高速公路路基泡沫轻质土拓宽工艺及其变形控制效果分析

黄任文 王鑫越 黄俊杰

【摘要：】为对比分析分别由泡沫轻质土和传统填土填筑的拓宽路基在新旧路基沉降变形及地基土水平位移分布方面的规律及其差异性，文章开展了室内离心试验与数值模拟分析。结果表明：传统填土填筑的路基面，最大沉降为43.3 mm，既有路基坡脚最大水平位移为-13.4 mm，拓宽路基坡脚处最大水平位移为56.3 mm;泡沫轻质土填筑的路基面，离心试验结果显示最大沉降减小了45.0%（与传统填土填筑相比）、既有路基坡脚和拓宽路基坡脚下地基土最大侧向变形分别减小了60.4%和74.6%;相比传统填土，泡沫轻质土填筑的路基最大沉降减少了56%、侧向变形分别减小74.0%和82.5%。这说明采用泡沫轻质土作为拓宽路基填料，能够有效减小拓宽路基面水平变形、沉降与差异沉降量。

【关键词：】道路工程;路基拓宽;泡沫轻质土;离心试验;数值模拟;沉降变形

U416.1+11A160494

0 引言

随着我国经济飞速发展，国民生活水平不断提高，机动车保有量迅速增长，城镇道路及高速公路交通流量趋于饱和，目前一般通过拓宽旧路路基以适应交通流量逐年上升的需求。旧路拓宽虽能有效缓解公路交通压力，但由于新旧路基受力环境差异，导致二者极易出现差异沉降变形，引起路面开裂，降低驾驶舒适度和安全性[1-2]。

为降低路基拓宽工程中路面开裂对车辆运行的影响，相关学者对传统工艺进行了改良。康笠[3]通过模型试验对比碎石桩、土工格栅、CFG桩与无加固状态地基沉降变形，发现采用CFG桩结合土工格栅的施工工艺能有效减少拓宽路基沉降。何敬晨等[4]对路基拓宽台阶尺寸方案进行了比选，提出一种大尺寸台阶施工工艺。傅珍等[5]通过土工离心试验研究了不同加筋材料加筋拓宽路基时的差异沉降量，发现加筋能有效协调路基不均匀沉降。此外，还有学者提出通过提高压实度、架设反压护道等方法减少拓宽路基的差异沉降量[6-7]。但以上工艺存在施工复杂、周期长、经济性差等问题。因此，有学者将具有轻质性、高流动性、施工便捷性等技术特点的泡沫轻质土引入路基拓宽工程作为拓宽区填料，并取得了一定的研究成果[8-11]。

虽然泡沫轻质土在公路路基拓宽工程中的应用越来越广泛，但泡沫轻质土施工工艺、与传统土石填料拓宽路基沉降变形差异性等方面还有待研究。因此，本文提出公路路基泡沫轻质土拓宽工艺，结合土工离心试验和数值模拟技术，对比分析传统填料与泡沫轻质土填料拓宽路基的沉降变形及水平位移分布规律，对泡沫轻质土在高速公路拓宽工程中的优越性进行探讨。

1 公路路基泡沫轻质土拓宽工艺

1.1 泡沫轻质土制备

泡沫轻质土制备工艺流程主要分为三步：（1）将水泥及其他改性材料（如粉煤灰、纤维等）与水混合搅拌形成水泥浆;（2）将水与发泡剂混合形成发泡液，发泡液通过压缩空气机与空气混合后形成细密均匀的泡沫;（3）将上述第一步与第二步制备的水泥浆与泡沫进行混合搅拌，最终形成泡沫轻质土。

1.2 泡沫轻质土施工工艺

泡沫轻质土施工工艺流程主要包括：施工准备工作→浇筑模板安装→泡沫轻质土泵送浇筑→养护作业。以下分别对各工艺流程进行阐述，重点说明各施工工艺控制要点。

（1）施工准备工作

场地清理后，进行既有路基台阶开挖，开挖应分段进行，避免一次性开挖后既有路基边坡长期暴露而产生塌方等危险。保证各级台阶土体处于密实状态，必要时可采用水泥砂浆对坡面进行初步加固，同时做好现场防排水等施工准备措施。

（2）浇筑模板安装

准备工作结束后，架设泡沫轻质土浇筑模板以形成封闭的浇筑区域，模板应分段设置，避免单次浇筑距离过长。

（3）泡沫轻质土泵送浇筑

浇筑泡沫轻质土应分层、分段进行。单次浇筑高度宜控制在0.6～0.8 m，防止单次浇筑厚度过大导致泡沫轻质土塌缩、开裂;单次浇筑长度应根据泵送距离、浇筑厚度、设备生产能力等现场情况综合确定。同时，单次浇筑面积宜控制在200～400 m2。此外，当泡沫轻质土浇筑长度较大时，应间隔10～15 m设置伸缩缝，缝宽≥10 mm，填缝材料宜采用泡沫板、挤塑板等。

（4）养护作业

泡沫轻质土泵送完成后，应及时进行覆膜保湿养护，避免内外温差过大，导致泡沫轻质土产生开裂等问题，影响后期强度的形成。

2 泡沫轻质土拓宽路基变形研究方案

为研究采用泡沫轻质土作为拓宽区域填料时公路路基拓宽工程沉降及水平变形特性，本文通过室内土工离心试验及计算机数值模拟方法，对比分析传统填料与泡沫轻质土填料的路基拓宽工程效果。

2.1 室内离心试验方案

分别建立由泡沫轻质土和传统填料填筑而成的两组离心试验模型，其中采用泡沫轻质土填筑拓宽路基模型如图1所示，泡沫轻质土湿密度为700 kg/m 另一组模型填筑与既有路基相同的传统填料。两组模型比例均为1∶80，制作于相同的模型箱内，模型箱尺寸为600 mm（长）×400 mm（宽）×400 mm（高）。两组离心试验模型除拓宽路基填料不同外，其余参數如地基土层厚度、新旧路基高度、基桩长度与间距、传感器布置位置等均保持一致。

试验模型建立过程主要包括软土地基与既有路基建立和拓宽路基建立两个步骤。

（1）软土地基与既有路基模型的建立

软土地基采用成都郊区软黏土进行填筑，经测定其天然含水量为15.1%。为模拟地基土固结过程，首先对地基土开展离心试验，具体操作如下：两组试验模型均先填筑厚度为35 cm的软土，再放入离心机中以80 g离心加速度作用82 min，然后将模型箱从离心机中取出，挖除地基土表层，保留地基土厚度为20 cm，即模拟相当于原型16 m厚的地基土层。提取离心后的土体，经测试得到固结后地基土粘聚力和摩擦角分别为20.0 kPa和18.1°。

根据相似理论，本试验采用PVC管模拟桩体，经计算后，桩体长度和直径分别为125 mm和10 mm，PVC管壁厚1 mm，弹性模量为2.5 GPa。在固结后的软黏土地基中开挖孔径为10 mm的孔，然后将PVC管插入地基土层中，最后在桩顶铺设碎石加筋垫层，垫层加筋材料和碎石分别采用棉质纱网和细砂进行模拟。既有路基模型采用重塑黏土，在外部特制钢模中进行制作，测定其最优含水量为16.5%，填筑压实度≥0.96。随后将制作完成的既有路基模型放在复合地基加筋垫层设计位置，再将路基模型整体放入离心机中，在离心加速度为20 g、40 g、60 g、80 g条件下分别旋转21.6 min、5.7 min、2.4 min、1.4 min，模拟既有路基分层填筑过程，每层填筑时长为6 d。当离心机的离心加速度达到80 g后，继续保持82 min，模拟既有路基填筑后放置1年，使路基压密下沉且与复合地基固结沉降均趋于稳定。

（2）拓宽路基模型的建立

路基拓宽部分分别采用泡沫轻质土与传统土体填筑，即总共开展两组离心模型试验。每组完成上述步骤（1）软土地基与既有路基建立后，将在外部特制模型槽内制作成型的拓宽路基模型放入既有路基模型侧边的拓宽区域。其中，泡沫轻质土在外部木板模型槽内浇筑成型，并覆膜保湿养护28 d。

将完成拓宽的路基整体模型再次放入离心机中，在离心加速度为80 g环境下继续旋转82 min，模拟两组不同填料拓宽路基长期固结沉降过程。

两组试验模型建立过程中均安装有沉降变形传感器，试验模型在离心机内加载过程中对其沉降变形进行测试采集。

2.2 数值计算模型

建立基于三维有限差分法的常规路基填料与泡沫轻质土填料拓宽路基数值模型，如图2所示。该模型中既有路基和拓宽路基的长度与深度与离心模型原型中的长度与深度保持一致。为加快计算效率并基于几何对称性，模型仅模拟一侧路基。在数值模型中只考虑拓宽路基自重，忽略交通荷载影响。

软土与传统土体均采用摩尔-库仑本构模型，泡沫轻质土采用理想弹塑性模型。计算参数见表1。

模型横向对称面施加对称约束，底部施加固定约束。数值模拟过程与离心试验过程相同，因此可将数值计算模型加载全过程分为以下步骤：（1）软土地基固结与既有复合地基固结;（2）拓宽路基施工与固结。将前一分析步结束的应力应变状态作为下一分析步的初始状态，对新旧路基施工及沉降全过程进行模拟。

3 结果分析

3.1 路基面沉降规律

由于拓宽路基填料自重的作用，既有路基不可避免地会产生新的沉降，且沉降量与新旧路基位置有关，越靠近拓宽路基一侧的既有路基沉降量越大，如图3所示。

由如图3可知，离心模型实验中，在拓宽区域采用泡沫轻质土填筑的条件下，路基面最大沉降量为23.8 mm（新旧路基界面），而采用传统土体填筑最大沉降为43.3 mm（拓宽区域中部）;数值模拟分析结果分别为19.7 mm和44.8 mm。对比以上数据可以发现，采用泡沫轻质土填筑路基拓宽区域能够有效减小新旧路基面的沉降量，相比于传统填土拓宽路基，最大沉降量减小了45.0%（离心试验）及56.0%（数值模拟）。

以上数据说明了采用泡沫轻质土填筑路基拓宽部分能够充分发挥泡沫轻质土轻质的技术优势，减小新建拓宽路基自重，从而降低了因新建拓宽路基引起既有路基的沉降，对新旧路基之间差异沉降具有良好的控制作用，进而抑制新旧路基交接位置处路面结构开裂并减少后续维护工作量。

3.2 地基水平位移规律

通过对模型箱透明部分的定位标志进行测量，得到试验完成后既有路基坡脚下和拓宽路基坡脚下地基水平位移量，同时将其与数值分析结果进行对比，并将其随地基深度的变化规律绘制成图，见图4（负值表示地基土向既有路基侧移动，正值表示地基土远离既有路基）。

由图4可知，在拓宽区填料自重荷载作用下，既有路基坡脚下地基土水平位移主要朝既有路基一侧发展，随地基深度呈现先增大后减小的规律，最大水平位移为-13.4 mm;而新建拓宽路基坡脚下地基土水平位移随地基深度增加而逐渐减小，最大水平位移发生在1.8 m深度处，为56.3 mm，数值模拟分析结果分别为-10.0 mm和48 mm。采用泡沫轻质土填筑时，既有路基坡脚最大水平位移为-5.3 mm，拓宽路基坡脚处最大水平位移为14.3 mm，数值模拟分析结果分别为-2.6 mm和8.4 mm。相较于传统填料填筑的拓宽路基而言，离心试验中泡沫轻质土路基最大水平位移分别减小了60.4%和74.6%，而数值分析结果中最大水平位移分别减小了74.0%和82.5%。这说明采用泡沫轻质土填筑拓宽路基可有效减小地基土的水平位移。若新建拓宽路基靠近既有建筑物时，可利用泡沫轻质土的轻质性，减小新建拓宽路基的自重，进而减小地基产生的水平位移，从而控制地基水平位移对既有建筑物或构筑物的影响。

4 结语

通过阐述公路路基泡沫轻质土拓宽工艺，开展离心模型试验与数值模拟计算，对比研究了拓宽路基分别采用泡沫轻质土和传统填土进行填筑条件下新旧路基沉降变形与侧向变形特性，得出以下主要结论：

与传统路基填料相比，泡沫轻质土填筑拓宽路基时的最大沉降量减小了45.0%（离心试验）和56.0%（数值模拟）;既有路基坡脚下与拓宽路基坡脚下地基最大水平位移分别减小了60.4%和74.6%，数值模拟分析结果显示最大水平位移分别减小了74.0%和82.5%。相关数据表明，采用泡沫轻质土填筑路基拓宽部分能够充分发挥泡沫轻质土轻质的技术优势，减小因新建拓宽路基而引起既有路基的沉降和控制新旧路基之间的差异沉降量，降低地基土水平位移，从而降低拓宽路基对路面结构与既有构筑物的影响。

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