泡沫轻质土在道路扩建工程中的应用分析

周 旺

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

随着我国车辆保有量的增加,道路通行能力受到了越来越大的挑战。目前常通过新建并行线路、利用交通组织引导以及扩建道路来达到提高既有道路通行能力的目的。道路扩建具有能够充分利用既有道路、降低部分投资等诸多优点。目前用于道路扩建常用的材料包括土石材料、工业废渣、新型材料等。不同的材料在不同的地质条件下具有不同的适用性。经过大量的工程实践发现,泡沫轻质土作为一种新型的路基填筑材料,在道路填筑中具有良好的适用性。泡沫轻质土是一种由发泡剂溶液和必要的集料组分按一定的比例混合搅拌,并最终通过物理化学反应形成的一种新型轻质材料,具有较好的整体性、抗压性等,尤其是其具有的轻质性能够减小地层附加应力,使泡沫轻质土在软基路堤填筑等方面得到了广泛的应用,也因此得到越来越多学者的关注和研究。

骆永震等[1]通过FLAC3D软件模拟分析了砂土和泡沫轻质土作为软土地基路基填料时应力和位移的关系,得到了泡沫轻质土对路基沉降等指标的影响规律,为加筋泡沫轻质土的应用提供了参考。李群[2]以江门某道路扩建工程为研究背景,通过室内试验、现场监测等多种手段分析了软土地基上道路扩建工程运用泡沫轻质土的变形规律,并对其沉降进行了预测分析,为类似工程的分析研究提供了重要的参考价值。牛昴懿[3]分析了泡沫轻质土的主要物理性质和其工作机理,通过现场监测和软件模拟分析了泡沫轻质土加宽道路的力学原理,分析了软土地基上道路扩宽的整体稳定性,为类似工程提供了重要的参考价值。李硕等[4]以江广高速公路扩宽工程为研究对象,分析了泡沫轻质土的工程特性,介绍了泡沫轻质土现场施工过程中的实施方案,提出利用提高泡沫轻质土的整体均匀性达到提高成品质量的目的,为泡沫轻质土在道路拓宽中的施工提供了一定的参考价值。甄俊杰[5]通过室内试验,分析了含水率等多种指标对道路拓宽中的泡沫轻质土物理特性的影响规律,为泡沫轻质土的实际工程应用提供了材料配合比参考。

本文以某道路扩建工程为研究对象,对比分析了泡沫轻质土和普通填土在路基扩建中的应用效果,以期为类似工程的实施提供借鉴。

1 工程概况

1.1 地质地形概况

该路段地形比较平缓,地层产状近似水平。该地层地表以下2 m范围内为粉质黏土,属于第四纪洪积土,局部夹粉砂薄层,干强度一般。地表以下2～6 m为松散卵石层,母岩以石英岩为主,分选性一般,卵石粒径多为20～120 mm,含部分漂石,漂石粒径含量为10%～15%。地表6 m以下为密实卵石层,母岩为砂岩和石灰岩,分选性较差,呈亚圆形,卵石粒径多为20～160 mm,粒间主要由圆砾和中砂填充。

各土层的力学参数如表1所示。

表1 岩、土物理力学指标建议取值表

1.2 工程概况

拟扩建道路段全长约4.6 km,其中K2+360～K3+815段位于填方段,道路红线宽度为20 m,为双向四车道。填方高度约为8 m,现状道路填方坡率为1∶1.75。道路边坡左右两侧均采用菱形骨架护坡,骨架内采用植草防护。既有道路已经通车达到10年,现填方路基已基本完成固结沉降。根据最新规划,该道路拟进行改扩建形成一条新的城市主干道。新规划下的城市主干道要达到双向八车道,并形成集交通与景观于一体的交通风景线。根据现有地形,拟在该桩号范围道路左侧进行单侧加宽,扩建红线宽度为15 m。为此,在初步设计阶段提出了两种设计方案。

方案一:在既有道路左侧拓宽道路路基,采用传统填料回填,填方边坡坡率为1∶1.75,坡面内采用冷暖两级草籽进行播种,并做好景观的规划和搭配。新旧道路搭接处采用挖台阶加铺土工格栅的工程措施,尽可能减小新旧道路搭配的沉降差异。新增占地宽度为20 m。

方案二:在道路左侧扩宽道路路基,新旧路基搭接面同样采用挖设台阶的措施,但填筑材料采用新型泡沫轻质土,填方坡率为1∶0.5,坡面施作防护面层。新增占地红线宽度为10 m。

2 有限元模型的建立

为了对两种方案进行比较,得到更优的设计方案,拟采用有限元软件对设计方案进行比选。

Midas GTS NX有限元软件作为一款岩土工程有限元计算的专业软件,具有本构模型全面、建模速度快等优点,并在岩土工程的计算和验证中得到了大量的应用,因此拟采用该软件对两种方案进行施工过程模拟,并得到其拓宽后的沉降等变化规律。

有限元模型按照实际尺寸进行建模,并保证天然土体的横向宽度不小于路堤边坡高度的2.5倍,以避免边界约束对计算结果产生影响。为了更好地模拟实际施工过程,软件采用了以下施工阶段模拟过程:

(1)天然地应力平衡。

(2)开挖第一层土体台阶、压实回填第一层土体。

(3)开挖第二层土体台阶、压实回填第二层土体,以此类推。

(4)开挖最后一层土体,铺设土工格栅,压实回填。

(5)施加车辆荷载模拟通车。

模型中的土体单元采用摩尔-库仑本构模型,参数取值见表1,其余各参数如表2所示。

表2 有限元模型计算参数表

据此建立有限元模型如图1所示。

(a)方案一

3 有限元结果分析

3.1 路面沉降

提取两个方案的路基沉降结果如图2所示。

图2 路面沉降变化曲线图

从图2可以看出,两种方案路面的沉降变化规律一致,都呈现出新路基侧沉降大、旧路基侧沉降小的变化规律,总体呈现出倾倒的“S”形变化曲线。但两种方案又存在较大差异。方案一中,新建道路侧的沉降明显大于右侧旧路基道路,路面的最大沉降值为62.2 mm,最小值仅约1 mm,位于旧路基最右侧位置。方案二中路面的最大沉降值为11.6 mm,最小沉降值为0.2 mm。对比两种方案可以看出,采用传统路基填料进行道路拓宽时,路面的最大沉降比采用泡沫轻质土增加了50.6 mm,增大了4.4倍。分析其原因,由于传统路基填料相比泡沫轻质土而言,其弹性模量更小,抗剪强度更低。沉降的分层总和法计算如式(1)所示。

(1)

式中:s——竖向沉降(mm);

Ψs——沉降计算系数;

P——附加应力(kPa);

Es——压缩模量(MPa);

h——土层厚度(m)。

从式(1)可以看出,当上覆荷载和土体厚度一致时,沉降与土体的弹性模量成反比,弹性模量越大,土体的沉降越小。因此,在上覆相同车辆荷载的作用下,方案一产生的沉降更大。另外,由于泡沫轻质土重度比传统路基填料小,因此方案二由土体自重产生的沉降值也比方案一更小。

3.2 基底附加应力

提取路堤填土底部的竖向应力云图如图3所示。

(a)方案一

从图3可以看出,两种方案道路的竖向应力均成水平层状分布,在路基填筑范围内向上凸起,形成“几”字形应力分布。对比分析两种方案的竖向应力云图可以看出,在路基填土范围内,方案二的竖向应力等值线要比方案一更平缓。

从图3(a)可以看出,新扩建路基下的基底竖向应力最大值为212.9 kPa,位于拓建路基与旧路基的交界面坡脚处;最小值为7 kPa,位于新建路基外侧坡脚处。方案一的基底附加应力分布呈现出线性分布的变化规律。从图3(b)可以看出,方案二中扩建路基底的附加应力最大值为142 kPa,位于新建路基外侧坡脚处;最小值为53.3 kPa,位于拓建路基与旧路基的交界面坡脚处。方案二的基底附加应力几乎呈等值线均匀分布,仅在路基坡脚和内侧新旧路基交界面因为局部应力集中的原因,导致基底附加应力迅速增大。对比两种方案下的路基应力可以看出,泡沫轻质土填筑路基时对下部土体的附加应力分布更均匀,具有更强的整体性。两种方案下的路基受力模式有较大的区别,方案一中基底附加应力呈非均匀变化,方案二中基底附加应力则更加均匀。究其原因,在方案一中,填筑土基底更类似于柔性地基基础,在上覆荷载和自重作用下,表现出非均匀变化,荷载大的部位对基底产生的附加应力更大;在方案二中,泡沫轻质土整体性较好,填筑土基底更类似于刚性结构,因此基底附加应力变化均匀,仅在端部形成了应力集中现象,形成两端大中间小的应力分布。由此可以看出,用泡沫轻质土填筑路基时,能够减小对基底的附加应力,降低对原状地基土的承载力要求,尤其是在软土地基的路堤填筑中具有较大的优势。

3.3 塑性区分布

提取道路扩建范围内的塑性区分布如图4所示。

(a)方案一

从图4可以看出,两种方案下的塑性区分布存在较大的差异。从图4(a)可以看出,方案一中沿台阶挖土及粉质黏土层均出现了较大范围的塑性区分布,同时在坡脚处也存在局部塑性区。而从图4(b)方案二的塑性区分布可以看出,在新拓宽范围内未出现大的塑性区分布,仅在坡脚处有局部分布。分析其原因,在方案一中,由于传统路基填料抗剪强度低、容重大,对现状路基产生较大的附加应力,在路基滑移变形趋势下,对既有路基存在拖拽牵引的变形作用,使得既有路基出现较大变形,从而形成塑性区;新建路基坡脚存在隆起变形,产生了较大的位移,因此形成了塑性区。方案二中泡沫轻质土容重更小的同时具有更高的强度,自身稳定性更高,减小了对基底的附加应力,因此塑性区较小,仅因为应力集中而产生了局部塑性区。这说明泡沫轻质土对既有道路的影响更小,方案更优。

4 结语

本文以某道路扩建工程为研究对象,通过有限元软件模拟分析了泡沫轻质土和普通填土在路基拓宽中的位移、应力及塑性区规律,得到了以下主要结论:

(1)两种方案均表现出新路基沉降大、既有路基沉降小的变化规律,泡沫轻质土拓宽道路时最大沉降值仅为11.6 mm,更有利于控制路面沉降。

(2)传统填料的地基附加应力呈现非均匀变化,而泡沫轻质土的轻容重产生的附加应力更小,分布更均匀,对软弱地基的填方道路具有较大的优势。

(3)泡沫轻质土拓宽道路时产生的塑性区分布更小,路基稳定性更高,采用泡沫轻质土扩建路基方案更优。