发泡轻质土回填沉降分析与工程应用

邹洽宇，晏石林，余剑英，章灿林，李德权

(武汉理工大学a.理学院;b.材料科学与工程学院，湖北武汉 430070)

发泡轻质土回填沉降分析与工程应用

邹洽宇a，晏石林a，余剑英b，章灿林b，李德权a

(武汉理工大学a.理学院;b.材料科学与工程学院，湖北武汉 430070)

本文依托K3+085.0分蓄洪区总排渠中桥桥背发泡轻质土回填工程，介绍了发泡轻质土的现场施工应用。结合发泡轻质土具体填筑工程，建立有限元沉降计算模型，研究发泡轻质土密度与抗压强度参数对沉降的影响，结果表明:降低发泡轻质土的密度能明显改善桥背路面沉降状况，轻质土抗压强度的设计则更需要考虑回填结构与路面之间的局部作用。文中模拟计算了实验室制备的5种发泡轻质土材料回填时桥头搭板末端的总沉降，计算结果表明，综合考虑工程安全与经济性因素，设计发泡轻质土密度为700 kg/m3，抗压强度为1.5 Mpa较为合适，且采用C型发泡轻质土填筑时，台后路面沉降能满足桥头跳车病害防治指标。最后将C型发泡轻质土应用于工程实践，根据工后沉降观测结果，台后路面在工后3个月内没有明显沉降发生，达到了项目预期要求。

发泡轻质土;沉降;有限元模拟;材料设计;工程应用

近年来，我国高等级公路建设的投入越来越大，公路里程数逐年增多。但是，在已通车的高等级公路特别是高速公路中仍存在许多问题，其中较为普遍的是发生在桥背部位的跳车现象。桥头跳车现象产生的根本原因，在于桥背部位的填筑质量控制不好，沉降超过一定的限度造成，且这种问题在一些软基路堤或高路堤台背回填工程中表现更为严重。我国每年需要花费大量的人力、物力和财力来处理桥头跳车带来的危害，桥头跳车已成为高速公路运营中迫切需要解决的难题。根据国内外软土路基处理和路基拼接工程实践经验，采用人工制作的容重比一般土体小而强度和变形特性可以达到甚至超过一般土体的气泡混合轻质填土材料填筑路堤，是解决软基路段“桥背”跳车、路基不均匀沉降等问题的可行措施［1～3］。

1 工程概况

1.1 桥头路基概况

K3+085.0分蓄洪区总排渠中桥位于公安县夹竹园镇荆安村境内，终南古寺旁边，处于荆州至公安高速路段主干道上。该工程位于洞庭湖坳陷北西端和江汉坳陷南西端过渡地带，属平原、低丘陵地貌单元。根据勘探情况，沿线地层主要为第四系巨厚层沉积层，自上而下主要为粉质粘土(局部淤泥质粉质粘土)、粉土层、细砂层、卵砾石层;大部分土层含水量高、稳定性差，根据公路设计规范软土鉴别指标，均为软土，工程地质条件较差，对路基填方稳定性及沉降有较大影响。为防止桥背路基与桥台有明显的差异沉降发生，该项目桥背过渡段路堤采用发泡轻质土回填。

1.2 发泡轻质土在桥背回填工程中的应用

发泡轻质土是由固化剂(水泥)、水、发泡剂、外掺料(土、火山灰、粉煤灰等)通过机械设备充分混合搅拌后凝固成型的新型多气泡轻质高强材料。现浇气泡混合轻质土有着高流动性、易固化、以及良好自立稳定性等优点，且耐久性好，施工简便快捷，造价适中，无需进行特别的养生处理，可较大限度地消除填料重量引起的沉降量，在公路建设中得到越来越广泛的应用。工程实践也证明采用轻质土法能够缓解桥台结构与台背回填土的刚柔突变，使台背路面工后沉降曲线变得平缓，有效防治桥头跳车病害［4，5］。

通过对公安县斗湖堤至荆东高速公路黄金口互通连接线上的分蓄洪区总排渠中桥桥头路基基础充分研究，决定软基过渡段部位采用发泡轻质土技术来解决“桥头跳车”问题。实验室设计了多种材料配比方案，制作了不同规格的发泡轻质土材料，通过室内试验测定了这些材料的抗压强度与弹性模量，然后从安全性与经济性角度考虑，选择C型发泡轻质土材料来填筑台背。现场施工按照实验室确定的配比方案进行，材料主要有水泥、水、发泡剂等，发泡剂与水的比例控制在1∶60～1∶40之间，水泥与水的比例通过控制机器设备进料速度来调节。图1所示为K3+085.0分蓄洪区总排渠中桥发泡轻质土浇筑现场。

图1 轻质土浇筑现场

2 沉降计算与材料优化

2.1 桥背发泡轻质土回填沉降计算

目前，研究路基沉降计算的方法很多，基本上可以分为分层总和法、有限元法、试验推演法以及组合预测法。其中有限元法是目前越来越受到重视与广泛应用的一种方法，它在工程安全性验证、结构优化以及兼顾效益降低成本等方面有其独到的优势。有限元法可以计及复杂的几何与边界条件、荷载和施工工序、土的非均质性与非线性变形特性;同时与比奥固结理论相结合，可计算沉降的过程，也可进行上部结构、基础和地基共同作用计算，故应用日益广泛［6～8］。本文中考虑到K3+ 085.0分蓄洪区总排渠中桥桥背路基各土层分布厚度不均匀、施工工序和土体材料的非线性变形特征等因素也会对沉降计算产生影响，因此采用有限元方法模拟计算台背填土回填沉降变形。

根据K3+085.0分蓄洪区总排渠中桥设计说明文件，建立计算模型如图2所示，模型计算深度取34 m，计算长度沿纵断面取50 m。桥头附近软基采用水泥搅拌桩处理，复合地基渐变段采用改变桩间距过渡，水泥搅拌桩间距为1 m，深度为10.3 m，桩直径为50 cm，呈正三角形布置。桥台与路基结合部位设置搭板，搭板长6 m，一端在桥台上。模型所受的附加荷载分为填土自身重力荷载、合计25.91 kPa的路面荷载与交通荷载。复合地基［9］及其下卧土层材料参数见表1。

图2 K3+085.0分蓄洪区总排渠中桥左侧软基沉降计算模型/m

表1 复合地基以及下卧土层物理力学性能参数

本文采用有限元软件ANSYS对沉降变形进行模拟，具体步骤如下:

(1)定义材料参数，地基土材料采用Drucker-Prager本构模型［10］;

(2)建立沉降计算模型，采用PLANE42型单元划分网格，施加约束(搭板视为与桥台刚性连接);

(3)“杀死”回填土单元，模拟地基初始地应力状态;

(4)“激活”回填土单元，施加路面自重荷载、交通荷载，模拟计算桥背路面沉降变形。

按照上面的步骤，通过有限元软件计算路基回填以及路面与行车荷载加载时的竖向位移值;将模拟得到的路基表面竖向位移值作为路基固结沉降值，然后乘以修正系数得到路基表面总沉降［11，12］，模拟计算流程见图3。

图3 考虑施工工序的路基表面沉降计算流程

2.2 发泡轻质土回填结构与材料参数优化

由于常规填土与发泡轻质土的物理力学性质有着明显差异，为防止回填的发泡轻质土结构与常规填土结合部位发生易引起桥头跳车的台阶式沉降差，特设计图4所示的回填结构。现以所设计回填结构为基础，研究轻质土密度以及抗压强度参数对桥背路基表面沉降的影响。具体步骤如下:(1)在ANSYS中改变发泡轻质土的密度与弹性模量(与轻质土压缩强度线性相关)等材料参数计算桥背路基表面固结沉降;(2)统计纵向距离桥台不同距离的路面沉降变形值，乘上1.4的沉降系数进行修正得到路基表面总沉降曲线。图5、图6分别为发泡轻质土密度参数与桥背路面沉降关系曲线、不同抗压强度参数下的桥背路面沉降曲线。图5中曲线表明发泡轻质土密度对桥头路基表面沉降有较大影响，密度增大，路面沉降变形随之增大:发泡轻质土密度小于1000 kg/m3时，桥头构造物处(搭板末端)路基表面总沉降在6～7 cm之间;当发泡轻质土密度同常规填土一样时，路基表面总沉降会超过9 cm。图6中可以看出提高发泡轻质土的抗压强度(弹性模量随之增大)，桥头构造物处沉降会有所减小，在距桥头6～7 m的范围内，抗压强度参数的改变对沉降变形的影响较大，因为该位置为搭板末端(路面结构突变)位置，且填筑结构形状也在该位置开始过渡变化。但改变抗压强度参数对沉降的影响与改变密度相比较小，这是由于发泡轻质土换填厚度较小，轻质土本身的压缩变形小;不改变发泡轻质土的重度仅仅提高发泡轻质土构造物本身抗变形特性对软基沉降状况的改善并不是十分有效。因此在材料设计时，把调节发泡轻质土密度大小作为控制桥头路面沉降的主要手段，而其抗压强度(抗变形特性)设计更多的是从回填结构与路面之间相互作用变形对沉降影响角度考虑。

图4 轻质土回填纵断面构造/m

图5 轻质土不同密度参数下的桥背路面沉降曲线

图6 轻质土不同抗压强度参数下的桥背路面沉降曲线

展开轻质土材料选择的研究:调节发泡剂浓度以及水灰比，设计制备五种发泡轻质土材料A、B、C、D、E，实验室分别测得其平均密度与抗压强度见表2。将5种材料的参数应用到已建立的有限元计算模型中，统计搭板(6 m)末端总沉降值，绘成随密度变化的曲线如图7。图7中可以看出，沉降随密度变化曲线的斜率随密度增大而增大，说明发泡轻质土密度在700 kg/m3以下时，密度的改变对沉降的影响较小;随着密度变大，轻质土的密度参数对总沉降的影响变大。可见当发泡轻质土密度在700 kg/m3以下时，继续降低密度收效不大，同时轻质土密度过低时，制备的轻质土试样抗压强度变化幅度较大，质量不好控制。而发泡轻质土密度在700 kg/m3以上时，水泥用量会增多，成本大幅增加，同时总沉降值会相应增大。综合考虑，K3+085.0分蓄洪区总排渠中桥桥背发泡轻质土回填工程选用发泡轻质土材料C。将其材料参数输入ANSYS计算模型得到桥背路基表面沉降值如表3所示，主固结沉降模拟计算得到位移云图见图8。沉降云图局部放大图见图9。有限元计算表明搭板末端处路面总沉降值为6.3 cm(小于项目要求的10 cm)，满足处治要求。

表2 不同类别发泡轻质土材料参数

表3 台后路面不同位置处固结沉降与总沉降值

图7 发泡轻质土材料密度与搭板末端路面沉降关系曲线

图8 主固结沉降模拟计算总体沉降云图

图9 发泡轻质土回填部位局部沉降云图

3 桥背填筑效果分析

沉降预测结果表明，选用发泡轻质土回填材料C(发泡轻质土密度为700 kg/m3，抗压强度达到1.5 MPa)时，搭板末端总沉降满足处治要求，因此现场浇筑按照材料C的材料配比进行。现场浇筑采用分层浇筑方式，待上一次浇筑完成固化至一定强度后再浇筑下一层，共分四次浇筑完成:第一次浇筑40 cm;第二、三次分别浇筑70 cm;最后一次浇筑20 cm高的面层。发泡轻质土现场制作与浇筑时，每隔一段时间定期采样检测轻质土的湿容重，从而及时调整发泡机械的进料速度与发泡剂的浓度。采样的发泡轻质土浇入70 mm×70 mm×70 mm模具，自然固化并经过28 d养护期后，通过试验仪器对其表干密度与抗压强度进行测试，测试结果见表3。从表中可以看出，施工现场浇筑采样的轻质土密度在700 kg/m3左右，抗压强度平均值达到了1.5 MPa。图10所示为施工现场采样制模压缩试验破坏断面SEM图样，从中可以看出，现场浇筑的轻质土气泡较均匀，且气泡壁比较光滑，气泡与气泡之间骨架材料稳定。

现场浇筑施工完成后，笔者对填筑结构做了几次实地观察，图11所示为填筑结构在施工完成三个月后的照片，结合其固化稳定之后与桥台连接部位做的标记，这段时间内并没有发生由于差异沉降引起的桥台与填筑体之间的“错台”现象。由于材料配比设计合理、养护得当，发泡轻质土结构表面无裂纹产生。现场取样试验(试样表干密度与抗压强度值见表4)以及工后观测结果说明现场浇筑施工质量较好，达到了预期要求。

图10 施工现场采样制模压缩试验破坏断面SEM图样

图11 填筑3个月后效果

表4 现场采样试样表干密度与抗压强度值统计

4 结语

针对K3+085.0分蓄洪区总排渠中桥发泡轻质土回填工程，本文结合施工现场桥背软基地质勘测结果，进行发泡轻质土回填结构设计，通过有限元软件ANSYS模拟计算轻质土回填过程桥台构造物处路面表层沉降，研究发泡轻质土密度、压缩强度对沉降的影响，从减小差异沉降、消除桥头跳车影响与节省成本出发，设计发泡轻质土材料参数。根据设计要求生产发泡轻质土并现场浇筑，施工完成后，发泡轻质土回填工程各项检测指标符合规范要求，经过笔者回访观察，填筑结构没有明显沉降发生，整体表现良好。工程实践证明，采用有限元法计算机辅助设计能有效解决结构与材料设计问题，为工程实践指明理论方向，同时通过合理的结构、材料设计节省工程成本。项目中积累的设计与施工方面的成功经验供同行们参考。

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Settlement Analysis of Back filling by Foamed Cement Banking and Engineering App lication

ZOU Qia-yua，YAN Shi-lina，YU Jian-yingb，ZHANG Can-linb，LIDe-quana
(a.School of Science;b.School of Materials Science and Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Relying on the K3+085.0 Chief flood diversion canal bridge backfilling project，this paper has introduced the construction application.According to specific construction，this paper established settlement calculation finite element model to study the influence done by changing the parameters of foamed cement banking(FCB)like density and compressive strength on settlement of pavement，the result shows reducing the density of FCB can significantly improve the settlement status at the back of bridge abutment and the design of its compressive strength should consider the local interaction between backfill and pavement structure.Five kinds of FCB with different density and compressive strength were prepared in the laboratory.Through comparative analysis of simulation results of backfilling with those five kinds of FCB，choose the optimalmaterial parameters design with considering both engineering safety and economy factors，that is the density of 700 kg/m3and the compressive strength of 1.5 Mpa.The simulation result shows the settlement at the back of bridge abutment is less than the settlement control index when the C type of FCB is backfilled at the back of bridge abutment according to the structure design.Finally，the designed backfill structure and material were put into practice，the observation shows the obvious post-construction settlement didn＇t occur after 3 months，which achieved the requirements of the project.

foamed cement banking;settlement;FEM simulation;materials design;engineering application

TU470+.3;U416.1

A

2095-0985(2015)02-0042-05

2014-11-25

2015-04-17

邹洽宇(1988-)，男，湖南娄底人，硕士研究生，研究方向为路面材料与结构工程(Email:zouqiayu10644@163.com)

晏石林(1963-)，男，湖南娄底人，教授，博士，研究方向为复合材料力学与结构(Email:yansh1@whut.edu.cn)

中央高校基本科研业务费专项资金(WUT:2013-Ⅳ-110);湖北省公路管理局科技项目(鄂路计［2013］351号)