EPS路用性能及填筑效果分析

张闯 余洋 杨淑娟 岑业波

摘要 随着城市交通的快速发展，城市道路改扩建工程量加大，为减少对地铁结构附加应力与扰动，轻质材料EPS被广泛应用于地铁上方道路的填筑。文章依托杨高中路（中环立交—金海路）改建工程路，通过室内试验、现场监测与有限元仿真，分析地铁上方机动车道EPS的填筑效果。结果表明：EPS具有超轻性、良好的压缩性和疲劳特性；EPS填筑能显著减小路基内的车辆附加应力，减小对地下结构的影响；施工时老路基开挖与EPS填筑对地铁结构的影响很小，不会影响地铁的正常运营；运营期间EPS拓宽路基的工后沉降量较小，且随时间趋于稳定。

关键词 EPS路基；路用性能；路基结构响应；地铁变形；填筑效果

中图分类号 U213.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0093-04

0 引言

土工泡沫塑料，也称发泡聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS）是一种具有蜂窝状封闭结构的高分子土工合成材料。EPS由于独特的封闭空腔结构，具有超轻性、化学稳定性、自立性、施工便捷性等特点。因此，常用作轻质填料，以解决挡土墙结构的回填、软弱地基上修筑道路的过度沉降以及新老路基的差异沉降等问题^[1]。

EPS在国外道路工程中的应用最早可追溯到20世纪50年代，德国进行的一项调查中评估了EPS用作路面隔热材料的适用性^[2]。随后，挪威、日本逐渐加大EPS的研究与推广，将EPS用于软基的桥台、路基填筑等领域^[3]。国内对EPS的试验研究和工程应用要略迟于国外。1993年，白冰等提出在结构物顶部铺设EPS层可以减少不均匀沉降引起的附加应力与结构纵向开裂^[4]。随后，杜骋、凌建明等通过室内试验，对EPS的压缩、蠕变、强度等特性进行了探究与规律分析^[5-6]。郑慧振、陈志芳探究了EPS在软土地基路基拓宽工程、桥头跳车防治与城市快速路的应用^[7-8]。

近年来，随着城市交通快速发展，城市道路改扩建工程与既有地铁结构难以避免地存在空间重叠问题。地铁上方的道路改建工程应尽量减少对地铁结构的附加应力与变形扰动，EPS被广泛应用于地铁上方道路的填筑^[9]。但是，目前对于施工期与运营期地铁上方EPS对地铁的影响与填筑效果研究较少。

该文依托上海市地铁9号线上的杨高中路（中环立交—金海路）改建工程，首先通过室内试验确定EPS的密度、强度、疲劳特性等，根据现场试验与有限元仿真，从行车荷载下EPS拓宽路基内部的附加应力、EPS填筑前后的地铁结构的变形、EPS拓宽路基的工后沉降等角度探究了地铁上方EPS填筑效果。

1 EPS路用性能

1.1 密度

采用电热丝将EPS块体切割成50 mm×50 mm×50 mm立方体试件，把试件放入60 ℃烘箱烘24 h，取出后用毫米刻度尺测量几何尺寸，长、宽、高均精确到0.1 mm，然后用电子天平称其质量，计算出密度。试验结果表明，现场所用EPS块体的密度为38.3 kg/m3，大约是土的1/50～1/100。

1.2 压缩性

通过对EPS试件单轴压缩试验可得到应力—应变曲线，如图1所示。由图可知，当压缩应变ε≤1%时，EPS块体的应力与应变呈现良好的线性关系。文献^[6]中的结论为在压应变不超过0.8%～2%时，材料处于线弹性变形阶段，与该文结果一致。为避免运营期行车荷载对EPS块体产生塑性变形，EPS的抗压强度设计取值应为EPS处于弹性变形范围内时允许的最大压应力。因此，依托工程现场所用EPS的抗压强度不应小于120 kPa。

1.3 疲劳特性

EPS块体在不同应力水平下荷载作用次数与压应变的关系曲线，如图2所示。关系曲线主要呈现两种类型：①当应力水平≤0.43时，随着荷载作用次数的变化，EPS块体始终处于弹性变形范围，卸载后EPS的变形回弹至原位；②当应力水平≥0.53时，随着荷载作用次数的增加，EPS块体出现塑性位移；且当应力水平高于阈值时，随着应力水平的增加，EPS发生破坏的荷载作用次数逐渐降低。不同应力水平下，压应变和荷载作用次数之间可采用指数或幂函数进行表示，如表1所示。

2 有限元仿真模型

2.1 几何模型和材料参数

根据施工图册与现场传感器埋设位置，选定交叉口范围内的挖方路基（路面结构新建）新老路基搭接填筑结构，如图3所示。考虑应力扩散作用，道路有限元模型纵向（沿行车方向）取20 m，同时为了避免边界效应的影响，横向（垂直行车方向）在机动车道（3.5 m×4）两侧依据现场情况分别设置3.5 m的非机动车道和中央分隔带。

2.2 荷载模型与参数

在每个车道施加道路设计标准轴载：BZZ-100型标准车，荷载集度为q=0.7MPa，轮胎作用范围为单量圆直径d=21.3 cm，双轮间距1.5 d。有限元软件分析中圆形在网格划分时效果较差，为了提升网格划分效果，将轮印假定为矩形。矩形轮印的长度a与宽度b采用等效面积进行计算。

a=0.871 2L （1）

b=0.6L （2）

式中，a——矩形輪印的长度（m）；b——矩形轮印的宽度（m）。计算得L=0.261 1 m，则a=0.227 5 m，b=0.156 6 m。

2.3 边界条件和单元类型

三维道路有限元模型中X方向代表道路横向（垂直行车方向），Y方向代表道路纵向（沿行车方向），Z方向代表路基路面结构的竖方向。模型四面约束法向位移，底面约束所有自由度，与车轮接触面施加荷载。为了防止边界约束对动态力学响应的影响，加载位置距纵向前后两端边界各10 m，网格划分时有限元单元类型采用C3D8R，具体模型如图4所示。

2.4 现场试验与模型验证

在EPS填筑范围内最靠近中央分隔带的机动车道4上埋设土压力盒，如图5所示。其中土压力盒1埋设在开挖路基顶部的黄沙层内，土压力盒2埋设在EPS层顶部。后续开放交通发现土压力盒2损坏。故只监测土压力盒1的数据变化值，与模型计算得到的竖向附加应力峰值进行对比。如图6所示，小轿车和货车产生的竖向附加压应力仿真值在实测均值附近，故认为模型可行。

3 结果与讨论

3.1 行车荷载作用下EPS拓宽道路的结构响应

不同深度处竖向附加应力的横向分布，如图7所示。由图7（a）可知，路面结构层中的竖向附加压应力在每个车道内呈现单峰特征，峰值位置为车辆荷载的中心线。在EPS层顶（z=0.88 m），仍能观察到每个车道明显的波峰，同时也能观察到老路基与EPS层、黄沙层分界处出现的应力集中现象。随着距路表深度的增加，在应力扩散作用下应力波峰逐渐减缓，路基1 m（z=2.38）以下应力波峰已经不明显。

图7（b）表明，在EPS层和黄沙层，由于机动车道1和机动车道2之间存在老路基与EPS、黄沙的分界，机动车道4存在EPS、黄沙与中央分隔带的分界，因此存在一定的应力集中现象导致机动车道1和4的竖向附加压应力最大值较机动车道2和3存在突变。其中EPS层顶位置机动车道1～4的竖向附加压应力最大值分别为4.53 kPa、4.73 kPa、4.87 kPa和4.64 kPa。而常規路基材料在标准轴载下路基顶面的竖向附加压应力为7～12 kPa。因此，EPS填筑能有效降低路基内部车辆附加应力。黄沙层以下随着距路表深度的继续增加，竖向附加压应力继续减小，但减小的速度放缓。

3.2 填筑前后地铁结构变形

取填筑下方附近100 m范围内地铁上、下行线的地铁结构变形测点数据。每个测点间距10 m，共包含40个测点。地铁结构变形包括垂直位移（沉降）与水平位移（收敛）。沉降与收敛的报警值均为5 mm，如图8所示。可以看出，填筑前后地铁结构的沉降与收敛变形在3 mm以内，小于报警值。这说明老路基开挖与EPS填筑对地铁的影响很小，不会影响地铁的正常运营。

3.3 EPS拓宽道路路表工后沉降

依托工程EPS拓宽路段于2022年11月通车，此后每个月对路表沉降进行一次监测。测点位于EPS填筑的机动车道上方，共计3个测点，每个测点间距10 m。通车后EPS填筑段路表累积沉降曲线，如图9所示。由图可以看出，随着时间推移，沉降逐渐趋于稳定，在通车后第4个月沉降速率小于5 mm/月，早期的沉降主要来自EPS自身压缩^[9]。通车9个月后EPS填筑效果良好，累积沉降2～3 cm，小于《上海道路路基设计规范》中规定的城市主干路20 cm的工后沉降阈值。此外，沉降新老路基结合部分未出现明显的不均匀沉降或开裂现象。

4 结论与展望

（1）当压缩应变ε≤1%情况下EPS块体其应力与应变均呈现出很好的线性关系；当应力水平达到0.53的阈值，EPS块体在重复荷载作用下出现塑性破坏。

（2）EPS层顶竖向附加压应力最大值仅为4.87 kPa，约为常规路基材料结构内部附加压应力的1/2。这表明EPS填筑能显著减小路基内的车辆附加应力，减小对地下结构的影响。

（3）EPS填筑前后地铁结构的沉降与收敛变形在3 mm以内，小于报警值。这说明老路基开挖与EPS填筑对地铁的影响很小，不会影响地铁的正常运营。

（4）运营9个月后EPS拓宽路基的工后沉降，随时间逐渐趋于稳定，累积沉降在2～3  cm，远小于规范中20 cm的阈值，填筑效果良好。

参考文献

[1]Mohajerani A， Ashdown M， Abdihashi L， et al. Expanded polystyrene geofoam in pavement construction[J]. Construction & Building Materials， 2017， 157： 438-448.

[2]Beinbrech G， Hillmann R. EPS in road construction—current situation in Germany[J]. Geotextiles and Geomembranes， 1997（1-3）： 39-57.

[3]Frydenlund T E， Aab?e R. Long term performance and durability of EPS as a lightweight filling material[J]. 3rd International ConferenceEPS Geofoam， 2001： 1-15.

[4]白冰， 陆士强. 聚苯乙烯泡沫塑料的测试及其在土工中的应用[J]. 岩土工程学报， 1993（2）： 5.

[5]杜骋， 杨军. 聚苯乙烯泡沫（EPS）的特性及应用分析[J]. 东南大学学报（自然科学版）， 2001（3）： 138-142.

[6]凌建明， 吴征， 叶定威， 等. 压缩条件下发泡聚苯乙烯的本构关系和疲劳特性[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2003（1）： 21-25.

[7]郑慧振. EPS轻质路堤及在软土地基桥头跳车防治中的应用研究[D]. 西安：长安大学， 2009.

[8]陈志芳. EPS轻质路堤在城市快速路工程中的应用[J]. 城市建设理论研究（电子版）， 2019（14）： 118-119.

[9]张勇. 地铁工程上覆枢纽道路轻质路基材料研究与工程应用[D]. 南京：东南大学， 2022.

收稿日期：2023-10-14

作者简介：张闯（1990—），男，本科，工程师，研究方向：市政公用工程。