泡沫混凝土在某公路路基改扩建中的应用研究

马瑞霞

（山西路桥第一工程有限公司，山西太原 030006）

0 引言

泡沫混凝土作为近些年发展起来的新型路基填料，在公路改扩建工程中应用广泛，具有强度可调节、轻质、流动性好等特点，在扩建公路中可大幅度减小新建路基的荷载，减小新旧路基差异性沉降。

对泡沫混凝土的相关研究，刘楷等[1]分析了干湿循环下泡沫混凝土的耐久性，在干湿循环作用下，低聚合物轻质土比水泥轻质土的强度衰减大。骆永震等[2]研究了加筋泡沫轻质土在软土地基上的施工过程中应力和位移的变化情况，得出泡沫轻质土路基比普通填土路基的沉降要小，有效地减小基底的竖向应力，同时加筋的作用使得路基底部应力分布更加均匀。姚运仕[3]的研究指出，泡沫轻质土可提高施工区域盐渍土的使用比例，材料的性能表现良好，明确了盐渍土在泡沫轻质土中的应用效果。叶咸等[4]对复杂地质条件下泡沫轻质土的技术方案进行了论证，其结果表明在山区复杂地质情况下，泡沫轻质土的应用能够很好地解决传统路基在填筑过程中的问题，但因其强度较低，在施工完毕后应加强对其位移的监测。许江波等[5]分析了不同参数模量下纤维增强泡沫轻质土的变形特性，得出纤维对泡沫轻质土内部的初始缺陷有改善作用，泊松比随围压的循环次数增大而增大。李明等[6]对明洞二次回填中泡沫轻质土的受力特性进行了研究，得出衬砌仰拱应力最小时的回填参数，有利于明洞结构的稳定。由于泡沫混凝土具有可调的强度特性及轻质等特点，在公路改扩建工程中应用广泛，具有良好的经济适用性，特别是在已建成工程基础上的改扩建项目中应用越来越多，因此对泡沫混凝土的研究具有重要意义。本文将采用数值模拟的方法对泡沫混凝土在公路改扩建过程中的变形特性进行研究，为工程提供参考。

1 材料特性

常用的轻质填料主要是密度低于天然土的填料，包括EPS（Expanded Polystyrene，聚苯乙烯泡沫）、流态粉煤灰和泡沫混凝土（Foamed Concrete，FC）。泡沫混凝土是将发泡得到的气泡与水泥等胶凝材料均匀混合，再将其倒入模具中经过养护后得到符合要求的新型材料。与常用的轻质材料相比，泡沫混凝土的重度较低，如表1所示为几种常用材料的重度。

表1 常用材料重度 单位：kN/m3

发泡剂的制作在制备泡沫混凝土中具有重要意义，由于其材料在生产过程中有大量封闭的气泡，并且可通过调整气泡的吹入量来控制泡沫混凝土的容重，这样泡沫混凝土的容重就较普通材料的容重小。同理还可以通过控制气泡的多少来调节泡沫混凝土的强度（可在0.3 MPa～5 MPa 之间调整）。另外，在气泡的充入和拌和下，泡沫混凝土的流动性好，可在管道内输送较长的距离，这样就降低了施工器械对场地的要求，施工的灵活性更高。同时由于胶凝材料的使用，泡沫混凝土在硬化后可以自立，有利于现场的垂直浇筑施工。

2 工程概况

某公路改扩建工程，线路全长18.9 km。原公路已建成运营8年，为一级公路，设计速度为60 km∕h，双向四车道，路基宽度为26 m。原有的路幅宽度已经不能满足当下的交通需求，拟采用单侧加宽的方式对路基进行扩建，扩建后为双向六车道。在路基扩建的方案中，若采用普通路基材料进行修筑，传统路基施工方法在路基加宽过程中需要进行大量的碾压工作，受现场条件限制，采用轻质路基进行填筑，综合考虑选择重度较小且对地基承载力要求较低的泡沫混凝土（FC）进行填筑，可以充分发挥泡沫混凝土具有良好流动性的特点，减小对施工场地的依赖。

根据路基现场情况，填方路基最高为5 m，拟定加宽部分采用垂直加宽，在原路基上进行台阶式开挖，每层台阶的高度为1 m，开挖后再填筑泡沫混凝土，在新老路基台阶连接处使用φ25 mm、长为1.5 m 的锚筋进行连接，同时在旧路面宽度范围内多挖1 m 的距离铺设钢筋网，进行新旧路面的搭接，保证新老路基连接的稳定性和整体性，尽量减小路基的工后差异性沉降，如图1所示。

图1 路基断面图（单位：m）

3 数值模拟研究

3.1 模型的建立

对公路改扩建的数值模拟，本文选择Midas GTS NX 有限元软件对工程进行模拟。借助计算机技术的发展，该软件内置了多种能够与工程相适应的本构模型，能够模拟复杂的边界条件和工况，适用建筑结构多样化的连接方式，对工程的适用性较好，具有前处理简单、后处理可视的优点，因此本文采用Midas GTS NX软件进行数值模拟计算。

数值模拟首先是建立几何模型，扩建工程原为双向四车道，现进行单侧拓宽扩建，扩建后为双向六车道，扩建宽度为7.5 m，如图1所示。根据有关文献[7]，以原路基中线为模型建立起点，采用直立式填筑进行加宽，路基高度为5 m，既有路基下部为复合地基，考虑扩建后新建路基对旧路基和地基的影响范围，故地基深度选择15 m，横向宽度为31 m，整个模型高度为20 m。该次模拟采用2D 平面模型进行模拟，几何模型建立完成之后进行网格划分，其网格密度均采用1 m。在网格划分之后对各网格进行参数的定义，主要对地基土、路基土和泡沫混凝土3 层土层进行定义，地基土和路基土均选择摩尔-库伦（M-C）本构模型，而泡沫混凝土在本构模型选取时充分考虑材料的应力应变关系，由于材料中存在较多的气泡，在受外荷载的作用下，其变形包含弹性和非弹性，应力应变关系属于非线性弹性，因此选用德鲁克-普拉格（D-P）模型进行模拟。其他土体参数参考地勘资料，最终选用的各个参数如表2所示，模型图如图2所示。模型建立完后采用施工阶段管理模块对施工步骤进行模拟，首先是对既有路基和地基的重力场进行恢复，为研究改扩建后路基和地基的沉降情况，在施加扩建路基前对既有路基和地基的位移进行清零，计算结果中仅体现新建路基对旧路基和地基的影响情况。

图2 有限元模型

表2 模型参数表

3.2 计算结果分析

3.2.1 路基变形影响研究

3.2.1.1 地基竖向位移分析

在新路基填筑的影响下，对地基的竖向位移变化情况进行分析，分别提取每填筑1 m 泡沫混凝土材料时地基的竖向位移值进行分析，得到如图3所示结果。

图3 地基竖向位移变化图

如图3所示，图中填1 m～填5 m 表示每次填筑1 m时地基的位移变化情况。可见地基的竖向位移变化随地基水平位置的增大呈“凹”形变化，最大竖向位移为-6 mm，位于水平位置20 m 处，此处正是新建路基与地基的交汇处。在路基的整个填筑过程中，地基的竖向变化曲线以水平位置20 m 处为最大值点，逐步向两侧呈扩散形减小，对地基竖向位移影响最大的区域为14～24 m 的范围。由于原路基截面呈梯形，造成路基对地基竖向位移在水平20 m 处左侧的影响范围略大于右侧。随着填筑高度的增加，地基最大值以每级1.5 mm的增幅逐渐增大，最后“填5 m”工序后的竖向位移值并不是太高，这说明泡沫混凝土这种填筑材料的轻质性优势在新建路基部分得到了良好的体现。

3.2.1.2 路基顶面竖向位移分析

新旧路基在搭接过程中，由于新旧路基填筑时间的不同，既有旧路基的固结已经完成，新路基的竖向变形往往是引起新旧路基差异性沉降的关键因素，因此需对路基顶面的竖向位移进行分析，如图4所示。

图4 路基顶面竖向位移图

如图4所示为路基顶面的竖向位移变化情况，随着距老路基水平距离的增加，路基顶面的竖向位移在老路基部分呈逐渐增大的趋势，最大值在水平位置12 m处，为-2.7 mm；而随着水平距离的持续增大，新建路基部分的竖向位移值在最大值点后迅速减小，然后基本呈稳定状态，竖向位移值维持在-1.7 mm 左右，这说明新建路基对老路基竖向位移的影响主要集中在新旧路基的交界处，而老路基在新路基的荷载作用下，竖向位移值变化稍大，影响范围在6～13 m 间。由于新旧路基材料的差异，新路基的弹性模量较高，新路基的竖向沉降变化整体性更强，自身填方体压缩沉降较小，其竖向位移的变化主要来自地基竖向位移的变化。

3.2.1.3 路基顶面水平位移分析

对新旧路基顶面的水平位移变化值进行提取分析，如图5所示。

图5 路基顶面水平位移图

如图5所示结果，路基顶面的水平位移值变化随路基水平位置的增加而逐渐增大，最大值位于新旧路基交界处，最大值为1.7 mm，水平位置在越过新旧路基交界处后，路基顶面的水平位移值随路基水平位置的增大而迅速减小，最终在水平位置14 m 后稳定在水平位移值为0.4 mm 左右，新路基部分的水平位移值表现出了整体性的变化趋势。这种现象说明，新旧路基填筑材料的差异会影响路基的变形形态，新路基的变形整体性更强，老路基的变化线性更强，这也是由材料的性质决定的。

3.2.1.4 新建路基自立面水平位移分析

对泡沫混凝土垂直自立面的水平位移变化情况进行分析，得到如图6所示的变化曲线。

图6 路基临空面水平位移变化图

如图6所示，路基高度与水平位移之间基本呈线性变化关系，路基高度越高，水平位移值越大，最大值为0.9 mm，这也印证了泡沫混凝土在未进入塑形变形前的高弹模变形特征。

3.2.2 容重对路基沉降影响研究

考虑到泡沫混凝土容重的大小为泡沫混凝土区别于普通填料的典型特点，现对不同容重（5 kN∕m3、8 kN∕m3、10 kN∕m3）的泡沫混凝土改扩建路基顶面的竖向位移进行分析，得到图7所示结果。

图7 不同重度下路基顶面竖向位移变化图

如图7所示结果，在不同重度下路基顶面的竖向位移随重度的增大而逐渐增大，新旧路基的差异性沉降也随之增大，竖向位移变化的最大位移值依旧在水平位置12 m 处的新旧路基交界处。因此，在对泡沫混凝土的使用中应注意路基沉降要求与路基强度之间的平衡关系，达到保证路基强度质量的同时尽量减少路基的容重。

4 结论

本文对公路路基改扩建中使用泡沫混凝土的变形特性进行了研究，使用数值模拟手段对新旧路基的水平和竖向位移以及地基的位移情况进行了分析，主要得到以下结论：

a）泡沫混凝土在填筑过程中，对地基竖向位移影响最大的地方在水平位置20 m 处，其竖向位移的变化以最大值点为中心逐步向两侧呈“凹”形扩散减小，影响范围为最大值点前后5 m 范围。

b）路基顶面的竖向位移和水平位移最大值点均出现在新旧路基的搭接处，旧路基顶面的位移变化线性更强，新建泡沫混凝土路基的整体性更强。

c）新路基自立面的水平位移随路基高度增大呈线性增大趋势。

d）泡沫混凝土容重的增大会造成新旧路基的差异性沉降增大，设计中应平衡泡沫混凝土容重和地基承载力的条件，达到保证路基强度质量的同时尽量减少路基的容重。