泡沫輕質(zhì)土替換軟土地基的對(duì)比應(yīng)用研究

吳　蔚　齊　甦

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢　430074)

泡沫輕質(zhì)土替換軟土地基的對(duì)比應(yīng)用研究

吳蔚齊甦

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

摘要:針對(duì)在軟基上修建路堤因差異沉降引起的橋頭跳車等問(wèn)題，通過(guò)開(kāi)展泡沫輕質(zhì)土在公路工程中的應(yīng)用研究，對(duì)該方法的工程沉降進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，并運(yùn)用工程完工后沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，表明泡沫輕質(zhì)土為此類問(wèn)題的解決提供一種新的技術(shù)手段，對(duì)我國(guó)的公路建設(shè)具有積極意義。

關(guān)鍵詞:軟土地基，泡沫輕質(zhì)土，沉降，有限元模擬

潛江至石首高速公路潛江至江陵段總體呈北南走向，起于潛江市浩口鎮(zhèn)以西與漢宜高速交叉，途經(jīng)張金、白馬寺、熊河、郝穴等鎮(zhèn)，終點(diǎn)與石首長(zhǎng)江公路大橋北岸接線對(duì)接，路線全長(zhǎng)42.233 km。項(xiàng)目的主要難點(diǎn)在于項(xiàng)目段軟基分布廣、取土困難、工期緊、造價(jià)控制嚴(yán)，橋涵、擋墻等結(jié)構(gòu)物多，如果施工處理不佳造成差異沉降過(guò)大，就可能引起橋頭跳車、橋臺(tái)樁基側(cè)移、路面開(kāi)裂破壞、路堤失穩(wěn)等問(wèn)題。對(duì)于此類問(wèn)題的防治雖有多種技術(shù)措施，但均有一定的適用性與局限性。例如:傳統(tǒng)的各種軟基處理法多是從提高地基承載力的角度上下工夫，而減輕填土荷載的研究則較少，即使采用類似水泥攪拌樁這樣的復(fù)合地基處理類似的深厚軟基，因處理深度無(wú)法達(dá)到附加應(yīng)力的作用深度，依舊難以避免工后沉降的發(fā)生。為解決這些問(wèn)題，現(xiàn)采用現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基進(jìn)行試驗(yàn)性施工，探索現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)在本項(xiàng)目及湖北公路建設(shè)中的應(yīng)用可行性，為軟土地基分布廣泛、取土困難、工期緊張的類似項(xiàng)目提供一種解決思路。

1　工程段工程地質(zhì)條件

潛江至石首高速公路中潛江至江陵段路線主要跨越平原地貌單元，沿線地勢(shì)起伏較小，工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，不良地質(zhì)主要表現(xiàn)為軟土路基。根據(jù)地勘揭示，軟土試驗(yàn)段樁號(hào)范圍為K6 +980～K7 +460，地質(zhì)鉆孔位于K7 +457處，由上而下土層分別為粉土、淤泥、淤泥質(zhì)粘土、細(xì)砂、細(xì)砂等。沉降計(jì)算的典型地層和路堤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　勘探孔地層分布示意圖

2　數(shù)值模擬計(jì)算分析

2.1有限元模型的建立

在計(jì)算中，用有限元模型模擬了細(xì)砂以上的土層，并在沿橋的軸線方向以橋臺(tái)壁厚的中線為中線前后模擬了50 m的長(zhǎng)度。具體邊界條件如下: 1)底部:不透水，且約束了豎直位移; 2)左右:僅約束邊界節(jié)點(diǎn)的水平方向的位移; 3)樁基的單元:約束底部水平和豎直方向的位移; 4)由于有限元模型中有不同的土層，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在此我們沒(méi)有引入界面接觸單元，而是簡(jiǎn)單地將不同土層的交界面處的位移處理為連續(xù)的; 5)對(duì)于各交界面，如橋臺(tái)與地基土、橋臺(tái)與泡沫輕質(zhì)土、泡沫輕質(zhì)土與地基土，則設(shè)置彈簧來(lái)考慮它們之間的相互作用，彈簧設(shè)置的原則為兩種材料不能互相侵入，其他方向沒(méi)有相互作用力。

2.2參數(shù)取值

材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1　材料參數(shù)取值表

2.3模擬計(jì)算及節(jié)點(diǎn)劃分

軟土的沉降變形過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的時(shí)間歷程，綜合考慮橋臺(tái)結(jié)構(gòu)、橋臺(tái)樁基、路基填土、軟土之間的相互作用和總計(jì)算工作量，取50年。

圖2　有限元網(wǎng)格

為了使模擬的工況盡可能與實(shí)際相吻合，本數(shù)值模擬方案與原設(shè)計(jì)方案和新輕質(zhì)土施工方案一致，分臺(tái)背填筑常規(guī)填土(下稱常規(guī)工法)和填筑輕質(zhì)土(下稱輕質(zhì)土工法)兩種:

1)常規(guī)工法: a.填土預(yù)壓; b.軟基在填土預(yù)壓下固結(jié)并開(kāi)始對(duì)沉降進(jìn)行監(jiān)控量測(cè); c.單月的總沉降量小于3 cm時(shí)，實(shí)施樁基和橋臺(tái)的施工; d.路面鋪裝施工，繼續(xù)監(jiān)測(cè)至地基穩(wěn)定。2)輕質(zhì)土工法:對(duì)于橋頭軟土路段臺(tái)后30 m范圍內(nèi)地面線以下反挖一定深度后，采用現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土填筑至路面結(jié)構(gòu)層底，從而有效控制臺(tái)后沉降;對(duì)于其余一般軟土路段，先填筑一定高度的常規(guī)路基，再澆筑現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土至路面結(jié)構(gòu)層底。如圖2所示，計(jì)算采用的有限元網(wǎng)格共使用5 612個(gè)四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元、梁?jiǎn)卧蛷椈蓡卧?，其中部分帶有?jié)點(diǎn)孔隙壓力自由度。

2.4計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算輸出結(jié)果為填土預(yù)壓后第50年的相關(guān)成果。下面分別介紹并分析。

1)變形。變形圖及其特征見(jiàn)圖3。由圖3可知，當(dāng)土體變形達(dá)到穩(wěn)定后，兩種施工方法的變形完全不同: a.常規(guī)工法中，橋臺(tái)和臺(tái)背填土之間沉降差達(dá)到21 cm，容易造成橋頭跳車等工程病害問(wèn)題; b.輕質(zhì)土工法中，橋臺(tái)和臺(tái)背輕質(zhì)土之間沉降差僅為6 cm，沉降量較小，易于在工程后進(jìn)行相關(guān)治理; c.臺(tái)背輕質(zhì)土發(fā)生了向著遠(yuǎn)離橋臺(tái)方向的旋轉(zhuǎn)，在橋臺(tái)頂處輕質(zhì)土與橋臺(tái)之間分開(kāi)了約4 cm，這表明在實(shí)際施工中需要考慮該處設(shè)置變形縫以應(yīng)對(duì)可能產(chǎn)生的工程質(zhì)量問(wèn)題。

圖3　各變形圖

2)地面總沉降。如圖4所示，兩種工法在沿路基中線縱向分布地面總沉降有如下特征: a.對(duì)于臺(tái)前總沉降，兩種施工方法沒(méi)有明顯差距; b.對(duì)于臺(tái)后的總沉降，輕質(zhì)土工法比常規(guī)工法普遍小15 cm～30 cm左右，這正是橋頭跳車的發(fā)生地段; c.隨著距離增大，臺(tái)背后兩種工法的總沉降逐步趨于一致。

圖4　縱向總沉降曲線圖

3　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

沉降監(jiān)測(cè)主要為路基和臺(tái)背兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的沉降監(jiān)測(cè)。兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的沉降時(shí)程曲線繪于圖5。由圖5可知，輕質(zhì)路堤的路基沉降表現(xiàn)出如下特點(diǎn): 1)路基的沉降與荷載的增長(zhǎng)基本同步，隨荷載的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，道路通車后，路基的工后沉降很小。2)泡沫輕質(zhì)土澆筑施工早期，路基的沉降增長(zhǎng)較快，主要是早期土體溫度較高，泡沫輕質(zhì)土對(duì)基底軟土產(chǎn)生擠壓作用，表現(xiàn)為路基的沉降增長(zhǎng)較快。3)施工期輕質(zhì)路堤臺(tái)背段的沉降量小于路基段，工后臺(tái)背段的沉降量大于路基段。4)輕質(zhì)路堤的施工期和工后沉降量都很小，累計(jì)沉降最大值為46 mm。

圖5　橫斷面K7+025，K7+000路基累計(jì)沉降時(shí)程曲線（2015年）

4　結(jié)論與建議

從前述有限元數(shù)值計(jì)算及實(shí)際施工后沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論: 1)輕質(zhì)土由于擁有較好的固化強(qiáng)度和較常規(guī)填料輕得多的重量，一方面避免了碾壓不密實(shí)，另一方面可以有效降低高路堤荷載，對(duì)消除或降低臺(tái)背填料的工后壓縮變形、避免橋頭跳車有較好的處理效果，達(dá)到了解決該工程問(wèn)題的目的。2)有必要在輕質(zhì)土路基按一定的間距縱向設(shè)置變形縫，以應(yīng)對(duì)可能產(chǎn)生的工程質(zhì)量問(wèn)題。由于這是潛江試驗(yàn)段屬首次采用，無(wú)論是設(shè)計(jì)還是施工，均存在某些缺陷，如未設(shè)置必要的沉降縫、縱斷面設(shè)計(jì)未能更好地吻合路橋過(guò)渡段的沉降特點(diǎn)等。隨著泡沫輕質(zhì)土在湖北地區(qū)的應(yīng)用推廣，這些問(wèn)題將逐步進(jìn)行解決和改善，從而讓泡沫輕質(zhì)土更好的為國(guó)內(nèi)工程建設(shè)服務(wù)。

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An comparison study on the soft soil foundation replacement by the bubble lightweight soil

Wu Wei Qi Su
( China University of Geoscience( Wuhan) Engineering College，Wuhan 430074，China)

Abstract:Because of the differential settlement of embankment caused vehicle dumpping engineering problems.This article study the application in bubble of lightweight soil in highway engineering，aiming at the method of finite element numerical simulation of the engineering settlement and verified the settlement monitoring data after the project completed，which showed that such application of bubble of lightweight soil provides a new technical means，and has a positive meaning to resolve the problem of highway construction in our country.

Key words:soft soil foundation，bubble of lightweight soil，settlement，finite element simulation

作者簡(jiǎn)介:吳蔚(1991-)，男，在讀碩士

收稿日期:2015-11-23

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0068-02

中圖分類號(hào):TU447

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A