg/m3，且泡沫轻质土密度增大，相应的强度参数也增大。基于此，在改变泡沫轻质土密度量值后也应相应地改变其强度参数值，再进行计算，并讨论泡沫轻质土密度分别为400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3时对路基的变形影响情况。如下页图5所示为不同轻质土密度下工后路面的沉降曲线。由图5可知，密度的增大引发路面沉降值的增大。其中，轻质土密度分别为400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3时，路面的最大沉降值分别为-34.06 mm、-34.84 mm、-35.26 mm。其中，密度为400 kg/m3和500 kg/m3之间的最大沉降值减少率分别为2.24%和1.2%。

图5 不同轻质土密度下工后路面沉降曲线图

2.3 施工填筑速率对路基变形的影响

研究表明，路基填筑速率是影响其工后沉降的主要因素之一。通过改变数值模拟中有限元软件分析的时间增量，并模拟路基填筑速率分别为0.5 m/d、1.0 m/d、1.5 m/d时的工况，再提取工后路面的竖向位移值进行比较。其计算结果如图6所示。

图6 填筑速率-路面沉降曲线图

由图6可知，路面沉降随路基高度的填筑速率增大而增大，在填筑速率分别为0.5 m/d、1.0 m/d、1.5 m/d时，路面的最大沉降位移分别为-28.16 mm、-34.84 mm、-43.07 mm，两两之间路面的最大沉降值增长率分别为19.2%和19.1%，路面横向沉降差异分别对应的值为5.32 mm、6.57 mm、8.11 mm。由此可见，控制路基高度的填筑速率对路基路面的沉降和不均匀沉降变形能起到一定的抑制作用，因此，在软土地基上填筑路基，在不考虑工期的情况下，可适当调整路基的填筑速率。

3 结语

本文通过有限元数值计算，模拟了软土地基上泡沫轻质土路基的施工填筑过程，得到了路基施工填筑期间和工后的变形规律。同时，还探讨了施工参数和泡沫轻质土材料参数对路基路面的变形影响。

(1)在施工期间和工后，地基表面的最大沉降均发生于地基中线处，且沉降值随着填筑高度的增加而增加。

(2)同一断面软土地基上的泡沫轻质土路基横向差异沉降值随路基填筑高度先增加而增大，在抵达一定值后其值又逐渐减小。

(3)泡沫轻质土的填筑速率对软土地基上的路基路面沉降值影响很大，其中，不同的填筑速率对路面沉降值的影响最大相差达19.2%；泡沫轻质土的密度对路基路面的沉降值影响较小，就轻质土密度分别为400 kg/m3和500 kg/m3的情况而言，两两之间对路面的沉降值仅相差2.24%。