作者簡介：

陳金北（1985—），工程師，主要從事高速公路路基橋梁施工技術管理工作。

文章采用室內(nèi)試驗研究了輕質泡沫土材料的抗壓強度、抗折強度參數(shù)。試驗結果表明，輕質泡沫土的抗壓強度、抗折強度隨著材料水固比的減小而增大，這主要與材料的水泥用量有關。同時，為了處理原設計方案遇強降雨垮塌的問題，提出使用輕質泡沫土換填的方案。經(jīng)過數(shù)值模擬分析可知，采用輕質泡沫土材料可有效控制路堤沉降量，路面完成后的沉降量為普通填土材料的31.8%。

輕質泡沫土;抗壓強度;抗折強度;數(shù)值模擬

U416.1+2A030093

0 引言

輕質泡沫土是一種較為常用的工程材料，其主要特點是強度大、質量輕[1-2]。工程材料的抗壓強度、抗折強度是極為重要的力學參數(shù)，目前，為了獲取這兩種參數(shù)，通常采用室內(nèi)力學試驗的方法，通過試驗結果計算獲取參數(shù)[3-4]。在山區(qū)公路修建過程中，挖填方路堤是一種極為常見的路堤形式，由于山區(qū)地質條件復雜，軟土分布范圍廣、厚度大，承載力低，易發(fā)生沉降，且在強降雨工況下極易出現(xiàn)垮塌破壞[5-6]。目前，研究路基沉降的方法主要為數(shù)值模擬法，通過建立數(shù)值模擬模型，可分析不同施工階段的沉降結果[7-8]。結合某公路路堤工程，對輕質泡沫土的力學性質進行測試分析，采用數(shù)值模擬方法分析路堤沉降結果。

1 工程概況

工程位置在擬建道路樁號K0+000～K0+114之間。道路邊坡最大高度超過40 m，其中最大填筑高度超過35 m。結合場地周邊地質環(huán)境條件，邊坡采用分層填筑，共分為4階，結合工程經(jīng)驗，從上至下坡率依次為1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0、1∶2.0，在坡面設置拱形骨架以保證邊坡工程安全。目前，路堤已經(jīng)完成下部兩臺階的填筑工作，即將進行上部填筑。受工程所在地連續(xù)強降雨的影響，填筑土含水率較高，巖土體力學性質劣化。

2 輕質泡沫土基本力學性能

2.1 抗壓強度

抗壓強度是材料的重要強度參數(shù)，對路堤的變形具有較大的影響。根據(jù)規(guī)范要求，輕質泡沫土抗壓強度試樣尺寸采用邊長為10 cm的正方體試塊。無側限抗壓強度試驗

主要步驟如下：

（1）檢查試塊完整性，有明顯缺口、裂縫的試塊不可用于試驗。

（2）測量試塊的尺寸，將試塊置于壓力機中心區(qū)域。

（3）開啟壓力機，按照2 kN/s（50 mm/min）的速度增大荷載直至試塊破壞，記錄試塊破壞荷載P。

（4）采用式（1）計算無側限抗壓強度：

qu=PA（1）

式中：

qu——試件的抗壓強度（MPa）;

P——破壞荷載（N）;

A——承壓面積（mm2）。

多次試驗后的試驗結果統(tǒng)計如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制水固比與無側限抗壓強度關系曲線，如圖1所示，隨著水固比的減小，輕質泡沫土的無側限抗壓強度呈現(xiàn)增大的趨勢。水固比對該材料的無側限抗壓強度具有較大的影響。主要原因如下：隨著水固比的減小，輕質泡沫土材料的水泥用量正在不斷提高，水的用量在減少，造成材料孔隙率減少;在實際工程中，輕質泡沫土強度參數(shù)主要受到水泥膠結的影響。因此，輕質泡沫土的抗壓強度與水固比成反比例關系。

2.2 抗折強度

抗折強度是輕質泡沫土材料抗彎能力的反應，亦可稱為斷裂模量。該參數(shù)也是材料韌性的直接反應，表明了單位面積受彎矩作用時的極限折斷應力。為了測試輕質泡沫土的抗折強度，試塊尺寸設置為15 cm×15 cm×60 cm。主要試驗步驟如下：

（1）檢查試塊完整性，有明顯缺口、裂縫的試塊不可用于試驗。

（2）測量試塊的尺寸，將試塊置于壓力機中心區(qū)域。

（3）開啟壓力機，按照50±10 N/s的抗折速率增大荷載直至試塊破壞，保存并記錄數(shù)據(jù)。

（4）采用式（2）計算抗折強度：

ff=PLbh2（2）

式中：

ff——抗折強度（MPa）;

P——極限荷載（N）;

L——支座距離（mm）;

b 、h——試件寬度、高度（mm）。

試驗結果統(tǒng)計如表2所示。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制無側限抗壓強度與抗折強度的關系曲線，如圖2所示，輕質泡沫土的無抗折強度與無側限抗壓強度參數(shù)呈正比關系，隨著無側限抗壓強度的增大，抗折強度也有所提升，兩者之間滿足如下關系：ff=0.228 9qu+0.191 9（R2=0.98）。由于抗折強度與無側限抗壓強度之間呈現(xiàn)出較為顯著的正相關關系，因此，抗折強度與水固比的關系同無側限抗壓強度與水固比的關系。

2.3 彈性模量和CBR特性

材料的彈性模量和CBR特性在工程中是一種十分重要的參數(shù)，受實驗條件限制，本次未進行室內(nèi)試驗。根據(jù)《現(xiàn)澆泡沫輕質土技術規(guī)程》可知，輕質泡沫土的彈性模量Ec和無側限抗壓強度成線性相關關系，兩者滿足式（3）：

Ec=（200～250）qu（3）

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》可知CBR特性與無側限抗壓強度參數(shù)滿足式（4）：

CBR=25.4qu-0.762（4）

式中：CBR單位為%，

抗壓強度單位為 MPa。

3 輕質泡沫土路堤治理工程設計

在實施輕質泡沫土方案之前，首先需要對工程所在區(qū)域的軟土地基沉降數(shù)據(jù)進行觀測，只有當軟土沉降結果滿足相關規(guī)范、技術要求后，方可實施輕質泡沫土換填路堤的方案。結合原設計方案，輕質泡沫土路堤方案設計典型斷面如圖3所示。

由于按照原設計方案填筑路堤過程中遭受了連續(xù)的強降雨天氣，導致填筑的路堤出現(xiàn)了一定的滑動破壞跡象，滑動面見圖3中的虛線。為了采用輕質泡沫土方案，對現(xiàn)狀開挖的斷面采用EVA+巖土封閉處理，防止雨水下滲，造成巖土體進一步劣化。之后清除斷面表層軟弱土體后，根據(jù)設計斷面填筑輕質泡沫土。坡體下部間隔5 m設置一處排水孔。

結合場地地質情況建立數(shù)值模擬模型（見圖4），分析普通填土路基與輕質泡沫土路基的變形情況。采用分層填筑的方法，研究填筑至不同層的沉降情況。完成第1層填筑作業(yè)后，普通填土路堤的沉降量為1.85 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為1.31 cm;完成第3層填筑作業(yè)時，普通填土路堤的沉降量為4.12 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為1.95 cm;完成第5層填筑作業(yè)時，普通填土路堤的沉降量為6.57 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為2.70 cm;完成第10層填筑作業(yè)時，普通填土路堤的沉降量為13.65 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為3.98 cm;完成第13層填筑作業(yè)時，普通填土路堤的沉降量為18.79 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為4.96 cm;完成第15層填筑作業(yè)時，普通填土路堤的沉降量為23.66 cm，采用輕質泡沫土填筑的路堤沉降量為7.54 cm。根據(jù)圖4沉降變形模擬結果可知，普通填土路堤隨著填筑層數(shù)的增大，變形沉降量增大速率遠大于輕質泡沫土路堤。采用輕質泡沫土材料填筑的路堤沉降量僅為普通填土路堤沉降量的31.8%，采用輕質泡沫土材料有助于控制軟土路基沉降量較大的缺陷，有助于保證道路沉降滿足要求。

4 結語

（1）根據(jù)室內(nèi)試驗結果可以得知，輕質泡沫土的抗壓強度、抗折強度與水固比成反比。隨著水固比增大，抗壓強度、抗折強度均有所減少。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是水固比增大意味著輕質泡沫土水泥用量減少，從而降低了輕質泡沫土的韌性和強度。

（2）采用原設計方案現(xiàn)場路堤出現(xiàn)了滑塌現(xiàn)象，因此，提出采用輕質泡沫土換填路堤的方案加以處

理。根據(jù)有限元數(shù)值模擬結果可知，換填輕質泡沫土后，路堤的沉降量得到了有效的控制。

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