基于ABAQUS的加筋EPS轻质土路基研究★

杨云朋，符仁建，冯陆军，江可彬

(南通理工学院建筑工程学院，江苏 南通 226000)

0 引言

聚苯乙烯泡沫颗粒(EPS)具有质量轻、保温隔热、防水、耐酸耐碱、减震性能好等优点，其与原料土、固化剂、掺合料和水混合制成的EPS轻质土在软弱地基处理、桥头跳车、拓宽填土施工和管道填埋等岩土工程中具有十分重要的应用[1]。目前，国内外众多学者对EPS轻质土的物理力学性能进行了广泛的研究，取得了丰硕的成果：Tiwari等[2]研究了基于膨胀土的EPS轻质土最优含水量、最大干密度、级配、液限、塑限、压缩模量和无侧限抗压强度等多项物理力学性能，确定了EPS颗粒掺量的最大限度为1%；Chenari等[3]研究了土工格栅增强的砂性EPS轻质土界面特性，得到了法向应力，循环剪切振幅和循环次数对界面剪切刚度和阻尼比的影响规律；梅利芳[4]通过密度试验、无侧限抗压强度试验、XRD试验、固结试验、三轴压缩试验研究了改性聚丙烯纤维对EPS轻质土物理力学性能的影响规律；侯天顺等[5]通过对素土和EPS轻质土开展室外挡土墙模型试验发现EPS轻质土可以大大减小墙后静止土压力、静止土压力系数以及竖向沉降量。

加筋土是指在土中加入条带、纤维或者网格等筋材，其对岩土结构的力学性能有较大的提高，其中土工格栅凭借着自身抗拉强度高、韧性大和整体性好的优点可以有效地提高路基的强度和稳定性，减少路基的不均匀沉降[6]。Ahmad等[7]通过缩尺模型研究了静载作用下土工格栅加固土路基的强度特性，并通过一系列数值模拟分析了土工格栅的强度和层数对路基整体性能的影响规律；Singh等[8]提出两种预测模型通过输入加固/未加固截面、加固深度、液限、塑性指数、最优含水量、最大干密度和浸泡/未浸泡条件这八个输入参数得到土工格栅加固后路基土的加州承载比(CBR)，并通过大量实验验证模型的准确性；高海军等[9]通过动三轴试验研究不同荷载强度下试样动应力、动应变等指标的变化规律，并且通过数值模拟分析了循环荷载作用下加筋土路基工程的动力响应机制；赵志东[10]分析了土工格栅加筋碎石垫层软基加固机理，分析了地基承载力试验结果和沉降观测结果,发现土工格栅加筋处理后的地基承载力显著提高。

沿江沿海地区广泛分布着高含水量和高压缩性的软土[11]，在路基路面工程中，容易产生路基沉降、边坡失稳等问题[12]。为有效地解决软土地区路基变形过大的问题，本文采用EPS轻质土作为轻质填料来减轻上覆土自重并通过铺设土工格栅对路基土进行加筋强化。使用ABAQUS有限元软件模拟分析了加筋EPS轻质土路基的竖直沉降和水平位移的变化规律，为加筋EPS轻质土在软土地区路基工程中的应用提供参考。

1 数值模型构建

本文采用ABAQUS有限元软件进行普通填土路基、EPS轻质土路基、加筋土路基和加筋EPS轻质土路基的数值模拟与对比分析。为方便分析，本文对模型进行了一定的简化：1)本次模拟采用平面应变问题进行分析，鉴于实际工程的对称性，本文取路基的一半进行建模分析；2)地基土均视为连续均质材料；3)不考虑土体排水固结，采用总应力法进行分析。本文计算采用的路基模型顶部设计宽度为20 m，路基填土层厚度为3 m，路基边坡坡度为1∶1.5，土工格栅铺设于0.2 m厚的砂垫层上，材料厚度为25 mm，具体计算模型如图1所示，网格划分如图2所示，参考相关资料[13]及南通沿海地区某工程土层参数，本文各层材料参数取值如表1所示。

表1 各土层物理力学性质指标

考虑前期地基自重对模型的影响，首先通过有限元软件“生死单元”功能将路基路面层“杀死”，对地基进行地应力平衡处理，然后再依次分层对已“杀死”的单元进行激活，从而模拟路基路面分层浇筑的过程，分析各工况下路基自重作用下的竖直沉降和水平位移的变化规律。

2 计算结果分析

2.1 路基整体沉降云图分析

图3分别为普通填土路基、EPS轻质土路基、加筋土路基和加筋EPS轻质土路基的沉降云图，由图3可知，路基的最大沉降并非发生在路基表面，而是发生在路基基底附近。其中，采用普通填土填筑时，最大沉降值为146.1 mm，采用EPS轻质土填筑时，最大沉降值为81.3 mm，相比普通填土减少44.4%；采用加筋填土填筑时，最大沉降值为145 mm，相比普通填土减少0.8%；采用加筋EPS轻质土填筑时，最大沉降值为80 mm，相比普通填土减少45.2%。可见，采用EPS轻质土可以减轻上覆土的自重，有效地降低路基的最大沉降变形，而加筋土并没有减轻上覆土的自重，故对路基的最大沉降变形影响并不明显。

2.2 路基施工基底沉降规律分析

图4分别为普通填土路基、EPS轻质土路基、加筋土路基和加筋EPS轻质土路基各施工阶段基底沉降分布图，可以看出，各种路基的沉降规律基本一致，路基中线的位置沉降最大，随着距离中线位置越远沉降逐渐减小，在路基边坡坡肩范围内，沉降值减小幅度较小，在路基边坡坡肩到坡脚范围内，沉降值大幅度减小，当距离超过路基边坡坡脚范围过后，沉降值为正，地基土出现回弹现象。四种路基的沉降值和回弹值都随路基分层施工的进行逐渐增大，普通填土路基、EPS轻质土路基、加筋土路基和加筋EPS轻质土路基的路基中线的沉降值分别为142.8 mm,79.8 mm,141.9 mm和78.7 mm，数值与整体路基最大沉降值非常接近，说明路基的最大沉降发生在路基基底中心附近；采用普通填土填筑时，最大回弹值为4.11 mm，采用EPS轻质土填筑时，最大回弹值为2.23 mm，相比普通填土减少45.7%；采用加筋填土填筑时，最大回弹值为3.80 mm，相比普通填土减少7.5%；采用加筋EPS轻质土填筑时，最大回弹值为2.05 mm，相比普通填土减少50.1%，可见，采用EPS轻质土填筑可以大幅度地减小路基范围外地基土的隆起，采用加筋土填筑可以减小少部分路基范围外地基土的隆起。

2.3 路基坡脚水平位移分析

路基边坡坡脚的水平位移是反映路基边坡稳定性的重要指标，图5所示为普通填土路基、EPS轻质土路基、加筋土路基和加筋EPS轻质土路基边坡坡脚的水平位移分别在第一层路基、第二层路基、第三层路基和路面结构层浇筑完成时变化规律，四种路基的边坡坡脚水平位移都随路基分层施工的进行逐渐增大。其中，采用普通填土填筑时，最终坡脚水平位移为28.9 mm，采用EPS轻质土填筑时，最终坡脚水平位移为14.8 mm，相比普通填土减少48.8%；采用加筋填土填筑时，最终坡脚水平位移为7.5 mm，相比普通填土减少74%；采用加筋EPS轻质土填筑时，最终坡脚水平位移为3.8 mm，相比普通填土减少86.9%。可见，EPS轻质土和加筋土都能有效地降低路基边坡坡脚的水平位移，其中，采用加筋土可以大幅度降低路基边坡坡脚的水平位移，降低幅度比采用EPS轻质土还大25.2%，说明加筋土对路基的水平方向的约束较为突出，综合采用加筋EPS轻质土路基，不仅可以降低路基竖直方向的沉降，更能够大幅度减小路基边坡坡脚水平方向的位移，极大地提高了路基边坡的稳定性。

3 结论

本文使用ABAQUS有限元软件模拟分析了普通填土路基、EPS轻质土路基、加筋土路基和加筋EPS轻质土路基分别在第一层路基、第二层路基、第三层路基和路面结构层浇筑完成后的竖直沉降和水平位移的变化规律，得到以下结论：

1)路基沉降最大值发生在路基基底附近，基底中间的位置沉降最大，随着距离中间位置越远沉降逐渐减小，在路基边坡坡肩范围内，沉降值减小幅度较小，在路基边坡坡肩到坡脚范围内，沉降值大幅度减小，当距离超过路基边坡坡脚范围过后，沉降值为正，地基土出现回弹现象。

2)EPS轻质土减轻了路基填土的自重，有效地降低了路基的竖直沉降和水平位移，相比普通填土路基，EPS轻质土路基的最大竖直沉降值和坡脚水平位移分别降低44.4%和48.8%。

3)加筋土路基并没有减轻路基填土的自重，对路基基底的竖直沉降影响并不明显，但加筋土对路基填土的水平位移约束十分显著，相比普通填土路基，加筋土路基的坡脚水平位移降低74%。

4)加筋EPS轻质土路基充分利用了EPS轻质土自重轻的特点以及加筋对土体水平方向变形的约束作用，相比普通填土路基，加筋EPS轻质土路基的最大竖直沉降值和坡脚水平位移分别降低45.2%和86.9%，优化效果显著。