建筑垃圾填筑高速公路路基变形及稳定性分析

冯 云

(广西路建工程集团有限公司,广西 南宁 530001)

0 引言

近年来,随着我国各城市大规模的建设和发展,建筑垃圾产量出现较大的增长趋势,不仅浪费了大量土地资源,更给城市环境造成了严重影响[1]。同时,伴随着我国道路工程的高速发展,路基填料经常出现无法及时供应的现象[2]。因此,如何将建筑垃圾有效利用成为路基填料,对于城市的建设及道路工程的发展均具有重要意义[3-4]。

目前,国内外关于建筑垃圾的处理和利用展开了大量研究。如王蒙等[5]通过有限元软件,模拟分析公路路面结构的力学性能,研究了建筑工程垃圾在公路路基中的力学性能,发现对建筑垃圾路基刚度进行增强能够有效改善路面结构抗拉能力。聂梦强等[6]通过对不同配合比例下的建筑垃圾混合料进行研究,得出各项参数对抗压强度的影响,结果表明某一配合比下的试块其抗压强度能够满足二级及二级以下公路路基垫层的要求。刘喜[7]设计了不同掺量及不同砖-混凝土比例的建筑垃圾再生填料配合比,对建筑垃圾作为路基填料的性能开展研究,发现建筑垃圾掺量为30%～40%时,再生填料密实度高,可以用于公路路基。赵传海等[8]以建筑垃圾再生骨料制备成加固桩,对其应用于黄土地基的加固进行了数值模拟研究,发现室内模型试验和数值模拟沉降得到的曲线比较吻合,具有相同的趋势,加固效果明显。目前,建筑垃圾已经在路面结构、地基加固桩以及混合料中得到广泛应用,但关于建筑垃圾作为路基填料的研究还有待进一步完善。基于此,本文以实际工程为例,深入研究了建筑垃圾填料替代传统填料对路基变形及稳定性的影响规律,以期为我国建筑垃圾的处理和循环利用提供思路。

1 工程概况

本文以某高速公路为研究对象,该线路全长136.58 km,建设里程约128.36 km,项目挖方合计约429.1×104m3,填方合计约1 485.3×104m3。车道设计为双向六车道,最高时速设计为120 km/h,安全等级为公路Ⅰ级。路面宽度为26 m,主要包括2×3 m应急车道+4×3.75 m行车道+2×0.75路缘带+2 m中央隔离带,道路两侧分别设置0.75 m宽土路肩,边坡比为1∶1.5。路基填筑材料主要采用建筑垃圾,部分路段采用常见的黄土填料。填筑过程采用分层压实的方法,每次填筑2 m,分三层进行填筑,每层压实度均在90%以上。根据地质勘测结果显示,该路段地基土层大致可分为7.5 m厚杂填土层、6.8 m厚黏土层以及4.7 m厚全风化花岗岩层。路基结构横截面如图1所示。

图1 路基截面尺寸示意图

2 模型的建立

本文运用有限元软件ABAQUS分别建立建筑垃圾填筑路基和黄土填筑路基数值模型,地基计算高度取20 m,宽度取45 m,路基计算宽度取26 m,高度取6 m。计算模型中共包含1 753个单元和2 037个节点。路基有限元模型如下页图2所示。

图2 路基有限元模型示意图

计算模型中路面结构采用Drucker-Prager线弹性本构模型。由于路基填料与地基土体具有明显的非线性和非弹性变形特点,其本构模型均采用Drucker-Prager弹塑性模型。该模型可以更好地反映填土材料及地基土体的重要性质,使计算结果更为精准,屈服准则遵循Mohr-coulomb原则。计算过程中将路面结构与路基材料视为均匀同质材料,土层各接触面均为完成连续,且各接触面压力均呈均匀分布;同时对地基底部进行水平位移及竖向位移约束,地基与路基上部均为自由界面,地基两侧设置水平位移约束。计算模型中各材料参数如表1所示。

表1 路基填土及地基各土层参数表

3 结果与分析

3.1 不同填筑高度对比分析

运用软件分别建立填筑高度为4 m、5 m、6 m、7 m及8 m的建筑垃圾填料路基的分析模型,确定边坡比均为1∶1.5,以黄土路基模型作为参照对象,针对两种路基填料在不同填筑高度的变形及稳定性进行对比分析。

3.1.1 变形分析

图3为建筑垃圾路基与黄土路基在不同填筑高度下的坡底最大水平位移变化对比曲线。

图3 不同填筑高度下路基坡底最大水平位移变化对比曲线图

根据图3可知,随着填筑高度的增高,黄土与建筑垃圾填料路基的坡底最大水平位移均呈不断增大趋势,随着填筑高度的增大两种填料路基坡底的最大水平位移差值会逐渐增大,但两种填料路基的水平变形整体趋势相似。由此说明,对于不同填筑高度的路基而言,采用建筑垃圾作为填料在控制路基水平变形方面基本满足规范要求。

3.1.2 沉降分析

图4为建筑垃圾路基与黄土路基在不同填筑高度下的最大沉降变化对比曲线。

图4 不同填筑高度下路基工后最大沉降变化对比曲线图

根据图4可知,随着填筑高度的增高,黄土与建筑垃圾填料路基顶面的最大沉降均呈不断增大趋势,随着填筑高度的增大两种填料路基顶面的最大沉降差值同样会逐渐增大,但两种填料路基的竖向沉降值整体变化相似。由此说明,采用建筑垃圾作为填料可以使不同填筑高度的路基竖向变形满足规范要求。

3.1.3 稳定性分析

图5为建筑垃圾路基与黄土路基在不同填筑高度下的稳定安全系数变化对比曲线。

图5 不同填筑高度下路基稳定安全系数变化对比曲线图

根据图5可知,随着填筑高度的增高,黄土与建筑垃圾填料路基的稳定系数均呈不断减小趋势,两种填料路基的稳定系数整体变化趋势大致相似。对于填筑高度<6 m的路基,两种填料路基的稳定系数相对较高;而对于>6 m的路基,两种填料路基的稳定系数均出现较大程度下降,但两种填料路基在不同填筑高度的稳定系数均满足设计要求。由此说明,采用建筑垃圾作为填料可以保证不同填筑高度下的路基安全稳定性达到设计要求。

3.2 不同边坡比对比分析

运用软件分别建立路基边坡比为1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75及1∶2的建筑垃圾填筑路基分析模型,路基填筑高度均为6 m,并以黄土路基模型作为参照对象,针对两种填料在不同边坡比时的变形及稳定性进行对比分析。

3.2.1 变形分析

图6为不同边坡比下建筑垃圾路基与黄土路基的坡底最大水平位移变化对比曲线。

图6 不同边坡比下路基坡底最大水平位移变化对比曲线图

根据图6可知,随着路基边坡比的增大,黄土与建筑垃圾填料路基的坡底最大水平位移均呈不断减小趋势,随着边坡比的增大两种填料路基坡底的最大水平位移差值会逐渐变小,但两种填料路基的水平变形整体变化趋势大致相似。由此说明,采用建筑垃圾作为路基填料在控制路基水平变形方面可以达到传统填料的设计要求。

3.2.2 沉降分析

图7为不同边坡比下建筑垃圾路基与黄土路基的最大沉降变化对比曲线。

根据图7可知,随着路基边坡比的增大,黄土与建筑垃圾填料路基顶面的最大沉降值均呈不断减小趋势,随着边坡比的增大两种填料路基顶面的最大沉降差值会逐渐变小,但两种填料路基的最大竖向沉降值整体变化趋势大致相似。由此说明,与传统填料相比,建筑垃圾作为路基填料在控制路基竖向变形方面同样可以满足规范要求。

3.2.3 稳定性分析

图8为不同边坡比下建筑垃圾路基与黄土路基的稳定安全系数变化对比曲线。

根据图8可知,随着路基边坡比的增大,黄土与建筑垃圾填料路基的稳定系数均呈不断增大趋势,两种填料路基的稳定系数整体变化趋势大致相似。对于边坡比<1∶1.5的路基,两种填料路基的稳定系数相对较低,而对于边坡比>1∶1.5的路基,两种填料路基的稳定系数相对较高,但不同边坡比条件下两种填料路基的稳定系数均符合安全设计标准。由此说明,采用建筑垃圾替代传统填料具有较高的可行性和适用性。

图8 不同边坡比下路基稳定安全系数变化对比曲线图

4 结语

本文通过运用有限元软件建立建筑垃圾填料高速公路路基数值模型,并针对不同填筑高度及边坡比条件下,黄土填料与建筑垃圾填料路基的变形及稳定性变化规律进行对比分析,得到以下主要结论:

(1)随着填筑高度的增大,两种填料路基的坡底最大水平位移及顶面最大沉降均呈不断增大趋势,且增大趋势基本保持一致。

(2)黄土填料路基与建筑垃圾填料路基的稳定系数均随着路基高度的增高而增大,且两种填料路基的稳定系数整体变化趋势大致相似。

(3)随着路基边坡比的增大,两种填料路基的坡底最大水平位移及顶面最大沉降均不断减小,且两种填料路基的位移及沉降差值相对较小。

(4)在不同路基边坡比条件下,两种填料路基的稳定系数均满足安全设计标准,说明采用建筑垃圾替代传统填料在控制路基变形以及保证其安全稳定性方面具有优良效果。