鐘飛祥

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

軟土地基因強(qiáng)度小、含水率高等特點(diǎn)給工程建設(shè)帶來過高的成本和困難，而泡沫輕質(zhì)土因具有施工簡便和質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，在軟土地基路基工程中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。本文結(jié)合某實(shí)際工程建立有限元數(shù)值模型，探討在軟土地基上填筑路基的過程和工后對(duì)地基和路基變形的影響，同時(shí)，進(jìn)一步探討施工參數(shù)對(duì)路基變形的影響，為類似工程提供參考。

1 數(shù)值模擬建立

1.1 工程概況

軟土是指沿海的濱海相、三角洲相、湖泊相、沼澤相和河流相等主要由細(xì)粒土組成的土，其具有孔隙比大(一般>1)、天然含水率高、壓縮性大和強(qiáng)度低等特點(diǎn)。某公路路基工程的路線穿越多段軟土區(qū)域，為了控制路基過大沉降和不均勻沉降變形的問題，采用泡沫輕質(zhì)土填筑路基，對(duì)其進(jìn)行分層澆筑，每層澆筑厚度為0.8～1.0 m，路基路面寬度為26 m。軟土地基上填筑泡沫輕質(zhì)土材料形成的路基，其道路結(jié)構(gòu)如圖1所示，路基填筑高度為8 m(包含路面)，路基邊坡坡度為1∶1.5，在輕質(zhì)土路基與淤泥質(zhì)土間鋪設(shè)一層0.3 m的細(xì)砂土。地基-路基結(jié)構(gòu)總共分為7層，自下而上分別為粉質(zhì)黏土(厚度為11 m)、砂性土(厚度為8 m)、粉土(厚度為11.5 m)、普通填土(厚度為10 m)、淤泥質(zhì)土(厚度為9.5 m)和泡沫輕質(zhì)土(厚度為7.2 m)及路面(厚度為0.8 m)。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)軟土地基上填筑路基施工工程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。同時(shí)，為了消除邊界條件對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，本文結(jié)合圣維南原理建立二維平面應(yīng)變的數(shù)值模型，其地基模型長寬分別為100 m和50 m，劃分網(wǎng)格類型為CPE4R的平面應(yīng)變單元，總共3 126個(gè)單元和3 541個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，具體計(jì)算模型如圖2所示。仿真模擬嚴(yán)格按照實(shí)際施工進(jìn)行，即進(jìn)行分層填筑模擬，本次計(jì)算分為8層填筑。

圖1 地基-路基結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 地基-路基有限元數(shù)值計(jì)算模型圖

1.3 本構(gòu)參數(shù)選取與地應(yīng)力的平衡

為了提高計(jì)算效率，在滿足工程精確度的前提下，對(duì)本次數(shù)值計(jì)算做出如下的合理假設(shè)：

(1)路面材料服從線彈性，粉質(zhì)黏土、砂性土、粉土、普通填土和泡沫輕質(zhì)土材料服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，地基土層中地下水滲流規(guī)律符合達(dá)西滲透定律。

(2)路基填筑高度為1 m/層，在數(shù)值計(jì)算中分8層進(jìn)行施工填筑。

(3)地基土與輕質(zhì)土填料力學(xué)參數(shù)不隨施工的進(jìn)行而變化。

(4)泡沫輕質(zhì)土路基填筑屬于平面應(yīng)變問題。

含水率較高的淤泥質(zhì)土，具有壓縮模量高及孔隙比大等特點(diǎn)，而劍橋模型可以考慮高含水率土體在受自重及外部附加荷載下，其固結(jié)排水狀態(tài)下的工作性狀。對(duì)此，本文對(duì)淤泥質(zhì)土選用劍橋模型(表1)進(jìn)行分析，而路面結(jié)構(gòu)采用線彈性模型計(jì)算，其余材料均采用Mohr-Coulomb模型(表2)。

表1 劍橋塑性模型軟土材料計(jì)算參數(shù)表

其中，λ為塑性體積模量對(duì)數(shù)，K為土體彈性對(duì)數(shù)體積模量，M為土樣應(yīng)力比,e1為孔隙比，k為滲透系數(shù)。

表2 地基-路基結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)計(jì)算參數(shù)表

此外，在實(shí)際工程中，地基土體在被擾動(dòng)前其內(nèi)部往往存在應(yīng)力而不發(fā)生位移，即地質(zhì)經(jīng)過長期的演化，使得土體在重力作用下存在著自重應(yīng)力而無位移狀態(tài)，因此在數(shù)值計(jì)算前有必要進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

在軟土地基上填筑而成的路基，工程界更注重其豎向沉降的變形。為此，進(jìn)一步分析泡沫輕質(zhì)土路基澆筑過程和工后的沉降變形，如圖3所示為泡沫輕質(zhì)土澆筑路基施工工后的沉降云圖。

由圖3可知，最大沉降值并沒有出現(xiàn)在路基表面，而是出現(xiàn)在工后填筑的路堤第一層填土及其以下的地基土，其值為12.31 cm。該現(xiàn)象主要緣于土體骨架含有大量的水，在填土的快速填筑下，地基上部受到附加荷載作用使地基土體內(nèi)部的水無法及時(shí)排出，而是隨著荷載繼續(xù)增加，其內(nèi)部的水通過孔隙向四周消散，使原地基土逐漸趨向于穩(wěn)定，因此造成原地基表面和附近的輕質(zhì)土填料沉降最大，而靠近路基頂面的輕質(zhì)土路基短期內(nèi)沒有發(fā)生大的沉降。

圖3 泡沫輕質(zhì)土澆筑路基工后豎向沉降云圖

2.1 地基表面沉降分析

分別提取每層泡沫輕質(zhì)土填筑完成后地基表面的沉降值進(jìn)行分析，以路基中心線作為橫坐標(biāo)的中線，沉降值作為縱坐標(biāo)，具體如圖4所示。

圖4 每層輕質(zhì)土填筑完成后地基表面沉降值變化曲線圖

由圖4可知，每層泡沫輕質(zhì)土澆筑完成后，地基表面的兩側(cè)沉降值與地基中心線呈近似對(duì)稱。其中，地基表面的最大沉降均發(fā)生于其中心，第一層至第八層澆筑完成時(shí)，地基最大沉降值分別為-1.55 cm、-2.836 cm、-4.127 cm、-5.386 cm、-6.599 cm、-7.754 cm、-8.787 cm、-12.31 cm，兩兩之間的沉降值分別增大45.3%、31.3%、23.4%、18.4%、14.9%、11.8%、28.6%。

2.2 泡沫輕質(zhì)土密度對(duì)路基變形的影響

泡沫輕質(zhì)土密度直接決定地基的附加荷載值大小。根據(jù)有關(guān)研究，泡沫輕質(zhì)土的密度可控制在300～1 600 kg/m3，且泡沫輕質(zhì)土密度增大，相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)也增大?；诖?，在改變泡沫輕質(zhì)土密度量值后也應(yīng)相應(yīng)地改變其強(qiáng)度參數(shù)值，再進(jìn)行計(jì)算，并討論泡沫輕質(zhì)土密度分別為400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3時(shí)對(duì)路基的變形影響情況。如下頁圖5所示為不同輕質(zhì)土密度下工后路面的沉降曲線。由圖5可知，密度的增大引發(fā)路面沉降值的增大。其中，輕質(zhì)土密度分別為400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3時(shí)，路面的最大沉降值分別為-34.06 mm、-34.84 mm、-35.26 mm。其中，密度為400 kg/m3和500 kg/m3之間的最大沉降值減少率分別為2.24%和1.2%。

圖5 不同輕質(zhì)土密度下工后路面沉降曲線圖

2.3 施工填筑速率對(duì)路基變形的影響

研究表明，路基填筑速率是影響其工后沉降的主要因素之一。通過改變數(shù)值模擬中有限元軟件分析的時(shí)間增量，并模擬路基填筑速率分別為0.5 m/d、1.0 m/d、1.5 m/d時(shí)的工況，再提取工后路面的豎向位移值進(jìn)行比較。其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 填筑速率-路面沉降曲線圖

由圖6可知，路面沉降隨路基高度的填筑速率增大而增大，在填筑速率分別為0.5 m/d、1.0 m/d、1.5 m/d時(shí)，路面的最大沉降位移分別為-28.16 mm、-34.84 mm、-43.07 mm，兩兩之間路面的最大沉降值增長率分別為19.2%和19.1%，路面橫向沉降差異分別對(duì)應(yīng)的值為5.32 mm、6.57 mm、8.11 mm。由此可見，控制路基高度的填筑速率對(duì)路基路面的沉降和不均勻沉降變形能起到一定的抑制作用，因此，在軟土地基上填筑路基，在不考慮工期的情況下，可適當(dāng)調(diào)整路基的填筑速率。

3 結(jié)語

本文通過有限元數(shù)值計(jì)算，模擬了軟土地基上泡沫輕質(zhì)土路基的施工填筑過程，得到了路基施工填筑期間和工后的變形規(guī)律。同時(shí)，還探討了施工參數(shù)和泡沫輕質(zhì)土材料參數(shù)對(duì)路基路面的變形影響。

(1)在施工期間和工后，地基表面的最大沉降均發(fā)生于地基中線處，且沉降值隨著填筑高度的增加而增加。

(2)同一斷面軟土地基上的泡沫輕質(zhì)土路基橫向差異沉降值隨路基填筑高度先增加而增大，在抵達(dá)一定值后其值又逐漸減小。

(3)泡沫輕質(zhì)土的填筑速率對(duì)軟土地基上的路基路面沉降值影響很大，其中，不同的填筑速率對(duì)路面沉降值的影響最大相差達(dá)19.2%；泡沫輕質(zhì)土的密度對(duì)路基路面的沉降值影響較小，就輕質(zhì)土密度分別為400 kg/m3和500 kg/m3的情況而言，兩兩之間對(duì)路面的沉降值僅相差2.24%。