路用泡沫混凝土不同置换形式下路基变形研究

蔡海良, 单志雄

(1.湖南华咨工程咨询有限公司, 湖南 长沙 410011; 2.湖南尚上市政建设开发有限公司, 湖南 长沙 410000)

0 引言

随着泡沫混凝土的发展及制备工艺提高，其在工程中的应用愈发普遍[1-5]。由于泡沫混凝土具有质量轻、强度较高、环保及保温等特点，不仅可以用作保温材料，还可以很好地应用在路基材料中。近年来，许多学者对泡沫混凝土在路基回填处理方面的效果进行了研究，并取得一些成果[6-9]。如刘浩等[10]以某路基工程为背景，对泡沫混凝土的力学特性进行研究，并就泡沫混凝土的强度、稳定性及价格等方面的优势进行了分析，得出可合理应用在工程中的结论；周捷等[11]以某工程为例，借助FLAC3D对经泡沫混凝土处理过的路基进行建模分析，并对工程中两种换填路基的位移进行分析，得出泡沫混凝土换填路基能有效减少公路沉降的结论；汪迎红[12]通过对泡沫混凝土强度特性的研究，得出试件抗压强度随着试件湿度增加而提高的规律，且干燥养护时的抗压强度要明显高于浸水养护时的强度。尽管众多学者从路用泡沫混凝土的应用、强度、变形等方面进行了大量研究，并取得了一定研究成果，但不同的泡沫混凝土路基置换结构形式具有不同的变形特性，在该方面的研究却十分少见。本文以某高速公路工程为依托，基于FLAC3D数值模拟软件，分别对3种不同路用泡沫混凝土路基置换结构形式下的变形特性进行研究，为路用泡沫换填路基工程提供参考。

1 不同路基置换结构形式

路用泡沫混凝土是将发泡剂通过发泡机进行充分发泡，并将水泥浆液与泡沫及其他外掺材料按比例混合均匀，形成的一种具有大量封闭气孔结构的轻型填筑材料。路用泡沫混凝土具有容重小、强度可调性好、流动性高及环保等优点。伴随着泡沫混凝土生产技术的逐步提升，其在国内道路建设工程中的应用愈加广泛，尤其在东南沿海软土分布区，路用泡沫混凝土被大量应用于软基路堤填筑以及桥台台背填筑中，其主要优点如下： ①可大幅降低填土荷载，减少软基的附加应力，抑制软基的沉降和侧移，提高路堤的稳定性；②可简化甚至取消其它软基处理，简化软基路堤中地下结构物的结构设计；③施工工期短。

现阶段路用泡沫混凝土置换路堤形式主要采用阶梯形置换，常见的结构形式有3种，分别为凸字形、倒梯形及倒台形，如图1所示。

a) 凸字形

b) 倒梯形

c) 倒台形

3种置换形式中，路基同等置换截面下，凸字形置换形式工程用量最小，工程造价最小，但施工工序相对其他两种形式较为复杂，一般应用在置换深度较浅的软土路基中；倒梯形及倒台形置换形式虽然工程量相对较大，但施工工序较为简单，在路基开挖时自稳能力较好，可应用于置换深度较深的软土路基。

2 路基计算模型建立

某高速公路项目主线段MK2+152～MK2+232路基高度为3 m，路面宽度为25 m，路基浅部土层主要为粉土和砂土，分布厚度为20～30 m，呈松散 — 稍密状态；中部为流速状态淤泥质土，分布在10～20 m范围内[13]；各土层参数如表1所示。为减小地基处理后地基土自重对地基土沉降的影响，选用泡沫混凝土置换法进行该路基土处理[14]。

表1 路基各土层物理参数地层土质黏聚力/kPa摩擦角/(°)压缩模量/MPa密度/(g·cm-3)1粉土2.7522.9710.921.972砂土3.2024.7010.912.103淤泥质黏土8.794.713.541.82

由于高速公路的轴向尺寸远大于横向尺寸，可将复杂的空间应变问题近似简化为平面应变问题。本次研究建立的路基模型参数为：路基高3 m，路面宽度25 m，路基边坡比1∶1.5，路堤宽度34 m，计算路基厚度31.5 m，计算路基宽度60 m。即x轴方式坐标范围为-30～30，z轴方向坐标范围为-31.5～3，y轴方向选取1个单位长度进行计算。计算模型如图2所示。

a) 凸字形

b) 倒梯形

c) 倒台形

对路基建立数值计算模型时，做出以下假设： ①考虑平面应变问题，进行二维差分计算；②路基材料采用摩尔库伦本构模型进行计算；③泡沫混凝土与土体之间的接触关系为完全连续；④荷载设置为路基自重荷载；⑤边界条件：在路基、基地两个方向进行约束，对地基宽度的外侧进行水平约束，路基中心线处加对称约束。在建模过程中，为保证不同路用泡沫混凝土置换结构形式具有可比性，控制单位长度内泡沫混凝土浇筑方数相等，即在模型平面内表现为路用泡沫混凝土置换断面面积相同。计算模型材料参数如表2所示。

表2 计算模型材料参数材料参数密度/(kg·cm-3)泊松比弹性模量/MPa内摩擦角/(°)粘聚力/kPa路基1 700～2 2000.2-0.4300～1 000——路用泡沫混凝土6000.23501215

3 数值模拟计算结果及分析

图3为路用泡沫混凝土3种不同置换结构形式下的竖向位移云图。由图可知，泡沫混凝土3种置换结构形式下的位移均呈现马蹄状，在路基自重荷载作用下中间部位位移沉降最大，路基坡脚处的位移沉降最小，且沿路基中轴线呈轴对称。由图3可知，凸字形置换结构中心区竖向位移最大，且最大位移影响区范围最小，中心区最大位移为14～15 cm；倒梯形和倒台形置换结构中心区竖向最大位移为12～13 cm，其位移沉降值小于凸字形置换结构形式，且倒梯形置换结构形式最大位移影响区范围最大，倒台形置换结构形式最大位移影响区范围次之，但倒台形置换结构形式的坡脚影响效应较为显著。

a) 凸字形

b) 倒梯形

c) 倒台形

图4为路用泡沫混凝土3种不同置换结构形式下的竖向应力云图。由图4可知，凸字形泡沫混凝土置换结构形式由于底部接触面积较大，竖向自重应力分布较为均匀；倒梯形和倒台形泡沫混凝土由于置换结构形式底部接触面积较小，其上部自重较大，致使其底部的应力分布集中在坡脚部位。由此可见，不同泡沫混凝土置换结构形式的应力分布会呈现不同的位移变化现象。

a) 凸字形

b) 倒梯形

c) 倒台形

为分析泡沫混凝土路基不同置换结构形式下位移随深度的变化，在不同置换形式路基中心处[模型坐标(0，0，0)]及路基坡脚处[模型坐标(±17，0，0)]进行沉降位移提取，其沉降变化如图5所示。

a) 路基中心处

b) 路基坡脚处

由图5可知，采用泡沫混凝土的3种路基置换结构形式对路基进行处理，均可有效减少路基沉降，对路基中心处的位移沉降处理效果最为显著，且路基高度越大，处理效果愈加明显有效。由于泡沫混凝土自重较小，因此其在自重应力作用下的沉降位移远小于普通路基土，当深度增加时，自重应力随之增加，其沉降位移差异愈加明显。除此之外，由于不同的置换结构形式与基地接触面积有所差异，故在自重应力作用下，置换结构与路基接触处会表现出不同的应力状态。具体表现为凸字形置换结构形式下的应力分布较为均匀，其最大沉降位移影响范围较为均匀地分布在泡沫混凝土置换基底下；而倒梯形和倒台形置换结构形式基底面积较小，会在基底接触面的两侧呈现应力集中效应，致使其最大沉降位移影响范围向坡脚两侧扩展。

4 工程监测路基沉降位移分析

由数值模拟结果可知，在竖向沉降位移处理效果上，3种处理方式的最大沉降位移值相差不大，为保证路基基底受力更加均匀，应尽量避免基地应力集中现象，故此对该高速公路的路基采用凸字形置换结构形式进行处理，置换原有路基高度为2.2 m，路基宽度为20 m。并对处理前后的路基位移变化进行长期监测，其竖向位移变化如图6所示。由图6可知，未采用泡沫混凝土进行处理的路基中心沉降最大值为25.16 cm；采用泡沫混凝土处理的路基中心竖向位移沉降最大值为14.89 cm，为处理前的59.18%。因此，采用泡沫混凝土处理软土路基能够有效减少竖向沉降位移。

图6 路基监测竖向位移沉降变化图

分别在路基距路面位置0.05、1、3、5、7 m深度土层布置土压力传感器，监测路基中心位置至坡脚处的地基附加应力变化，如图7所示。由图可知，泡沫混凝土处理过的软土路基附加应力均小于未处理的路基附加应力，由于泡沫混凝土容重小于软土层容重，因此其在同一深度处的路基自重应力及附加应力均较小。由图7a可知，泡沫混凝土处理过的软土路基基底压力最大值出现在距路基中心处5 m左右，随着地基埋深增加，路基附加应力逐渐向坡脚处转移；由图7b可知，未进行泡沫混凝土处理的路基附加应力与路堤荷载均呈现梯形，在同一埋深下，路基的附加应力分布较为接近。

a) 泡沫混凝土处理

b) 普通路基

5 结论

以某高速公路路基工程为依托，通过采用FLAC3D数值模拟软件，对3种不同路用泡沫混凝土路基置换形式进行数值计算，对其位移沉降特性及处理效果进行研究分析。可得以下结论：

1) 路用泡沫混凝土由于质量轻、强度大，在软土路基换填处理中可有效减小路基沉降位移，增加换填路基的强度，当路基土埋深越大时，换填效果越好，该置换效果对路基中心处的位移沉降最为显著。

2) 倒梯形和倒台形置换形式的中心区竖向最大位移为12～13 cm，处理效果优于凸字形置换形式下的中心区竖向最大位移14～15 cm；3种结构形式均能有效处理软土路基，在控制路基中心处位移沉降上可取得较好的效果。

3) 由于凸字形置换结构接触面较大，应力分布较为均匀，最大沉降位移影响范围均匀分布于接触面下，倒梯形和倒台形置换结构接触面小，会在基底接触两侧呈现应力集中现象，使其最大沉降位移影响范围向坡脚两侧扩展。