徐曉波
(山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)
氣泡混合輕質(zhì)土(簡稱輕質(zhì)土)是將發(fā)泡劑水溶液制成的泡沫與水泥、礦渣粉(粉煤灰)、細(xì)骨料、水、外加劑按照一定比例混合均勻,形成具有一定強(qiáng)度的輕質(zhì)混合料。由于這種混合料含有大量的封閉空隙,使其具有很好的工程特性。輕質(zhì)土的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、密度小、可塑性強(qiáng)并具有良好的施工性。輕質(zhì)土與水泥混凝土材料有同等的耐久性、環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn),且現(xiàn)場制作方便,在擋土墻填土、道路凍脹翻漿、臺(tái)背回填、軟基處理等方面有很大的應(yīng)用空間。
高速公路施工中經(jīng)常出現(xiàn)軟基路段,根據(jù)地質(zhì)情況,通常的處理方法有拋石填筑、排水固結(jié)、復(fù)合地基、強(qiáng)夯等軟基處理方法。這些方法存在一定的缺陷,工期較長或造價(jià)偏高,且地基處理范圍較大。輕質(zhì)土路基是在軟基上直接填筑路堤,由于輕質(zhì)土具有較高的強(qiáng)度且很小的容重,既能有效地降低路基工后沉降又能保證路基強(qiáng)度,且不需要對(duì)地基進(jìn)行處理,有效地縮短了工期,具有很好的應(yīng)用前景。
本文以軟土地區(qū)路基加固段為工程依托,以數(shù)值分析為主要研究手段,建立某軟土地區(qū)地基路基相互作用模型,詳細(xì)分析了輕質(zhì)土在軟基地段的應(yīng)用。
根據(jù)CECS 249:2008技術(shù)規(guī)程(中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)制定)定義,將水與發(fā)泡劑拌合均勻制成泡沫,與水泥(粉煤灰、礦渣粉)、集料、外加劑按照一定比例制成,硬化后形成的具有一定強(qiáng)度的密度較低的工程材料,主要用于臺(tái)背回填、軟基處理、橋頭處理、舊路加寬改造等。輕質(zhì)土應(yīng)用在軟土地段主要有以下優(yōu)點(diǎn):
a)容重小。這是其最主要的特點(diǎn),容重最小可到500 kg/m3,大約僅為普通混凝容重的1/5,為路基填土的1/4,使用輕質(zhì)土修筑工程可有效降低地基附加應(yīng)力,當(dāng)然容重越小,強(qiáng)度響應(yīng)的也越低,選擇輕質(zhì)土?xí)r,首先需要確定輕質(zhì)土的最低強(qiáng)度要求然后根據(jù)強(qiáng)度進(jìn)行輕質(zhì)土的配合比調(diào)整,尋找最佳配比。軟土地段上修筑路堤,主要考慮其工后沉降及地基穩(wěn)定性。工后沉降主要受地基附加應(yīng)力的影響,當(dāng)?shù)鼗郊討?yīng)力減小,不僅能使工后沉降大幅降低,地基的穩(wěn)定性也可以得到保證。
b)可塑性強(qiáng)。輕質(zhì)混凝土硬化后,在水平方向不產(chǎn)生橫向應(yīng)力。將其筑成路基后,路基可以形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu),使基底附加應(yīng)力形成應(yīng)力擴(kuò)散,被擴(kuò)散到較大的軟土面積上,具有一定的應(yīng)力擴(kuò)散作用,有效地減小地基的附加應(yīng)力,對(duì)提高地基的穩(wěn)定性意義重大。
c)強(qiáng)度和容重可調(diào)性。根據(jù)工程需要,輕質(zhì)土的容重和強(qiáng)度可以進(jìn)行調(diào)整,隨著容重的減小強(qiáng)度也隨之降低。容重可在500~1 500 kg/m3進(jìn)行調(diào)整;強(qiáng)度可根據(jù)工程需要在0.6~20 MPa之間進(jìn)行調(diào)整。
d)良好的施工性。拌合后輕質(zhì)土的流動(dòng)性很高,可以進(jìn)行泵送,無須振搗,養(yǎng)護(hù)方法與普通混凝土相同。
e)環(huán)保性。輕質(zhì)土就是將發(fā)泡劑水溶液制成的泡沫與水泥、礦渣粉(粉煤灰)、細(xì)骨料、水、外加劑按照一定比例混合均勻,輕質(zhì)土為無機(jī)材料,對(duì)環(huán)境無污染作用。
f)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng),耐雨水沖擊能力強(qiáng),在個(gè)別多余地區(qū),利用輕質(zhì)土路基可以有效地減少雨水對(duì)邊坡的沖刷,保證路基的整體穩(wěn)定。
本文基于某高速公路軟基處理地段路基填筑建立有限元模型,某高速公路路基原設(shè)計(jì)為首先進(jìn)行水泥粉煤灰碎石樁地基加固,后在公路兩側(cè)先進(jìn)行擋土墻施工,最后進(jìn)行路基填筑[1],經(jīng)研究分析,軟土地段部分路基直接采用輕質(zhì)土進(jìn)行路基填筑(不需要地基加固及擋土墻施工),施工后進(jìn)行工后沉降觀測及孔隙水壓力監(jiān)控,通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的比較,分析軟土地基的固結(jié)情況。本次研究所采用的計(jì)算參數(shù)全部通過現(xiàn)場取樣、室內(nèi)試驗(yàn)得出,數(shù)值模型的計(jì)算參數(shù)及幾何形狀如表1和圖1。
表1 計(jì)算參數(shù)
圖1 數(shù)值模型
利用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,所有的彈塑性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)都可以得到滿意的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),模型采用半幅路基,模擬施工加載方式,并在模型上設(shè)置必要的約束條件,賦予各種材料必要的計(jì)算參數(shù),不斷地進(jìn)行修正,得出能與施工現(xiàn)場一致的地基受力方式。
兩種路堤填筑施工方案完全模擬現(xiàn)場路堤的堆載方式:路基填筑大致分為3個(gè)階段進(jìn)行,第一階段路基填筑,施工期為3個(gè)月;第二階段堆載預(yù)壓,預(yù)壓時(shí)間為6個(gè)月(利用輕質(zhì)土路基填筑根據(jù)空隙水壓力消散情況可適當(dāng)減少預(yù)壓時(shí)間);第三階段路面施工,施工期3個(gè)月。
通過比較現(xiàn)場監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與模型分析結(jié)果之間的差異,對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,保證其工后沉降、孔隙水壓力消散曲線等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的一致性,對(duì)模型分析預(yù)測結(jié)果提供有力保證,選擇合理的邊界約束條件,選擇合理的材料參數(shù)及相互作用方式,保證模型的合理性。
主要分析輕質(zhì)土路基填筑的工后沉降與地基穩(wěn)定性,數(shù)值模擬應(yīng)力分析云圖見圖2,輕質(zhì)土填筑路基與原設(shè)計(jì)路基工后沉降曲線見圖3。
a)從圖2可以看出,輕質(zhì)土路基對(duì)地基內(nèi)附加應(yīng)力分布影響較小。主要原因?yàn)椋狠p質(zhì)土密度很低,僅為路基填土密度的1/4,從而地基附加應(yīng)力較?。划?dāng)采用輕質(zhì)土填筑路基時(shí),輕質(zhì)土彈性模量較大且有很好的可塑性,將其筑成路基后,路基可以形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu),使基底附加應(yīng)力形成應(yīng)力擴(kuò)散,被擴(kuò)散到較大的軟土面積上,具有一定的應(yīng)力擴(kuò)散作用,從而有效降低地基的附加應(yīng)力。
圖2 地基應(yīng)力分布圖
b)從圖3可以看出,輕質(zhì)土路基的工后沉降與填土路基基本一致,2 500 d后輕質(zhì)土路基工后沉降甚至小于填土路基,這說明:隨著時(shí)間的推移,較低的地基附加應(yīng)力對(duì)地基的影響越來越小,滿足路基工后沉降要求;輕質(zhì)土路基在附加應(yīng)力作用下,超孔隙水壓力消散有效應(yīng)力增長的過程并不明顯,整個(gè)超孔隙水壓力的消散過程非常平穩(wěn),保證了地基的穩(wěn)定性,從而有效減小了路基的工后沉降[2]。
圖3 工后沉降曲線
c)從圖3可以看出,輕質(zhì)土路基前期地基固結(jié)沉降較快,有必要在路面施工前進(jìn)行堆載預(yù)壓,使超孔隙水壓力快速消散,加速地基固結(jié),消除地基的不均勻沉降,滿足工程施工質(zhì)量要求。
結(jié)合上述理論分析,該成果在省內(nèi)某條高速公路路基施工過程中進(jìn)行了試驗(yàn)段鋪筑,并在后期對(duì)其沉降量跟蹤觀測,得知使用氣泡混合輕質(zhì)土可節(jié)約成本約7%,縮短工期4 d,路基在觀測期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降。
a)當(dāng)采用輕質(zhì)土填筑路基時(shí),不需要進(jìn)行地基處理,極大地加快了施工進(jìn)度。例如處理一段20 m長的軟土地基,采用普通的軟基處理方式可能需要進(jìn)行地基加固處理且路兩側(cè)還要進(jìn)行擋土墻施工,但如果采用輕質(zhì)土直接填筑路基,可以節(jié)省工期。
b)輕質(zhì)土路基密度很小,所以產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力很小,且輕質(zhì)土可以形成板體效應(yīng),有效地進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散,較小的附加應(yīng)力使地基可以保持較高的穩(wěn)定性,保證施工質(zhì)量。
c)輕質(zhì)土路基工后沉降與進(jìn)行地基處理的地段基本一致,空隙水壓力消散曲線平緩,地基可以進(jìn)行有效的排水固結(jié),能有效減小路基不均勻沉降,較小路面開裂。
大力推廣和使用氣泡混合輕質(zhì)土,可以有效地減小工程成本縮短施工周期,解決路基不均勻沉降,有很高的應(yīng)用前景和極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。