轻质填料法在路堤加宽中的地基变形分析

童 明

（南方工程检测修复技术研究院 广东惠州516000）

0 引言

两侧加宽的道路扩宽工程中，新老路堤下地基土体的不均匀沉降和变形是关键技术问题。拓宽扩建路基较一次性新建路基沉降演变过程复杂，需重视新老路基之间的相互作用。老路堤下的地基土体，在道路使用多年后，经过长时间的荷载作用和固结沉降过程，在现有的荷载应力下，其固结已完成，变形已稳定。扩宽工程新增加拓宽路堤，相当于对地基土体增加了新的外部恒载，这势必引起新老路堤下的土体产生附加沉降变形，而新老路堤下的地基土体固结状态的不同，又将导致两者差异沉降的产生，相对过大的差异沉降，进而会引起路基的变形，严重时会出现路基的拉裂，下沉过速等病害，将会对道路的正常运营带来难以估量的不良后果。因此拓宽工程应控制附加沉降及差异沉降[1-3]。

轻质填料法，是指路堤采用容重很小的轻质材料填筑，通过减轻路堤的自重，使地基所承受的上覆荷载减小，进而减小地基的压缩量，使路堤沉降量减小。对于扩建工程而言，拓宽路堤使用轻质填料，对下覆地基新增的荷载较小，有效应力的影响深度和强度减小，提高地基的稳定性，减少路基沉降、侧向变形和新老路基的不均匀沉降，降低新路堤对老路堤的影响。另外，在节约用地、降低工程造价和缩短工期等方面，轻质填料加宽路堤具有明显优势[4-8]。

国内外的轻质填料种类较多，常用的有：粉煤灰轻质土、泡沫塑料块体轻质土（EPS）、泡沫塑料颗粒混合轻质土、气泡混合轻质土、SLM 轻质混合填料等。

本文采用有限元方法，对轻质填料法在路堤加宽中的地基变形特性进行计算分析，获得影响因素与地基变形的关系。

1 有限元模型和计算条件

某道路扩宽工程老路堤宽度26 m，填土高度4 m，路堤边坡坡度为1∶1.75，老路营运10年后进行加宽工程，在原有的路堤两侧各加宽8 m，新路堤采用轻质土（γ=6.0 kN/m3）直立填筑。

地基土层从上往下依次是：〈1〉硬壳层（厚3 m）；〈2〉淤泥质亚粘土层（厚16 m）；〈3〉粗砂层（下卧层）。有限元分析的本构模型：硬壳层、淤泥质亚粘土层采用修正剑桥模型；粗砂层、原路堤填土与新路堤轻质土采用线弹性体模型。

老路采用塑料排水板处理软土层，塑料排水板平面上为等边三角形分布，间距1.5 m，贯穿软土层。加宽部分采用轻质土直立填筑。计算过程分为4 个时段：老路堤施工期、老路堤工后固结期（道路运营期10年）、新路堤施工期、新老路堤工后固结期（道路运营期15年）。

因路基断面是轴对称，计算时取路基断面的一半进行计算分析。地基计算分析宽度60 m，深度40 m。

2 计算结果分析

2.1 填筑几何断面的影响

道路扩建工程中，采用轻质填料填筑拓宽路堤非常显著的优点就是可直立式填筑。直立式填筑能有效地减少占用土地，降低征地成本，有显著经济效益[8，9]。为研究填筑几何断面的影响，对直立式填筑与斜坡式填筑两个工况进行对比分析。

⑴由图1 可知，两者最大沉降值相差不大，但直立式填筑的沉降曲线较陡，而斜坡式填筑的曲线变化较平缓。究其原因，直立式填筑在横断面上存在上覆荷载突变。

图1 地表处附加沉降曲线图Fig.1 Additional Settlement of Ground

⑵老路堤坡脚处下地基侧向位移曲线，两者接近，侧向位移值小。新路堤坡脚处下地基侧向位移曲线，两者有较大区别，斜坡式填筑较直立式填筑有较大的侧向位移值，直立式最大值在深度3 m 处两土层交界面，为0.752 cm；斜坡式最大值在地表处，为1.78 cm，深度3 m 处的位移值为1.08 cm（见图2）。

图2 附加侧向位移曲线图Fig.2 Additional Lateral Displacement

总的来说，两者地表沉降和侧向位移值均较小，处理效果接近，采用直立式填筑能减少造价较高的轻质填料用量，同时减少占地面积，有较明显的经济性。

2.2 填土高度的影响

对填土高度分别为2 m、4 m、6 m 的工况进行分析。

⑴沉降值随填土高度增大而增大。在填高较小时，最大沉降值增加较快。最大沉降值的位置随填土高度增加而向路基外侧移动，原因是填土越高，拓宽路堤的重心远离路基中心。差异沉降值则随填土高度的增大而上下波动（见图3、图4）。

图3 不同填土高度地表处附加沉降曲线图Fig.3 Additional Settlement at the Surface of Different Fill Heights

⑵侧向位移值随填土高度增大而增大。老路堤下的土体侧向移动方向随着填土高度变化而出现差异。如填高2 m 时，老路堤坡脚下的侧向位移出现负值，这部分土体的位移是指向路基内部的，究其原因，是因为不同的填土高度下，新路堤的形心位置的不同。从新老路堤处下地基的最大侧向位移与填土高度的关系图可知，最大侧向位移随着填土高度变化，增速加快（见图4、图5）。

图5 不同填土高度附加侧向位移曲线图Fig.5 Additional Lateral Displacement of Different Fill Heights

2.3 软土层厚度的影响

对软土层厚度在8～24 m 之间变化进行分析。

⑴沉降值随软土层厚增大而增大，但增速减小，即软土层厚在较小值范围增加时，沉降值增加较快，究其原因是因为轻质填料产生的附加应力较小且随深度增加而进一步分散减小，地表处的沉降主要是浅层土体的固结沉降所产生的，深层土体的固结沉降较小，因此即使软土层厚度增加较大而沉降值增幅相对较小（见图6、图7）。

图6 不同软土层厚度地表处附加沉降曲线图Fig.6 Additional Settlement at the Surface of Different Soft Soil Layer Thickness

图7 地基变形与软土层厚度的关系图Fig.7 Diagram of Relationship between Foundation Deformation and Soft Soil Layer Thickness

图8 为距离路堤中心线21 m 处地基沉降随深度变化图，两点之间的横坐标的差值为该两点间土层的沉降量，由图8 中可以看出，大部分沉降都是在浅层土体中发生的。差异沉降随软土层厚度增加而减小，是因为随着软土层厚度的增加，路基中心处的沉降值增长幅度较新路堤下的沉降增长幅度要大，因此两者差值在缩小。

图8 沉降随深度变化Fig.8 Relationship of Settlement and Deepness between Ground

⑵侧向位移值均随软土层厚度的增大而增大，随着软土层厚度的增加，最大侧向位移值增速降低，即软土层厚度在较小值范围增加时，位移值增加较快（见图7、图9）。

2.4 深部下卧层的影响

地表处的沉降不仅仅是软土层的沉降变形，还包括了其他土层的沉降变形。地基处理中需考虑下卧层的土体性质的影响。在本文的有限元分析中，下卧层（粗砂层）的土体本构模型采用的是线弹性模型，因此通过改变土体的弹性模量，使其在20～35 MPa 之间变化，研究下卧层土体性质对地基变形的影响。

图9 不同软土层厚度附加侧向位移曲线图Fig.9 Additional Lateral Displacement of Different Soft Soil Layer Thickness

计算结果表明下卧层土体参数的改变，对地表最大沉降及最大侧向位移均影响较小。究其原因是因为轻质填料产生的附加应力很小且随深度增加进一步分散减小，传递到深部下卧层的附加应力较小，下卧层变形量较小，下卧层土体性质的变化对地基变形影响不大。黄琴龙等人[10]对EPS 轻质填料进行了理论分析和工程验证后得到的结论，从另一个侧面证明了本文的分析结果，其结论是采用EPS 填筑拓宽路堤，对下卧层的影响深度要明显浅于常规填土路堤（见图10～图12）。

图10 不同土体弹性模量地表处附加沉降曲线图Fig.10 Additional Settlement at the Surface of Different Soil Elastic Modulus

图11 不同土体弹性模量附加侧向位移曲线图Fig.11 Additional Lateral Displacement of Different Soil Elastic Modulus

3 结论

本文利用有限元方法，对路堤扩建工程中采用轻质填料的地基变形特性进行计算分析，得出以下结论：

⑴直立式与斜坡式两种断面的填筑方式，处理效果接近，采用直立式有其显著的经济效益。

图12 地基变形与下卧层弹性模量的关系图Fig.12 Diagram of Relationship between Foundation Deformation and Elastic Modulus of Underlying Layer

⑵随着填土高度增大，沉降与侧向位移增大，最大沉降值增速减小，最大侧向位移值增速增大。最大沉降值的位置随填土高度增大而向路基外侧移动。

⑶随着软土层厚增大，沉降与侧向位移增大，最大沉降值和最大侧向位移值增速减小，其原因是轻质填料产生的附加应力较小，且随深度增加而分散减小，从而引起上部浅层土体发生较大的固结沉降和侧向位移，下部深层的土体发生的固结沉降和侧向位移较小。

⑷深部下卧层土体性质变化，对地表最大沉降值及最大侧向位移值均影响较小。究其原因是因为轻质填料产生的附加应力分散到下卧层的附加应力很小，从而下卧层变形量很小。