泡沫轻质土在公路改扩建工程中的应用

■睢向文

（晋城高速公路管理有限公司，晋城 048000）

很多公路运营数年后已无法满足交通量的需求，亟需进行改扩建。公路改扩建工程设计与施工中，应优先考虑新旧路基之间的差异沉降问题[1]，通常采用开挖台阶、降低路基填土自重等方式缓解变形。然而，在公路沿线往往分布有软土地基，在该区域内进行改扩建施工更易产生不均匀沉降。泡沫轻质土结构稳定、密度低、施工简便[2-3]，可大幅降低路基填土自重荷载，减少工后沉降，进而降低路基沉降。在改扩建路基沉降施工中，学者大多采用有限元建立计算模型进行数值分析[4-5]，对地基和路基沉降进行计算分析，确定不均匀沉降，用于指导深厚路基改扩建施工，优化设计方案。本文结合某高速公路改扩建项目，在软土地基施工区域采用泡沫轻质土换填软基，利用有限元计算模型计算路基分层沉降量和孔隙水压力，与现场监测结果对比分析，验证计算结果的准确性。

1 工程概况

某高速公路建于20 世纪90 年代，近几年交通运输能力和服务水平已不能满足当地经济发展的需要，亟需进行改扩建工程。公路原设计采用双向四车道，路基宽度为24.5 m，路基拓宽后为双向八车道，路基宽度为42.5 m。公路沿线K42+524～K42+753 段为软土地基，承载力较低，拟采用塑料排水板+堆载预压等方法进行加固处理。为进一步降低工后沉降，采用泡沫轻质土换填地基软土。该区域软土地基主要为淤泥质土层，含水量高，具有较高的压缩性。泡沫轻质土原材料为粉煤灰和矿渣粉，其配合比为：水泥∶粉煤灰∶矿渣粉∶水=248∶36∶72∶229，水胶比为0.64。泡沫轻质土主要指标技术要求如表1 所示。

表1 泡沫轻质土主要指标技术要求

2 计算模型建立与数值模拟分析

2.1 建立计算模型

为分析路基变形情况，根据设计资料采用有限元软件建立计算模型，建立时对实体进行简化，并作以下假设：路基沉降按照平面应变进行模拟分析；地基土采用摩尔—库伦弹塑性模型分析[6]；假设旧路基固结已完成；新旧路基不产生相对变形。K42+524～K42+753 段主要采用单侧加宽，地基软土换填2 m 厚的泡沫轻质土，泡沫轻质土上填筑1 层20 cm厚的碎石垫层，根据原路基组成结构和新路基设计方案建立计算模型，计算模型如图1 所示。边界条件为：模型两侧X 方向约束，均不透水；模型底部不透水，X、Y、Z 3 个方向均约束；模型顶面透水，各向自由。通过现场勘察，确定新旧路基的主要组成部分的计算参数如表2 所示。

表2 改扩建道路模型计算参数

2.2 数值模拟结果

2.2.1 路基分层沉降

由于原道路固结已基本稳定，虽然在施工荷载下会产生一定幅度的变形，但变形较小，本项目以新建路基为研究对象，分析泡沫轻质土的应用效果。为分析不同深度土层的沉降量，选择沉降量计算结果最大的K42+485 断面计算数据作为研究对象，分别对距地基表面以下5 m、10 m、15 m 3 个深度的深层土体沉降量进行计算，整理计算数据绘制路基分层沉降变化曲线如图2 所示。

图2 K4+485 断面分层沉降模拟曲线

分析图2 得出，各层地基土沉降量随深度的增加而下降，其中距地基顶面以下5 m 深度沉降量最大，最终沉降量为19.62 mm，随深度增加沉降量逐渐下降，10 m 和15 m 位置最终沉降量分别为8.56 mm和1.58 mm，这是由于路基填筑施工阶段施工荷载较大，完工后沉降量增速逐步趋缓，1 年后基本趋于稳定。采用泡沫轻质土处理后，地基土所产生分层沉降量较小，且工后趋于稳定，说明处置后路基沉降量得到有效控制。

2.2.2 孔隙水压力同样选择K42+485 断面为研究对象，计算新建路基地基表面以下5 m、10 m、15 m 3 个深度的孔隙水压力，绘制孔隙水压力变化曲线如图3 所示。

图3 K4+485 断面孔隙水压力模拟曲线

分析图3 得出，孔隙水压力随深度增加而增加，各深度孔隙水压力曲线变化规律基本一致，均呈现先上升后下降的趋势，完工后基本趋于稳定；其中15 m 深度位置孔隙水压力最大，最大值为93.6 kPa，5 m 深度位置最小。这是由于在路基施工阶段，随路基填筑高度的增加，地基上部荷载不断增加，孔隙水压力也随之增加，工后孔隙水压力不断下降且逐步趋于稳定。

3 路基现场监测结果分析

3.1 路基变形现场监测方案

为验证模拟计算结果的准确性，在施工现场布置测点，对地基土不同深度分层沉降量、孔隙水压力以及路面沉降变形进行监测，分析新旧路基的不均匀沉降情况。以K42+485 断面作为研究对象，在新建路基内部埋设多点位移计、孔隙水压力计，在路面布置沉降桩，测点分布如图4 所示。多点位移计、孔隙水压力计埋设深度分别为5 m、10 m、15 m 3 个深度，在施工过程中和完工后进行监测，监测周期为1 年。路面沉降利用精密水准仪在路面沉降桩布置后开展监测，监测时间为1 年。

图4 监测现场设备仪器布置图

3.2 分层沉降监测结果分析

整理K42+485 断面地表以下5 m、10 m 和15 m 位置沉降数据绘制分层沉降变化曲线如图5所示。

图5 K4+685 断面分层沉降变化曲线

分析图5 得出，不同深度地基土沉降量随深度增加而下降，且监测前期沉降量增速较大，完工后沉降量增速逐步趋缓，监测完成后基本达到稳定状态。其中地表以下5 m 位置沉降量最大，最终沉降量为21.18 mm，与模拟计算值19.62 mm 接近。不同深度地基土分层沉降现场实测变化曲线与模拟曲线基本一致，说明计算结果准确，可用于指导现场施工。

3.3 孔隙水压力监测结果分析

整理地表以下5 m、10 m 和15 m 位置孔隙水压力监测数据绘制孔隙水压力变化曲线如图6 所示。

图6 K4+485 断面孔隙水压力变化曲线

分析图6 得出，不同深度孔隙水压力曲线变化趋势基本一致，且随深度增加孔隙水压力不断提高，孔隙水压力呈现先上升后下降的趋势，并逐步趋稳。在施工期间沉降量增速较大，工后沉降量逐步下降，达到稳定状态。地表以下15 m 深度位置孔隙水压力最大，最大值为105.8 kPa，略高于计算值93.5 kPa，但两者相差不大。这是由于地基下水位线与模型模拟存在一定的差异，孔隙水压力计的布置也存在一定的偏差造成的。运营期间孔隙水压力变化逐步趋缓，并最终达到稳定状态，说明路基结构稳定，工后没有产生较大的变形。

3.4 路面沉降监测结果分析

在K42+485 断面布置9 个沉降观测桩，在完工后采用精密水准仪进行监测，监测1 年后各测点沉降已基本稳定，整理监测数据绘制各测桩累计沉降量分布曲线如图7 所示。

图7 K42+485 断面各测桩累计沉降量分布曲线

分析图7 得出，1#～4# 旧路基在监测期间产生的沉降量很小，新路基所产生的沉降量相对较大，最大值为9# 测点，但累计沉降量仅为9.22 mm，新旧路基所产生的不均匀沉降量较小。结合现场调查结果，该路段未发现明显的破坏，说明采用泡沫轻质土有效降低了路基沉降。

4 结语

以高速公路软土地基路段泡沫轻质土应用为研究对象，分别采用有限元数值模拟和现场监测2 种方法对路基变形规律进行分析，得出以下结论：（1）地基不同深度分层沉降模拟曲线与实测曲线变化趋势基本一致，且随深度增加分层沉降不断下降，深度为5 m 位置最终沉降量计算值与实测值分别为21.18 mm 和19.62 mm，两者十分接近，说明计算结果准确，且地基累计沉降量均较小；（2）地基不同深度孔隙水压力模拟曲线与实测曲线变化趋势基本一致，且随深度增加分层沉降不断增加，深度为15 m位置孔隙水压力最大，模拟计算与现场实测最大值分别为93.6 kPa 和105.8 kPa，两者比较接近，说明计算结果准确，可用于指导现场施工；（3）分析路面沉降监测结果，新旧路基沉降量相差较小，且施工现场未发现明显的破坏，说明采用泡沫轻质土后新旧路基没有出现较大不均匀沉降，路基结构稳定。