泡沫轻质土在道路扩建中的应用对比分析

2021-02-26李月峰

山西交通科技 2021年6期

李月峰

（古县交通运输局，山西临汾 042400）

0 引言

伴随我国公路交通运输的迅速发展和车辆保有量的迅猛增加，对公路的通行能力提出了更高的要求。早期设计的道路宽度难以满足现有的道路通行能力要求。新建道路存在征地困难、建设成本高等诸多问题。因此在原有的道路上进行拓宽，提高道路的行车能力，是经济合理的解决方案。但是在道路的拓宽建设中，新旧道路固结时间差异大，容易造成路面的不均匀沉降，从而引起道路路面开裂、路基滑移等新的工程问题。为了解决这类问题，目前已有一些学者进行了道路拓宽过程中的工程措施研究。随着研究的深入，泡沫轻质土用于道路改扩建的应用越来越多。

泡沫轻质土产生于20世纪80年代中后期，于21世纪初引入我国。泡沫轻质土是通过工艺设备在混凝土中充入一定量的封闭气泡而形成的一种新型的轻质混凝土，具有自重轻、高度高、可垂直浇筑等诸多优点，因此得到了越来越多的工程应用[1]。李群利用现场监测和数值模拟的方法，研究了泡沫轻质土在路基加宽中的变形规律，为泡沫轻质土在软弱路基拓宽中的应用提供了参考价值[2]。杨春风针对工程中不同填筑高度、不同拓宽宽度的情况，采用有限元计算软件，研究了各工况下的路基应力应变规律，分析了路面的沉降变化情况，为不同填土工况下路基拓宽提供了设计和施工的参考价值[1]。李献勇等利用室内模型实验，研究了泡沫轻质土在路基填土中的应用，指出不均匀沉降是泡沫轻质土路基在使用过程中产生裂缝的重要原因[3]。也有学者为了改善泡沫轻质土路基的使用性能，分析研究了泡沫轻质土的力学性能。许江波等则通过三轴剪切试验，分析了不同加筋率下泡沫轻质土的各项强度参数，得到了加筋泡沫轻质土的本构方程，为加筋泡沫轻质土的运用提供了重要的参考价值[4-5]。

本文以某道路改扩建工程为对象，对比分析一般合格土和泡沫轻质土作为路基填土时，道路的沉降及应力应变规律，以期为泡沫轻质土在道路改扩建中的应用提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 工程地质概况

该地区地层主要为素填土，卵石及基岩组成，地质条件良好，其具体地层情况如下：

a）0～2 m范围内为压实素填土，夹杂少许碎石土，可作为路基持力层。

b）2～6 m范围内为卵石层。稍密至中密，磨圆度良好。

c）6 m以下为风化砂岩层，风化裂隙较发育，结构面清晰度一般，岩体的部分结构已经破坏。

该工程区土体的力学参数如表1所示。

表1 岩土物理力学指标建议值表

1.2 工程概况

拟扩建的道路为一级公路，为纯填方道路。双向四车道，道路红线宽度20 m，高8 m，道路两侧采用挂网植草防护，坡率1∶1.75。通车已有5年，道路路基土压实固结程度高。其工程概况如图1所示。

图1 填方路基典型断面图（单位：m）

1.3 改扩建设计方案概况

根据建设方的要求，拟对该公路拓宽15 m，在提高公路通行能力的同时，也将对该公路的景观进行重新打造，以满足各方面的需求。根据实际情况提出以下两个设计方案。

a）方案一在原有道路的基础上直接挖设高度为2 m的大台阶，按1∶1.75坡率回填合格土石，并在回填土顶层铺设3层土工格栅，以减小新旧路堤处的不均匀沉降。坡面采用挂网植草，并进行种植不同植被的景观打造。其具体加宽方案如图2所示。

图2 传统填筑加宽方案示意图（单位：m）

b）方案二在原有道路的基础上挖设高度为2 m的大台阶，按1∶0.5的坡率填筑泡沫轻质土。泡沫轻质土外侧边坡设置防护面层，并进行雕刻美化处理。其具体加宽方案如图3所示。

图3 泡沫轻质土加宽方案示意图（单位：m）

2 有限元模型建立

有限元模型参数是影响结果的重要参数。合理的模型计算参数对有限元计算及结果分析具有重要的意义。

有限元模型边界过小会导致边界上的约束影响模型的受力情况，使得计算结果失真；边界范围过大则会带来计算时间过长的影响。按照经验，模型的尺寸方向不宜小于坡高的2倍，模型的高度及长度方向宜取坡高的2～4倍。本文模型长度和高度方向均取为路基填方高度的3倍。模型尺寸如图4所示。

图4 泡沫轻质土加宽模型示意图（单位：m）

在模型单元选择中，除土工格栅采用1D土工格栅单元，其余土体及路堤网格均采用平面应变单元。根据《现浇泡沫轻质土技术规程》（CECS 249:2008）相关规定，在无试验数据时，泡沫轻质土的抗剪强度由式（1）、式（2）确实。

式中：qu为泡沫轻质土抗压强度，MPa；C为泡沫轻质土的黏聚力，kPa；Φ为内摩擦角，（°）。

各材料计算参数及本构模型如表2所示。

表2 有限元模型计算参数表

3 路基加宽方案对比分析

利用上节的有限元模型参数，建立不同方案下的路堤加宽有限元模型。模型的下底部约束其水平及竖向位移，模型两侧约束其水平向位移。待路堤拓宽完成后施加15 kN/m的均布荷载，以模拟通车后的行车荷载。通过模型对比分析得到了不同方案下的计算结果。

3.1 安全系数

利用Midas GTS NX软件的强度折减法计算模块，对两种方案下的道路拓宽进行稳定性分析，得到了不同方案下的道路潜在滑动面，如图5、图6所示。

图5 常规加宽方案路堤潜在滑动面

图6 泡沫轻质土加宽方案潜在滑动面

从图5和图6可以看出，不同方案下路堤的潜在滑动面位置不同。在常规加宽方案下，路堤的潜在滑动面为沿着新旧路面搭接处向下延伸至原有地层，形成潜在的滑动面，并且在土体内部形成次一级的滑动破坏。由图6可以看出，路堤最危险的破裂面是旧路堤部分产生的潜在滑动面。究其原因是泡沫轻质土具有强度高、抗压能力强的特点，因此在受到上覆车辆荷载的作用时其变形较小。同时由于泡沫轻质土施工时，在与旧路基的搭接上采取了挖台阶的构造措施，进一步提高了泡沫轻质土的稳定性。

从两种方案下的路堤安全系数角度而言，常规回填土加宽道路时其安全系数为1.45，泡沫轻质土加宽路堤的安全系数为1.75，比前者提高了20.7%，也更有利于道路的稳定性。

3.2 路面沉降

旧道路改扩建最大的问题之一就是新旧路面的不均匀沉降。新旧路面的不均匀沉降不仅会降低行车的舒适性，还会形成贯通的不均匀沉降裂缝，导致地表水下渗浸泡路基填土，进一步引起道路的变形破坏，形成路堤滑坡，带来严重的后果。鉴于此，提取两种方案下的路面沉降位移云图，如图7、图8所示。

图7 常规加宽方案路面沉降位移云图

图8 泡沫轻质土加宽方案路面沉降位移云图

从图7和图8可以看出，不管是采用常规回填土还是泡沫轻质土进行道路加宽，路面的沉降规律均表现为旧路堤沉降较小，加宽部分的新路堤沉降更大的变化趋势，整体呈现出滑梯状的变化规律。分析图7可以看出，常规回填土加宽路堤时，由于道路加宽带来的路面沉降最小值为0.7 mm，最大值为49.7 mm。从图8可以看出，泡沫轻质土加宽道路时，由于拓宽道路带来的附加路面沉降最小值几乎为0，而最大沉降值为9 mm，比常规方案拓宽道路时的最大沉降值减小了40.7 mm，可见由于采用了强度较高的泡沫轻质土作为回填土，对新旧路基的差异沉降控制起到了极大的作用。

均匀选择路面的20个监测点，从左到右读取每个测点的沉降值为yi（单位：mm），利用式（3）计算路面的沉降差。

整理得到不均匀沉降的分析指标路面沉降差Δy，绘制沉降差的变化曲线如图9所示。

图9 不同方案下的路面沉降差变化图

从图9可以看出，从整体变化规律来看，在两种道路加宽方案下，从旧路面到新路面的沉降差先增大后减小，并在新旧道路的搭接位置处取得极大值。在旧路基范围内，由于长期行车，在车辆荷载的作用下路基的压实度高，固结沉降已经基本完成，在路基拓宽过程中，上部荷载没有发生较大的变化，因此两种拓宽方案下的路面沉降差很小。

但随着测点距离新加宽路堤距离的减小，路面的沉降差逐渐增大，并在新旧搭接处取得极大值。从图9可以看出，采用常规加宽方案下的路面沉降差最大值达到了7.6 mm，而方案二的泡沫轻质土路面沉降差最大值为2 mm，比常规方案减小了73.7%，极大地缩小了路面的沉降差。

从加宽路堤范围内的测点沉降差可以看出，由于测点处均为新加宽路堤，路基填土材料均匀，上部受力比较一致，因此沉降差逐渐减小，表现为道路经典的“U”形沉降盆变化趋势。

单独分析每种方案下的沉降差变化规律可以看出，常规加宽方案下路面的沉降差变化幅度更大，在新旧路面搭接位置附近，路面沉降差急剧增大。采用泡沫轻质土的加宽方案，路面的沉降差变化则平缓很多。沉降差过大会使路面产生更大的拉应力，从而导致路面开裂，形成纵向的贯通拉裂缝，降低道路的使用寿命，带来更高的工程费用。

综上所述，采用泡沫轻质土具有保证路堤稳定性，减小征地面积等多个优点。相比常规回填加宽路堤的方案，采用泡沫轻质土加宽路堤还能有效地减小路面的沉降差，降低新旧路面处形成拉裂缝的风险，有利于提高道路的使用寿命。