泡沫輕質(zhì)土在高速公路改拓建工程中的應(yīng)用研究

梁榮偉

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410200)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，許多早年修建的高速公路已不能滿足日益增長的運(yùn)輸需求，舊路改建逐漸成為公路建設(shè)所關(guān)注的重點(diǎn)，新舊路基銜接、公路兩側(cè)用地受限、路基橋梁過渡段處理等工程問題更是成為舊路改建項目的關(guān)鍵。在此背景下，泡沫輕質(zhì)土因其具有輕質(zhì)性、自立性、自密性、施工便捷性等優(yōu)點(diǎn)，得以在舊路改建工程中逐漸推廣運(yùn)用。泡沫輕質(zhì)土作為改善軟土路基沉降、減少自重載荷高性能路用材料。泡沫輕質(zhì)土材料于2002年，由陳忠平博士引進(jìn)國內(nèi)，經(jīng)過20 a深入研究和推廣，目前已廣泛應(yīng)用在高速公路軟土路堤、道路加寬段、軟基橋臺、塌方搶修等填筑工程。

目前，泡沫輕質(zhì)土已在惠深高速公路[1]、呼包高速公路[2]、廣明高速公路[3]等許多公路改拓建加寬路基填筑中成功運(yùn)用，其中典型工程有廣州亞運(yùn)大道、京珠高速公路、港珠澳大橋人工島、滬寧高速鐵路、柳南高速公路等重大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，本成果還推廣應(yīng)用到北京鳥巢、南水北調(diào)、上海世博、德州高鐵站、國防工程設(shè)施等國家重大工程。

我國也頒布了《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》[4]。國內(nèi)外眾多學(xué)者針對泡沫輕質(zhì)土的物理力學(xué)性質(zhì)展開了大量研究，Horpibulsuk[5]等、李蘇醒[6]分別研究了含水量、配合比等因素對氣泡混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)影響，楊春風(fēng)[7]等、牛昴懿[8]對泡沫輕質(zhì)土在拓建工程中的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，陳忠平[9]詳細(xì)論述了輕質(zhì)土在施工應(yīng)用過程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)。然而，以往學(xué)者對泡沫輕質(zhì)土的研究主要從其材料與物理力學(xué)特性、制作工藝等方面著手，而對舊路改拓建工程中泡沫輕質(zhì)土拓寬路基的受力變形情況和施工質(zhì)量控制缺乏系統(tǒng)深入地研究。本文基于湖南省蓮株高速公路改拓建工程，運(yùn)用有限元軟件分析泡沫輕質(zhì)土拓寬路基的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，結(jié)合工程實際對設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，對今后類似的公路改拓建工程有一定的借鑒意義。

1 工程概況

蓮株高速是湖南省第一條低等級公路改拓建為高速公路的項目。起于湘贛省界蓮花沖，終于株洲市紅旗立交橋東，全長約50.6 km。該項目老路兩側(cè)管線密布、房屋集中，其中K1102+730～K1103+030段路基填土高度約6～7 m，路線緊鄰企業(yè)廠房，公路紅線占用了該企業(yè)的圍墻、車棚、污水處理池、部分廠房等，拆遷協(xié)調(diào)難度大、征拆費(fèi)用高，且施工過程中大功率壓路機(jī)震動對廠房亦有影響(見圖1)。原方案采用仰斜式擋土墻防護(hù)，但用地紅線仍占用了部分企業(yè)用地，后經(jīng)方案對比優(yōu)化，該路段采用泡沫輕質(zhì)土填筑路基以消除對廠房的影響。

2 泡沫輕質(zhì)土拓寬路基數(shù)值分析

2.1 模型建立

本文采用ABAQUS有限元軟件分析泡沫輕質(zhì)土和常規(guī)填土用于拓寬路基的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，假定舊路路基在長期附加應(yīng)力作用下已趨于穩(wěn)定，路基拓寬后沉降主要由新建部分路基引起，且路基足夠長，按照平面應(yīng)變問題處理，利用生死單元法基于典型橫斷面建立舊路拓寬模型，老路路基填土高度7.0 m，舊路寬12.0 m，拓寬后路基寬24.5 m。模型參數(shù)取值詳見表1，其中路基填土、粉質(zhì)黏土采用摩爾-庫倫模型，泡沫輕質(zhì)土、泥質(zhì)粉砂巖采用線彈性模型，新舊路基與層間接觸為完全連續(xù)接觸，不考慮相對滑移與脫離的情況，路面以上考慮汽車荷載(折合土柱高度0.8 m)，所建模型如圖2所示。

表1 數(shù)值分析參數(shù)取值Table 1 Values of numerical analysis parameters

(a) 泡沫輕質(zhì)土拓寬路基

(b) 常規(guī)填土拓寬路基

2.2 計算結(jié)果分析

圖3為泡沫輕質(zhì)土和常規(guī)填土拓寬路基模型的應(yīng)力云圖，由圖可知，相較于常規(guī)填土，泡沫輕質(zhì)土拓寬路基能夠顯著降低新填路基附加應(yīng)力的影響范圍。泡沫輕質(zhì)土拓寬路基新填部分最大應(yīng)力區(qū)域為路基底部最外側(cè)，應(yīng)力峰值為88.7 kPa。而對應(yīng)常規(guī)填土拓寬路基新填部分，最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)于新舊路基拼接底部，應(yīng)力峰值為146.7 kPa。

(a) 泡沫輕質(zhì)土拓寬路基

(b) 常規(guī)填土拓寬路基

圖4為拓寬路基基底沉降圖，可以看出，泡沫輕質(zhì)土拓寬路基沉降呈倒三角分布，最大沉降處靠近新填路基外側(cè)，距路基中心10.7 m，最大沉降量為3.7 cm；常規(guī)填土拓寬路基沉降近似呈拋物線分布，最大沉降處靠近新填路基部分中心，距路基中心12.0 m，最大沉降量為12.1 cm。相較于常規(guī)填土，泡沫輕質(zhì)土拓寬路基能夠顯著降低地基附加應(yīng)力和路基沉降量，且地基最大應(yīng)力和最大沉降量均向新填路基外側(cè)偏移。因此，對于泡沫輕質(zhì)土路基應(yīng)注意外側(cè)基底強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

圖4 拓寬路基基底沉降曲線Figure 4 Settlement curve of basement in widening subgrade

2.3 拓寬路基高度與寬度靈敏度分析

a.拓寬高度對基底沉降的影響。

圖5為不同拓寬路基高度(3 m，5 m，7 m，9 m，11 m)的基底沉降圖，可以看出，泡沫輕質(zhì)土拓寬路基基底沉降隨路基高度的增加近似線性增加，不同拓寬高度下基底沉降分布形式基本一致，最大沉降位置靠近新填路基外側(cè)，且當(dāng)路基高度低于5 m時基底沉降峰值附近曲線相較平緩。此外，從圖5中可以看出，新填路基內(nèi)側(cè)舊路路基基底與外側(cè)地基較遠(yuǎn)處呈現(xiàn)輕微隆起的趨勢，且隨著路基高度的增加愈加顯著，從而加劇了新老路基間的差異沉降，當(dāng)路基高度大于9 m時，舊路基底隆起顯著增加。因此，泡沫輕質(zhì)土拓寬路基填筑高于9 m時應(yīng)加強(qiáng)新舊路基拼接部處治，增強(qiáng)拓寬部分地基強(qiáng)度，從而減小新舊路基差異沉降。

(a) 不同拓寬高度路基斷面沉降曲線

(b) 拓寬路基高度-沉降關(guān)系曲線

b.拓寬寬度對基底沉降的影響。

圖6為不同拓寬路基寬度(12 m，14 m，16 m，18 m，20 m)的基底沉降圖，可以看出，不同拓寬路基寬度下基底最大沉降位置均靠近新填路基外側(cè)，且隨著拓寬寬度的增加最大沉降量呈上升趨勢，當(dāng)路基拓寬寬度小于18 m時，基底最大沉降量隨拓寬寬度的增加而顯著增加，而當(dāng)拓寬寬度大于18 m時，基底最大沉降量隨拓寬寬度的變化率趨于平緩。由此可知，拓寬路基的寬度是影響新老路基差異沉降的次要因素，僅在較低寬度變化范圍內(nèi)對基底沉降影響較為顯著。

(a) 不同拓寬寬度路基斷面沉降曲線

(b) 拓寬路基寬度-沉降關(guān)系曲線

3 泡沫輕質(zhì)路基設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)分析

3.1 輕質(zhì)土路基動靜荷載作用下的應(yīng)力、變形和疲勞破壞規(guī)律

a.靜動三軸試驗。

通過動三軸試驗研究了不同密度泡沫輕質(zhì)土在不同潮濕狀態(tài)、不同循環(huán)荷載下的動力工程特性。研究表明：澆泡沫輕質(zhì)土動靜強(qiáng)度比為0.21～0.38；泡沫輕質(zhì)土動彈性模量隨密度增加而增加，隨應(yīng)力增加而增加；泡沫輕質(zhì)土重復(fù)加載卸載滯回曲線較扁薄，黏滯性較??；泡沫輕質(zhì)土密度較小時形成壓實錐并導(dǎo)致輕質(zhì)土劈裂破壞，密度達(dá)到650～700 kg/m3時，僅加載端四周表面產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。濕密度大于600 kg/m3時，干燥、飽和泡沫輕質(zhì)土的動強(qiáng)度基本相等。

b.大型動態(tài)模型試驗。

采用相同配合比的泡沫輕質(zhì)土澆筑基床底層，在其上填筑2種厚度的基床表層，建立室內(nèi)現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基整體結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ停捎貌煌l率、幅值瞬時激勵荷載進(jìn)行試驗，循環(huán)激振200萬次研究路基在動荷載下的動力響應(yīng)和穩(wěn)定性。試驗表明：路基動應(yīng)力、加速度、動位移隨激振應(yīng)力幅值增大而近似線性增加，隨深度增加而減小，隨激振頻率增加而增加，但增幅較小。輕質(zhì)土上部動應(yīng)力衰減速率大，下部衰減速率小。輕質(zhì)土層下部應(yīng)力衰減比常規(guī)基床填料快。對于不同厚度基床表層的現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基，不同位置的動應(yīng)力、加速度、動位移、累計沉降在循環(huán)次數(shù)到達(dá)70萬～100萬時達(dá)到穩(wěn)定。在長期動荷載作用下，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基加速度、動位移較小且變化幅度較小，泡沫輕質(zhì)土基床底層累計壓縮應(yīng)變?yōu)?0～30 με，累積壓縮僅為路基累積沉降的3.2%～4.5%。

3.2 泡沫輕質(zhì)土的概化力學(xué)模型

本文根據(jù)項目試驗資料，提出了一種基于彈性理論的輕質(zhì)土簡化力學(xué)模型,如圖7所示。

圖7 泡沫輕質(zhì)土概化模型Figure 7 Generalized model of foam light soil

泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度qul與相同配合比的漿體抗壓強(qiáng)度qum的關(guān)系為：

qul=[a(1-nb)+b]qum

(1)

試驗表明a=0.421 4，b=-0.089 4。

3.3 配合比設(shè)計

按下式計算水泥漿單方材料組成、濕密度[10]：

(2)

式中：Mc為每方水泥漿中水泥質(zhì)量；Mw為每方水泥漿中水質(zhì)量；Mf為每方水泥漿中摻合料質(zhì)量；RL為每方水泥漿質(zhì)量；α為水泥漿中摻合料占固體質(zhì)量的百分比；b為水泥漿中單位質(zhì)量水中所包含固體的質(zhì)量，即有水灰比=1∶b；ρc為水泥顆粒密度；ρf為摻合料顆粒密度。

按下式計算泡沫輕質(zhì)土配合比單方材料組成、氣泡率：

(3)

式中：mc為每方泡沫輕質(zhì)土中水泥質(zhì)量；mw為每方泡沫輕質(zhì)土中水質(zhì)量；mf為每方泡沫輕質(zhì)土中粉煤灰質(zhì)量；Rfw為單方泡沫輕質(zhì)土施工質(zhì)量；RL為單方水泥漿的質(zhì)量；ρa(bǔ)為泡沫密度；λ為泡沫輕質(zhì)土氣泡率。

設(shè)計取ρa(bǔ)泡沫密度為50 kg/m3，Rfw為520 kg/m3,根據(jù)試驗配合比分析，確定1 m3泡沫輕質(zhì)土水泥漿組成為669.2 kg水泥、286.8 kg粉煤灰、647.6 kg水，水泥漿濕密度為1 603.5 kg/m3，代入式(3)計算可得，泡沫輕質(zhì)土氣泡率確定為69.7%。

3.4 輕質(zhì)直立式路基計算分析

a.輕質(zhì)土路堤自立高度驗算。

(4)

式中：hs為輕質(zhì)土自立高度,m;cl為黏聚力,kPa;γl為重度,kN/m3;φl為內(nèi)摩擦角弧度；q為頂面荷載集度,kPa。

b.抗傾覆穩(wěn)定分析。

Mr=Wlxl+Pacos(α-δ)xp-Vwγwxw

(5)

式中：Mr為抗傾覆力矩,kN·m；xl為Wl與輕質(zhì)土路堤坡腳的水平距離,m；Pa為總主動土壓力,kN;α為界面與輕質(zhì)土底面的夾角弧度；δ為界面的摩擦角弧度；xp為Pa作用點(diǎn)與輕質(zhì)土路堤坡腳的水平距離,m;Vw為水位以下的輕質(zhì)土體積,m3;γw為水的重度,kN/m3;xw為浮力與輕質(zhì)土路堤坡腳的水平距離,m。

c.界面滑動穩(wěn)定分析。

泡沫輕質(zhì)土未斷裂時界面滑動穩(wěn)定性分析可采用擋墻法，斷裂時宜采用剩余下滑力法。

①連續(xù)臺階剩余下滑力采計算:

(6)

(7)

(8)

式中：Ei為土條i剩余下滑力,kN；Pai為土條i側(cè)面總主動土壓力,kN；Fs為界面滑動安全系數(shù)；cei為土條i底面黏聚力,kPa；li為土條i底面長度,m；Wi為土條i自重和上部豎向荷載之和,kN；fi為土條i底面摩擦系數(shù)；qi為土條i側(cè)面普通土頂面豎向荷載集度,kPa；hi為土條i側(cè)面普通土高度,m；γsi為土條i側(cè)面普通土重度,kN/m3；Kai為土條i側(cè)面普通土主動土壓力系數(shù)；ci為土條i側(cè)面普通土黏聚力,kPa；hci為土條i側(cè)面普通土自穩(wěn)高度,m。

②斷續(xù)臺階斜面上土條下滑力計算采用式(9)臺階上土條的受力計算采用式(10)：

(9)

(10)

高煜[11]等對泡沫輕質(zhì)土路堤穩(wěn)定性的研究表明，黏聚力對安全系數(shù)的影響最大，密度次之，而內(nèi)摩擦角產(chǎn)生的影響最小。據(jù)此，本文取輕質(zhì)土內(nèi)摩擦角為6°，密度為500 kg/m3，荷載按0.8 m土柱取為10.5 kPa，代入式(4)中計算可得，填土高度為7 m時，泡沫輕質(zhì)土內(nèi)摩擦角應(yīng)大于22.3 kPa。

4 泡沫輕質(zhì)土施工關(guān)鍵控制指標(biāo)

4.1 流動擴(kuò)展度

流動度是現(xiàn)澆輕質(zhì)土的重要的工作性能指標(biāo)，流動度過低會導(dǎo)致無法實現(xiàn)自流平、自密實，甚至引發(fā)堵管等工程問題，流動度過高則容易導(dǎo)致料漿不穩(wěn)定，同樣影響材料的使用性能，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土宜控制料漿流值在160～190 mm。圖8為新拌輕質(zhì)土料漿的濕容重對流動度的影響規(guī)律，隨著濕容重的提升，輕質(zhì)土料漿的流動度逐步提升，由160 mm(500 kg/m3)提升至200 mm(750 kg/m3)，其中濕容重在500～650 kg/m3為現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的推薦流值，可較好應(yīng)用于工程實際。

圖8 流動擴(kuò)展度隨濕容重的變化規(guī)律Figure 8 Variation law of flow expansion with wet bulk density

4.2 消泡率

消泡率是反應(yīng)輕質(zhì)土泡沫穩(wěn)定性的重要參數(shù)，一般情況下消泡率越低，代表輕質(zhì)土成型過程中比重變化越低，具備更好的體積穩(wěn)定性。圖8為500、600、750 g/L初始濕容重的新拌輕質(zhì)土料漿容重隨攪拌次數(shù)的變化情況。

圖9(a)可知，按照輕質(zhì)土測試消泡率的操作規(guī)范，料漿濕容重隨攪拌次數(shù)逐漸增大，前期攪拌對濕容重的影響程度較大，后幾次攪拌料漿濕容重增長減緩，容重趨于穩(wěn)定。初始濕容重500 g/L時，經(jīng)過6次消泡后，密度上升至592 g/L，消泡率為18.4%；初始濕容重600 g/L時，經(jīng)過6次消泡后，密度上升至648 g/L，消泡率為8.0%；初始濕容重750 g/L時，經(jīng)過6次消泡后，密度上升至786 g/L，消泡率為4.8%

圖9(d)為消泡率在不同初始濕密度的變化規(guī)律，可知500、550 g/L容重下，消泡率分別為18.4%和13.2%，整體消泡較為嚴(yán)重。當(dāng)初始濕容重大于650 g/L，消泡率出現(xiàn)明顯改善，均在6%以下。

初始濕密度對消泡率的影響顯著，體系中泡沫占比越大，受擾動的幅度就越大，泡沫輕質(zhì)土在外界環(huán)境下就越容易消泡，當(dāng)濕密度大于650 g/L時，新拌輕質(zhì)土料漿消泡率大幅下降，因此抵御外部擾動的能力大，泡沫存在趨于穩(wěn)定，在相同質(zhì)量的情況下，更低的容重變化程度對應(yīng)更優(yōu)的體積穩(wěn)定性，能夠更好保證現(xiàn)澆輕質(zhì)土施工的穩(wěn)定性。

(a) 500 g/L初始濕容重變化情況(b) 600 g/L初始濕容重變化情況

(c) 750 g/L初始濕容重變化情況(d) 消泡率隨初始濕容重的變化規(guī)律

4.3 孔隙率-強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系

基于阿基米德原理，采用甲醇替代法測500～750 kg/m3容重輕質(zhì)土孔隙率(見表2)，并進(jìn)行28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，分析孔隙率和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系(見圖10)。由表2可知，隨著容重的增大，試樣的絕干質(zhì)量逐漸增加，表明更多的自由水參與了水化反應(yīng)，進(jìn)而生成了更多未被烘干的水化產(chǎn)物?？紫堵视?7.4%(500容重)降低至61.5%(750容重)，通過圖10可知，孔隙率隨28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加呈線性降低，相關(guān)度較高。

表2 甲醇替代法測孔隙率測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of porosity measured by methanol substitu-tion method

圖10 輕質(zhì)土孔隙率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系擬合Figure 10 Fitting relationship between porosity and compressive strength of lightweight soil

4 結(jié)論

a.泡沫輕質(zhì)土用于拓寬路基能夠顯著降低填土產(chǎn)生的附加應(yīng)力和路基沉降量，新填路基基底應(yīng)力呈向路基外側(cè)偏心的倒三角型分布，應(yīng)加強(qiáng)泡沫輕質(zhì)土新填路基外側(cè)的基底處治。

b.泡沫輕質(zhì)土拓寬路基高度與基底沉降量呈近似線性正相關(guān)，當(dāng)拓寬高度大于9 m時，舊路基底隆起明顯，新老路基差異沉降更為顯著；拓寬寬度在低寬度范圍內(nèi)對基底沉降量的影響較為顯著，當(dāng)拓寬寬度大于18 m時，寬度的增加引起的最大沉降量變化相較微弱。

c.流動度是泡沫輕質(zhì)土施工的關(guān)鍵控制指標(biāo)，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土宜控制料漿流值在160～190 mm內(nèi)，其相應(yīng)的濕容重在500～650 kg/m3內(nèi)，并為現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的推薦流值。

d.初始濕密度對消泡率的影響顯著，體系中泡沫占比越大，受擾動的幅度就越大，泡沫輕質(zhì)土在外界環(huán)境下就越容易消泡。