高速公路改扩建泡沫轻质土路基分析

2022-04-18陶洁

交通世界 2022年9期

陶洁

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210017）

0 引言

对于采用传统填料的高速公路改扩建工程，搭接部位处理不当易产生较大沉降变形，新旧路基间易产生不均匀沉降导致路面开裂。目前通过减轻拼宽路基自重来改善该问题的泡沫轻质土材料在高速公路改扩建中应用较为成功。本文结合泡沫土材料特点，在高速公路的轻质土拼宽路基部位埋置压力盒，测定施工及运营阶段轻质土路基的压力变化，更好地了解泡沫轻质土受力分布规律和受力特点。

1 泡沫轻质特点及优势

1.1 泡沫轻质土基本特性

泡沫轻质土是一种由水泥浆、水、泡沫按照一定比例均匀搅拌后，通过发泡机进行泵送浇筑形成干密度约为一般黏土1/3的材料，此材料在经过自然养护一段时间后形成含有大量封闭孔的结构材料。组成中主要含有基质土、固化剂、发泡剂等材料[1]。

轻质土的无侧限抗压强度和气泡的含量有关，根据泡沫掺量的不同，轻质土的无侧限抗压强度通常为1.3～1.6MPa。

1.2 改扩建泡沫轻质土路堤的优点

采用泡沫轻质土填筑具有以下优点：

①轻质土填筑可减轻拼宽路基自重，提高结构整体性，减小地基沉降差，降低路基破坏程度；

②泡沫轻质土施工时采用泵管输送，占用施工空间小，施工方便，结构凝固后即可进行下一层浇筑，施工周期短，对通行影响小；

③轻质土结构多采用垂直挡板作为支挡，可有效降低建设成本，在高速公路改扩建中具有很大的优势[2]。

2 高速公路改扩建工程的病害机理分析及控制

2.1 高速公路的加宽方式

目前我国高速公路常用的加宽类型为：两侧加宽、单侧加宽、中央分隔带预留加宽、分离式加宽、混合加宽。无论何种加宽方式都会对原有路基产生附加荷载，对新旧路基之间的沉降、应力、位移、孔隙水压力都会有不同程度的影响[3]。

2.2 高速公路加宽的病害机理研究

高速公路改扩建中需要重点控制路基拼接的不均匀沉降，最常出现的病害有新旧路基搭接裂缝、新旧路基不均匀沉降、路基整体抗变形能力差、稳定性差等，以下就拼宽路基沉降变形的作用机理进行分析[4]。

传统的路基填料采用自重较大的填土或稳定性较好的砂性土，其对旧路和拼宽路基的地基应力分布影响较大，使得路面结构更易破坏，对软弱地基段落的路基荷载的影响更为明显，采用干密度较小的轻质土能够有效减小地基沉降，减少道路病害。

3 泡沫轻质土在改扩建工程中的应用

3.1 工程概况

本次以某城市高速公路改扩建项目为例，拼宽路基采用泡沫轻质土，边部设置台阶采用土方及防渗土工膜进行包边，以保护轻质土结构同时便于防护工程实施。包边土最小宽度L=1.5m，边坡坡率采用1∶1.5；轻质土搭接开挖台阶宽度需要大于2m，保证搭接的整体性。

3.2 泡沫轻质土加宽路基的土压力分析

为更好地分析轻质土加宽路基的受力，采用埋置压力盒测定轻质土路基的压力变化，为研究泡沫轻质土的变形、位移、应力分布规律提供数据依据，图1为检测断面图：

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图1 压力监测断面

根据上述布置五个压力盒（4号盒、5号盒、6号盒、7号盒、14号盒），压力盒监测数据自2013年10月15日至2014年8月15日的压力变化曲线如图2所示，竖向荷载影响分布如图3所示：

图2 压力监测结果

图3 边部拼宽竖向荷载影响分布图

从轻质土浇筑及其施工间歇、包边土填筑及施工间歇、路面铺筑及运营期的整个施工及运营过程的检测结果可知，拼宽路基部分的受力情况如下：

（1）各测点的压力值总体呈上升趋势，每个施工阶段开始时压力值跳跃式增加，其后缓慢下降。原因在于轻质土自身抗压强度和容重在固结过程中的不断变化，浇筑前期泡沫轻质土容重较大，应力呈现上升趋势，随着干燥固结，轻质土容重减小，应力随之降低。

（2）下层台阶的外侧压力盒4号比上层台阶的外侧压力盒14号压力值更大，内侧压力盒6号比7号压力值更大。分原因在于下部轻质土台阶作用荷载受上部轻质土和周边填土的影响外，还受到轻质土自身的抗弯性能和强度的影响。6号盒位于轻质土底的边部，受到上部荷载作用，由于自身有一定的强度，底部有一定的抗弯性能，会在底部产生较大应变作用。7号盒处于轻质土中部位置，受到轻质土应力影响较小。

（3）在同一台阶，第一级台阶14号盒比7号盒压力值大，第二级台阶4号盒比5号、6号盒的压力值大，同时5号盒比6号盒更小。说明同一台阶的外侧压力盒压力值比内侧的更大，台阶中部受压力最小。这是由于14号盒处于轻质土路基的中部位置，由于轻质土在强度形成和受土压力作用下，在14号盒处产生的压缩应力比边部7号盒受到压力作用大，同时14号盒在土压力作用下会产生部分弯拉应变。4号盒处于轻质土台阶部位，在土压力作用下会产生挤压和弯拉作用，5号盒、6号盒在台阶位置，因此在应力作用下受到弯拉作用相较于4号盒要小，6号盒处于轻质土边部，会产生部分压缩作用，因此，4号盒压力变化大于6号盒压力变化，6号盒压力变化要大于5号盒压力变化。

（4）整个施工及运营过程中，7号盒压力值受各施工阶段影响均较小，压力值总增加较小。其主要原因在于7号盒所处的位置与土体交界面是斜面搭接，轻质土受到的土压力主要是由于重力作用产生的荷载，此处受到竖直向下的荷载作用比较小，轻质土压缩和弯拉性能变化不明显，因此7号盒的压力变化最小。

（5）对于5号压力盒，仅包边土填筑及其施工间歇对其影响较大，主要原因在于5号盒处主要受到上部竖向荷载影响，在轻质土施工期间和间歇期台阶平台位置压力变化较小。当边坡包边土施工时，由于上部土体自重对轻质土台阶位置产生竖向荷载，使得5号压力盒处应力变化增大，施工完成后上部竖向荷载变化较小，即对5号盒的影响不明显，因此5号盒只有在填筑包边土过程中应力变化增大。