路基施工过程沉降及应力变化数值模拟

2023-12-07崔兆户

工程机械与维修 2023年6期

崔兆户

摘要：为了掌握路基填料选择加筋泡沫轻质土时的沉降变化趋势，并得出最优加筋率，通过数值模拟的方式分析了各加筋率泡沫轻质土填料的路基变形和受力情况，并与普通路基进行了对比。研究结果表明：路基填料种类不同时其沉降变化趋势基本一致，基底沉降最大的部位为路基中线，且沉降值随着和路基中线距离的增大而降低；普通路基在施工时形成了1.88cm的回弹，而加筋率在0.75%时的泡沫轻质土路基所形成的回弹量最低，为0.87cm；泡沫轻质土加筋改性后用作路基填料时，所形成的施工沉降降低幅度较为明显，且在加筋率为0.75%时所形成的基底沉降最小，为17.35cm；当路基填料选择泡沫轻质土时，并未对路基的基底应力分布情况造成较大影响，只有路基的基底竖向应力有小幅度降低；而泡沫轻质土在加筋后基底应力最大值可减小近40kPa，与普通填土路基基底应力最大值相比降低了近50%；选择路基填料时采用0.75%加筋率的加筋泡沫轻质土，能够在最大程度上减小基地沉降值。

关键词：软土地基；加筋泡沫轻质土；沉降；数值模拟；基底应力

0 引言

大规模沉降在软土路基众多病害里较为常见，施工人员通常以换填方式来对其进行处理[1-2]。早在20世纪70年代，英国在修建某条高速公路时路基填料选择了泡沫轻质土，这也首次将其应用在道路修建中。此道路修建完毕通车使用后，泡沫轻质土展现出了较好的耐久性、高强度以及轻质性，并逐渐走入了技术人员的视野当中[3-4]。通过数值模拟的方式分析填料种类对路基沉降和受力情况，能够更加清晰的揭示和体现出加筋泡沫轻质土在道路中的应用效果。吴海刚等[5]以实际工程为参考，通过试验对比发现，通过泡沫轻质土与水泥搅拌桩的结合能够有效降低软土路基沉降。

基于此，为了掌握路基填料选择加筋泡沫轻质土时的沉降变化趋势，并得出最优加筋率，本文通过数值模拟的方式，分析各加筋率泡沫轻质土填料的路基变形和受力情况，并将其与普通路基进行了对比，以为相关工程提供指导和借鉴。

1 工程概况

某一高速公路全长26.43km，双向八道为主线设计标准，100km/h为最大设计时速。通过现场勘探可知，场地岩层类型主要包括淤泥质土、砂质黏性土以及素填土。

鉴于原路基土质较差，若选择常规填土法来对路基土体进行处理，造价过高，故通过填筑加筋泡沫轻质土的方式来对路基进行处理，保证回填处理后土体工程性质能够满足设计需要，避免高速公路修建时受到不良地质的影响。

2 建立计算模型

2.1 模型建立

此次计算所用路堤模型上部宽度为26m，其边坡坡度为1：1.5，路面结构层厚度为0.7m。加筋泡沫轻质土为路基填料类型，在路面结构层和轻质土层相接位置施作素混凝土保护层，厚度为0.2m。在路堤底部安设厚度为0.3m的垫层，路堤底面宽度的两倍为地基宽度，地基压缩层的厚度为15m。从上部到地基的土层类别分别为3m普通填土、4m淤泥质土、6m砂质黏性土。

地基初始变形会受到重力的影响，所以要先处理低级的地应力平衡问题。把重力作用下地基的应力场当成初始应力场。为了计算更加简便，在建立模型时做出了下列假设：进行路基填料时，填筑工作分三次完成，1m为每次填筑高度。

不考虑道路方向上的应变，把此次模拟看成平面应变问题，把地基和路堤各层材料视作连续均匀介质，简化各层地基底面为水平面。模拟时忽略施工过程里机械的碾压振动、汽车荷载等作用，只考虑路堤在重力荷载下的应力分布情况和变形。

2.2 确定边界条件和参数设置

加筋泡沫轻质土属于一种弹塑性材料，所以选择Mohr-Coulomb弹塑性模型来进行此次的模拟。通过室内试验得出加筋泡沫轻质土各加筋率下的参数。

3 分析计算结果

3.1 路堤施工沉降受填筑材料的影响

填筑材料的不同，其自身承载能力、刚度、弹性模量、密度等性能均有所差异，路基沉降会受到填筑材料各项性能的影响。整理填料在不同加筋配比时的路基底部沉降值，能够得出填土路堤在不同加筋率、施工时期以及不同材料情况下的基底沉降变化趋势。不同施工阶段各类填土路堤沉降变化趋势如图1所示。

从图1中能够看出，路基填料种类不同时其沉降变化趋势基本一致，基底沉降最大的部位为路基中线，且沉降值随着和路基中线距离的增大而降低。

当施工继续开展时，与路基中线距离在25m范围内，随着荷载的增大，地基沉降值也逐渐增大。当距离在25m范围以外时，即在坡脚线范围以外时，当施工荷载增大时，地基的沉降值呈现出逐渐减低的规律。

分析认为，当路基荷载逐渐增大时，荷载作用下超过路基范围的地基土出现了挤出，使得路基附近土體被抬升。对于普通填土路基，施工完路面结构层后，为和距离路基中线40m部位沉降值达到0.35cm，当施工完路基垫层时，同样部位的沉降值达到2.23cm，在施工时形成了1.88cm的回弹。

反观施工过程中，加筋率1.0%、0.75%0.5%以及0%情况下，泡沫轻质土路基所形成的回弹量分别为0.97cm、0.87cm、0.88cm以及0.9cm。由此能够看出，此类路基和普通路基相比，不会对附近地区产生较大的影响，扰动较小，适应范围较广，在实际工程中应用效果更佳。

对泡沫轻质土路基与普通填土路基在路基中线部位的基底沉降进行对比可知，对于普通填土路基，每施工完一层路基填土后，路基中线部位的基底沉降值提高了近9cm，而同样部位泡沫轻质土路基的沉降值仅提高了4cm。

施工完路基后各类填土路基最大沉降值如图2所示。其中1为普通路基，2～5依次表示0%、0.5%、0.75%以及1%加筋率的泡沫轻质土路基。从图2中能够看出，普通填土路基所形成的基底沉降最大值为38.65cm，加筋率为0%的泡沫轻质土路基所形成基底沉降最大值为22.74cm，与前者相比，后者施工沉降最大值降低了近41%。

除此之外，泡沫轻质土加筋改性后用作路基填料时，所形成的施工沉降降低幅度更加明显，且在加筋率为0.75%时所形成的基底沉降值达到17.35cm，远远小于普通路基基底沉降，降低幅度约达55%。所以选择路基填料时，可采用0.75%加筋率的加筋泡沫轻质土，以此在最大程度上减小基地沉降值。

3.2 路堤施工横向位移受填筑材料的影响

通过有限元分析软件，分析泡沫轻质土在各加筋率下路基的横向施工位移，得出加筋率和路基施工横向位移间的关系。施工完路基后各路堤坡脚部位横向位移值如图3所示。其中1为普通路基，2～5依次表示0%、0.5%、0.75%以及1%加筋率的泡沫轻质土路基。

从图3中能够看出，和普通砂性土填料相比，路基填料选择泡沫轻质土时，路堤坡脚处的横向位移由之前的8.23mm降低到3.52mm，且降低幅度随着加筋率的增大而增大。

3.3 路堤基底应力受填筑材料的影响

不同施工阶段各类填土路堤基底竖向应力变化如图4所示。从图4a中能够看出，对于普通砂性土路堤，其基底竖向应力分布，在整体上表现为路基中线部位最大，且由中线向两侧慢慢降低的规律。基底应力在填筑完第一层路基填筑完成分布均匀，且基底应力在每填筑完成一层路基时会增大约20kPa，且增加程度随着与路基中线距离的增加而减小。在施工完路面结构层后，路堤坡脚线和基底中心的竖向应力差值达到47.5kPa。

从图4b至图4e能够看出，当路基填料选择泡沫轻质土时，并未对路基的基底应力分布情况造成较大的影响，只有路基的基底竖向应力有小幅度降低。

而泡沫轻质土在加筋后基底应力最大值可减小近40kPa，与普通填土路基基底应力最大值相比降低了近50%，且应力分布在整体上更加均匀，故使用加筋泡沫轻质土作为路基填料能够更好的避免路基的不均匀沉降。同时能够看出，在路基坡脚部分范围路基的基底应力均有一定程度的增加。

4 结束语

本文通过数值模拟的方式分析了各加筋率泡沫轻质土填料的路基变形和受力情况，并与普通路基进行了对比。主要得出以下结论：

对于普通填土路基，施工时形成了1.88cm的回弹，而各加筋率为1.0%、0.75%、0.5%以及0%情况下，泡沫轻质土路基所形成的回弹量分别为0.97cm、0.87cm、0.88cm以及0.9cm。其和普通路基相比，不会对附近地区产生较大的影响，扰动较小，应用效果更佳。

對于普通填土路基，每施工完一层路基填土后，路基中线部位的基底沉降值提高了近9cm。而同样部位泡沫轻质土路基的沉降值仅提高了4cm，与前者相比，后者施工沉降最大值降低了近41%。除此之外，在加筋率为0.75%时所形成的基底沉降最大值最低，达到17.35cm，基底沉降降低幅度约为55%。

路基填料选择泡沫轻质土时，并未对路基的基底应力分布情况造成较大的影响，只有路基的基底竖向应力有小幅度降低。而泡沫轻质土在加筋后基底应力最大值可减小近40kPa，与普通填土路基基底应力最大值相比降低了近50%，且应力分布在整体上更加均匀。

参考文献

[1] 朱志明.软土地区高速公路泡沫混凝土路基换填施工技术[J].交通世界，2022（18）：130-132.

[2] 张贵玉.特殊路基设计中综合处理软土方法的应用[J].中国标准化，2021（12）：139-141.

[3] 徐财琴.开挖换填施工技术在市政道路软土路基处理中的应用研究[J].运输经理世界，2021（16）：31-33.

[4] 林妃皇，泡沫轻质土换填高度对软土路基沉降的影响研究[U].西部交通科技，2022（12）：39-41.