泡沫轻质土在某赛车场路基施工中的应用研究

2020-06-29於程席戴界西中国建筑第二工程局有限公司华东公司湖北分公司湖北武汉430119

建筑科技 2020年6期

刘鹏，於程席，戴界西（中国建筑第二工程局有限公司华东公司湖北分公司，湖北武汉 430119）

泡沫轻质土有轻质性、良好的施工性、密度和强度可调节性、良好的环保性等诸多优点[1-2]。泡沫轻质土被广泛应用到工程施工中，在进行工程施工时，可根据实际需要，合理地调整泡沫轻质土的参数，使其更好地满足施工要求。自从我国引进泡沫轻质土以来，国内各专家学者对泡沫轻质土进行了大量的研究，取得了巨大的成果[3-4]。泡沫轻质土的应用范围不断扩大，不仅在房屋建筑领域得到广泛应用，而且在高速公路、地铁等基础设施建设领域也得到广泛应用[5]。泡沫轻质土常在道路扩建中作为加宽路基的填料，也常作为道路和桥梁的交界处的路基填料[6]。某国际赛车场地质条件复杂，目前已完成桩基工程施工，项目高填方区将进行泡沫轻质土的施工。一般情况下选择何种路基填料进行施工可通过经验类比、现场试验、实验室实验、数值模拟等方法进行确定。泡沫轻质土相较常规的路基填土具有显著的优点，本文拟通过数值模拟对两者的区别进行研究。泡沫轻质土的湿密度和抗压强度对其性能的影响最大，其参数的选取往往借鉴类似工程的经验。通过数值模拟对泡沫轻质土的参数进行深入的研究，并找出其影响规律，对泡沫轻质土的参数进行优化研究，找出更加合理的参数，更好地指导施工。

1 工程概况

某国际赛车场位于湖北省武汉经济技术开发区东荆河河畔 104 E 地块，规划用地平面呈不规则多边形，面积为0.875 km2。按照国际汽联二级赛道设计。主赛道总长为 4 188.589 m，规划观众数量约 58 000 人，属重点建设项目。项目同时配套赛道附属设施、P 房（维修区）、看台、医疗中心、车手之家、VIP 俱乐部等配套工程、景观环境及其他工程。

根据地质勘察情况和设计文件，赛道共划分为高填方区、过渡段和低填方区，各个区域的施工方法各不相同。只有高填方区进行泡沫轻质土的施工，高填方区采用 PHC（Pre-stressed High-strength Concrete，预应力高强度混凝土管桩）进行深层地基处理，桩间距设置为 3.0 m，PHC桩的顶部设方形桩帽，桩帽上铺筑碎石加筋垫层，然后填筑泡沫轻质土及水泥稳定土。泡沫轻质土的高度根据路基整体高度确定，以保证桩基处在目标荷载变化范围以内。

2 赛道路基填筑数值模拟分析

2.1 数值模拟模型建立

为了研究泡沫轻质土作为赛道路基填料时的效果，且要更好地模拟出现场实际情况，选择赛道高填方区进行建模。模型包括泡沫轻质土层（层厚 3.0 m）、级配碎石层（层厚0.6 m）、黏土层（层厚 4.7 m）、粉土层（层厚 6.0 m）、粉砂层（层厚 9.0 m）、泥岩层（层厚 5.0 m），考虑现场已施工完成 PHC 管桩（长度为 24.0 m）及桩帽（高度为0.3 m）。模型的宽为 16.0 m，高为 28.6 m。通过 CAD 导入 SOLIDWORKS（软件）进行建模，然后导入 ANSYS(软件) 进行模型的网格划分，最后通过 FLAC（软件）进行模型的计算分析。

2.2 数值计算参数选取

数值计算参数的选取对数值计算结果的准确性影响很大，地层参数可依据现场地质勘查资料进行选取，泡沫轻质土、级配碎石、管桩和桩帽的选取依据现场的原材料、配合比等因素，也可参照类似工程进行取值。本文的参数选取依据地质资料和现场原材料等资料，取值较为准确。地层的力学计算模型采用摩尔-库伦模型。桩帽的混凝土强度等级为C 30，PHC 预应力管桩的强度等级为 C 80。模型计算参数如表 1 所示，地层参数如表 2 所示。

表1 模型计算参数

表2 地层参数

2.3 数值模拟结果分析

首先需要对模型参数进行赋值，进行应力初始化操作，然后再进行数值模拟分析。泡沫轻质土上部还要进行水泥稳定土层以及赛道基层和面层施工。为了研究泡沫轻质土顶部的沉降，将顶部荷载转化为泡沫轻质土顶面的均布荷载。在 FLAC 中对模型顶部施加荷载后的位移云图如图 1 所示，模型顶部的位移最大值为 14.36 mm。为了分析泡沫轻质土的填筑效果，采用常规填土替换泡沫轻质土进行分析。常规填土的力学参数如下：体积模量为 16.67 MPa，剪切模量为 5.56 MPa，密度为 19 kN/m³，黏聚力为 21 kPa，内摩擦角为 15°，其他参数均保持不变，模型的计算结果如图 2 所示，模型顶部的位移最大值为 20.81 mm。选择泡沫轻质土作为路基填料能够显著减小路基顶部沉降。

图1 泡沫轻质土数值计算结果

图2 常规填土数值计算结果

3 泡沫轻质土填筑结构优化研究

3.1 发泡轻质土的密度对沉降的影响

发泡轻质土的密度对路基的沉降影响很大。为了研究密度对路基沉降的影响规律，各参数取值如表 1 所示，仅改变密度的大小。密度的取值分别为 5.0 kN/m³、5.5 kN/m³、6.0 kN/m³、6.5 kN/m³、7.0 kN/m³、7.5 kN/m³、8.0 kN/m³，按照 2.3 节的方法对模型进行赋值计算，记录各密度参数下沉降的最大值，计算结果如图 3 所示。泡沫轻质土密度越大，沉降值越大。分别监测距离模型中心点的距离为0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 的沉降值，计算结果如表 3所示。距离模型中心的距离越大，沉降值越大。

表3 不同密度参数下的路基沉降

图3 各密度参数下的最大沉降

3.2 发泡轻质土的抗压强度对沉降的影响

发泡轻质土的抗压强度对路基的沉降影响很大。为了研究抗压强度对路基沉降的影响规律，其他参数不变，仅改变抗压强度的大小。抗压强度的取值分别为 1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa、4.0 MPa，按照2.3节的方法对模型进行赋值计算，记录各抗压强度参数下沉降的最大值，计算结果如图 4 所示。分别监测距离模型中心点的距离为 0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 的沉降值，计算结果如表 4 所示。