软土路基泡沫轻质土分层填筑沉降分析及参数影响研究

丁 英

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，湖北 武汉 432000)

0 前 言

大规模沉降是路基病害中最普遍且最影响路面安全的病害之一，尤其在地质条件不佳的软土区，由于地基土本身不稳定的特性，极易使路基产生较大的不均匀沉降现象，泡沫轻质土的研发与应用为软土区路基的建设施工提供了解决方案。泡沫轻质土是由水、水泥和气泡按一定比例进行混合搅拌形成的轻型填土材料，由于气泡的存在，泡沫轻质土自身容重较小，质量密度、渗透性及吸水性较低，但自身强度较高，故相对于常规填土方式，泡沫轻质土对地基承载力的要求较低，因此，泡沫轻质土常被用作软土区路基的填筑材料。杨莹对泡沫轻质土在高填帮宽路基中的应用展开研究，依托现场试验的是测试数据，研究了泡沫轻质土对新老路堤搭接处产生的附加应力，并与普通填土进行对比，验证了泡沫轻质土在高填帮宽路基施工中的优越性[1]；许江波等对泡沫轻质土的合成材料进行分析，探讨了聚丙烯纤维对于提高泡沫轻质土弹性模量的有效性，通过循环加卸载的方式分析了泡沫轻质土的内部损伤规律[2]；叶咸等以复杂地质条件下的高填方段路基为研究对象，探讨了该类工程条件下泡沫轻

质土填筑方案的可行性[3]；蔡历颖等采用数值模拟的方法对泡沫轻质土在软土路基中的性能展开分析，得到了软土区泡沫轻质土填筑路基的沉降规律[4]；骆永震等基于FLAC3D数值模拟软件对加筋泡沫轻质土在路基施工中的应力变形展开研究，提出了加筋泡沫轻质土的最佳加紧率确定方法[5]。

1 工程概况

经开至汉南一体化全力三路改造项目高速公路二标段路线总长27.35 km，主线采用双向八车道标准设计，最高设计时速为100 km/h，路基宽度为42 m，辅道最高设计时速为50 km/h。根据现场地质勘察、地质调绘及地质取样岩土试验，主要岩层类型有素填土、粉质黏土、淤泥质土、和强风化粉砂质泥岩，由于原路基土质多为人工素填土、粉质黏土和淤泥质土，采用常规填土方式提高原有路基土体模量成本较高，为消除原软土路基不良地质在修建高速公路路基时的影响，使回填后的土体性质达到设计要求，工程采用泡沫轻质土对路堤进行分层填筑。对原人工素填土进行置换回填，泡沫轻质土总填筑高度为3 m，每次按1 m高度进行填筑，总计3次填筑。泡沫轻质土置换回填区域上覆素混凝土保护层和路面结构层，下设路基垫层，以减小路基工后沉降。

2 数值模型

对该工程建立数值计算模型，模型上边界取至路基结构层顶部，下边界深度取20.25 m，左右宽度取35 m，路堤边坡按1∶1.5系数进行放坡处理。各地层深度分布为：路面结构层0.75 m，素混凝土保护层0.2 m，泡沫轻质土置换回填区分三次填筑共计3 m，路基垫层0.3 m，粉质黏土区深度3 m，淤泥质土区深度5 m，强风化泥岩区深度8 m。主要土层岩土材料属性如表1所示。

表1 材料属性

基于Abaqus平台对泡沫轻质土在软土路基中的分层填筑施工过程进行二维数值模拟，由于路基结构的对称性，取半结构进行建模分析，采用摩尔-库伦屈服准则定义各土层材料属性。模型上边界不设约束，对两侧边界进行法向约束，对底部边界进行切向和法向共同约束，采用CPE4R四结点平面应变四边形单元和CPE3三节点平面应变三角形单元共同进行网格划分，使用Abaqus中的Model Change功能对分层浇筑的泡沫轻质土单元进行杀死与激活操作。模型共划分2 838节点，2 731单元。

3 沉降分析

由于路基中土层分布的多样性，分层填筑模拟前需要对模型进行地应力平衡，消除由模型自身重力场对计算结果造成的影响，实现模拟前单元内部位移清零。采用Abaqus中GEOSTATIC功能对分层填筑前的路基基础进行地应力平衡，根据路基地应力平衡结果可知，泡沫轻质土分层填筑前，路基模型内部位移几乎趋近于零，满足模拟条件。

由第一层泡沫轻质土填筑后的路基沉降云图可知第一层泡沫轻质土填筑完成后路基最大沉降出现在路基中线基底位置，沉降量为5.7 mm，沉降数值随着深度的增加呈现出递减趋势，越靠近路基两侧处沉降量越小，路基边线沉降量仅为3.2 mm左右。

由第二层泡沫轻质土填筑后的路基沉降云图可知第二层泡沫轻质土填筑完成后路基最大沉降出现在第一层泡沫轻质土位置，沉降量约为11.3 mm。第二层泡沫轻质土填筑完毕后，填筑层顶面沉降量仅为4.5 mm左右，相较于第一层填筑，第二层泡沫轻质土填筑时路基表面所受到的沉降影响开始变小。

第三层泡沫轻质土填筑后的路基沉降云图，由图可知第三层泡沫轻质土填筑后，路基内沉降峰值出现区域出现小幅度上移，沉降云图以第一层与第二层填筑区域为中心向四周扩散，沉降量呈现出逐渐降低的趋势，此时路基沉降峰值为16.9 mm，路基中线顶面沉降量为5.2 mm。

素混凝土保护层及路面结构层施工完毕后的路基沉降云图，由图可知此时路基最大沉降区域并未发生明显变化，沉降数值存在一定程度的增加，泡沫轻质土层最大沉降量达36.7 mm。路面中线处相较两侧沉降量较大，中线位置沉降量为19.5 mm左右，两侧沉降量为8.92 mm左右，路面整体呈现出马鞍形沉降。

4 参数分析

由于泡沫轻质土可针对不同地质环境对材料配合比进行一定的改动，以改变自身力学特性适应不同地质条件的要求，为研究不同力学特性下分层填筑泡沫轻质土对路基沉降的影响，对泡沫轻质土部分力学特性展开参数分析，得到各参数在一定变化范围路面中线沉降曲线，分析其变化规律。

图1给出了泡沫轻质土弹性模量改变时路基中线的沉降变化曲线，由图2可知，随着泡沫轻质土弹性模量由100 MPa增加至250 MPa，施工完毕后的路面中线位置沉降量由23.14 mm降低至18.75 mm，呈现出逐渐减小的趋势，根据图中变化趋势，随着弹性模量的逐渐变大，沉降量减少幅度开始逐渐降低，弹性模量在100～150 MPa之间变化对路面中线处的沉降影响最大。

图1 弹性模量影响曲线

图2 粘聚力影响曲线

图2给出了泡沫轻质土粘聚力改变时路基中线的沉降变化曲线，由图2可知，泡沫轻质土粘聚力由100 kPa增加至250 kPa时，路面中线位置沉降量并未发生明显变化，分析原因为该粘聚力变化范围内的泡沫轻质土抗剪强度较高，故在此范围内的粘聚力数值变化不会对沉降数值产生明显影响。

图3给出了泡沫轻质土泊松比改变时路基中线的沉降变化曲线，由图3可知，泡沫轻质土泊松比由0.28增加至0.4时，路面中线的沉降量由20.98 mm减少至17.25 mm，可见随着泡沫轻质土泊松比的增大，路面中线处沉降量呈现出逐渐降低的趋势，根据图中沉降曲线的变化趋势可以推测，在一定变化范围内随着泊松比的逐渐增加，路面中线沉降量变化趋势变得愈发明显。

图3 泡沫轻质土沉降变化曲线

4 结 论

(1)使用泡沫轻质土用于软土路基填筑时，其沉降规律与普通填土路基相同，路基中线沉降较大，两侧沉降较小；

(2)泡沫轻质土用于软土路基分层填筑时其沉降最大区域位于第一层填筑区和第二层填筑区中部，路面结构层施工后其最大沉降量为36.7 mm；

(3)泡沫轻质土的弹性模量和泊松比均对施工后路面中线沉降量有一定影响，随着弹性模量和泊松比的增加，路面中线处沉降量均存在一定程度的降低，而粘聚力在100～250 kPa范围内变化时，路面中线处沉降无明显变化。