轻质材料消减高填土不利影响的应用研究

李 军 伟

(杭州传化公路港建设有限公司，浙江 杭州 311200)



轻质材料消减高填土不利影响的应用研究

李 军 伟

(杭州传化公路港建设有限公司，浙江 杭州 311200)

依托上海辰山植物园科研中心楼项目，以聚苯乙烯泡沫(EPS)轻质材料为例，通过模型，计算分析了利用轻质材料消减高填土对建筑不利影响的可行性，并阐述了具体的施工方案，为相关工程提供了参考。

轻质材料，EPS，岩土工程，高填土

0 引言

挡土墙应用十分普遍，回填土的重度决定了挡土墙后土压力的大小。如果回填土重度越大，土压力就越大，易对挡土墙产生破坏。轻质材料作为挡土墙后的填料，可降低竖向荷载，减少沉降。同时轻质材料是胶结材料，不产生侧向荷载，减少处理费用。本文以上海辰山植物园科研中心楼项目为依托，分析了高填土产生的较大土压力对主体建筑的不利影响，并研究了采用轻质材料消减该不利影响的可行性。

1 工程概况

上海辰山植物园的建设目标是建成世界领先和国内一流水平的国家植物园[1]，本工程绿环堆筑主要是通过堆土造坡，在山坡上种植草本植物，形成绿色带状台地形人工山体。根据本工程绿环堆筑体的平面分布特征，拟建“科研中心楼”两侧堆土较高。堆土体与拟建建筑体紧密连接，若处理不当，该区堆土易引起拟建建筑较大的附加沉降，使其桩基产生负摩阻力和水平推力作用，并使基础产生较大的不均匀沉降，这是本工程地基处理的重点和难点。

2 绿环堆筑区高填土对拟建科研中心楼的影响

根据本工程条件，可将堆土高度等效为天然土层厚度，那么拟建“科研中心楼”基础埋深可等效为-10.5 m。填土达到一定高度后，土压力随填土高度成非线性增加，高填土造成的土压力分布特征由填筑初期沉降差引起的“附加应力”和后期的“土拱效应”共同起作用综合决定[3]，因此需要综合考虑各种因素以分析高填土对建筑的不利影响。

根据设计方案，堆土与建筑物两侧紧密衔接，两侧土体将对拟建科研中心楼产生较大的水平荷载，也会引起拟建科研中心楼两侧较大的附加沉降，从而引起桩侧负摩阻力等一系列的岩土工程问题[3]。

2.1 高填土引起的地基土水平附加应力问题

由于高填土地面堆载在地基土中产生了较大的附加应力，也使地基土的水平应力显著增强并产生一定水平位移，根据有限元软件模拟堆筑产生的影响，如图1所示。

根据计算结果，靠近拟建物0 m～10 m左右范围产生挤压作用的水平位移，在10 m范围之外产生反方向的水平位移。

由于高填土堆载会在拟建科研中心桩基上产生较大的水平剪力和弯矩，因此需对单桩的水平承载力进行验算。在拟建物桩基不能满足抗剪切强度要求时，可考虑采用轻质堆筑材料以减小高填土堆载对地基土的不利影响。

2.2 高填土引起的地基土附加沉降及拟建物桩基负摩阻力问题

根据拟建场地的地层分布情况，拟建场地埋深20 m内土层一般为中～高压缩性，高填土产生地面超载会使堆筑区及中心区域的地基土层产生较大的压缩变形，如图2所示。

根据估算，在堆土10.5 m区土体最终沉降量最大值可达到0.9 m左右，如不采取相应的地基加固措施，沉降量和差异沉降量都过大。由高填土产生的附加沉降易使建筑物桩基产生很大的负摩阻力，从而降低桩基承载力、增大桩基沉降，该影响在桩基设计时必须考虑。

2.3 高填土引起的地基土体差异沉降问题

从图2估算成果可知，高填土产生的地面堆载对拟建科研中心楼区域地基土不同位置会产生不同的附加沉降，因此导致拟建科研中心区域的基础差异沉降问题，在桩基设计时要进行考虑。

3 轻质EPS材料+表层覆土方案分析

聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene简称EPS)是一种轻型高分子聚合物[4-8]。一般EPS的密度只有普通土密度的1/70～1/50[7]，EPS泡沫板具有密度小抗腐蚀；当荷载增加时，垂直变形较大，侧向变形较小；价格便宜，便于加工等优点。这些特性对高填土减载是十分有利的[8]。本工程绿环堆筑体可考虑采用局部轻质EPS材料填充+表层覆土方案。本工程若使用3 m厚的EPS板填充+2.5 m覆土时可大大减轻绿环堆土体自重，从而极大程度减小堆土所产生的堆载，缩小了由堆载产生的附加沉降及不均匀沉降等不良影响；同时，由于EPS材料自立性强，采用EPS材料填充时，对挡墙产生的水平应力较小，此时可简化挡土墙的设置，或采用混凝土薄板浇筑。EPS板可采用阶梯形堆筑或三角形堆筑，以便于受力和减少造价。具体方案可通过经济技术比选确定。

3.1 计算模型建立

1)理论基础。

本文采用有限元法计算分析，有限元方程为：

[K]{δ}={R}

(1)

其中，[K]为刚度矩阵；{δ}为位移列阵；{R}为荷载列阵。

二维有限元沉降计算采用变形模量，根据压缩模量转换，由如式(2)计算:

(2)

其中，E0为土体的压缩模量，MPa；Es为土体的变形模量，MPa；v为土体的泊松比。

2)计算模型。

a.计算桩的受力。填土高度为11 m，填土顶部宽度为8 m，在土堆内设置10 m宽的EPS板，EPS板上覆土高度分别按3 m，5 m计算，在基础边界设置挡墙，挡墙荷载为300 kN。同时按固结度为0，0.3，0.6分别计算。填土重度为γ=18 kN/m3,EPS板密度ρ=20 kg/m3。按平面应变问题计算，在基础位置设置四排桩基础，桩顶部设置筏板基础，基础的模量按桩基布置图进行等代转化。桩长44.8 m，1号桩，2号桩，3号桩，4号桩距填土边界分别为1.3 m，2.6 m，7.8 m，14.3 m。

b.计算填土对地基变形影响。填土高度为11 m，填土顶部宽度为8 m，在土堆内设置10 m宽的EPS板，EPS板上覆土高度为3 m。不设置桩基础。在基础边界处打水泥土搅拌桩，搅拌桩宽为4 m，深度为12 m。分别按打水泥土搅拌桩和不打水泥土搅拌桩情况计算，同时考虑固结度为0和0.6的工况。

计算模型及网格划分图如图3和图4所示。

3.2 计算结果分析

1)桩力计算结果。以设置EPS板覆土高度3 m、固结度为0的工况为例，利用ANSYS软件分析得到桩基的剪力和弯矩图如图5和图6所示。

通过模型计算分析各工况下的桩剪力、弯矩，计算结果汇总后如表1和表2所示。

表1 不同工况下桩基最大剪力统计表

表2 不同工况下桩基最大弯矩统计表

2)地基沉降计算结果。设置EPS板板宽10 m，覆土高度为3 m，在基础边界处打水泥土搅拌桩，搅拌桩宽为4 m，深度为14 m，计算工况考虑固结度为0和0.6两种工况。利用ANSYS软件分析得到沉降位移情况如图7和图8所示。

各桩位置处地表沉降情况如表3所示。

表3 桩基位置处地表沉降统计表

4 结语

通过分析可以发现，采用EPS板替代部分土体后，建筑物的桩基受力和地基沉降都大大减小，提高了建筑物的安全性，降低了施工难度和施工成本。采用轻质局部EPS轻质材料+表层覆土方案可以有效解决堆筑体由于堆土高、离建筑体较近，易使邻近建筑体桩基产生较大的附加沉降、明显的不均匀沉降及桩基负摩阻力等问题。

EPS材料具有较大的蠕变性，其长期强度远小于短期强度[9]。因此当用于地基处理，尤其是对地基强度要求较高时，存在很大的局限性，但当其应用于堆筑体、回填土处理时便可充分发挥其优势。本文可以为类似的建筑工程提供参考。

[1] 宗劲松,张 皓,咸 珣.激情，求解于绿色——上海辰山植物园建筑设计[J].工业建筑,2011,41(11):1-5.

[2] 上海申元岩土工程有限公司.上海辰山植物园岩土工程勘察报告[R].2007.

[3] 曹继伟,范 鹤,刘 斌.高填土涵洞土压力分布及影响因素研究[J].公路,2011(12):109-114.

[4] 张卫兵.聚苯乙烯泡沫(EPS)的特性及其在道路工程中的应用[J].公路,2004(5):146-149.

[5] 熊志远.聚苯乙烯泡沫(EPS)力学行为的实验研究[D].湘潭:湘潭大学,2007.

[6] 杜 骋,杨 军.聚苯乙烯泡沫(EPS)的特性及应用分析[J].东南大学学报(自然科学版),2001(3):138-142.

[7] 张小平,包承纲,李进军.泡沫轻质材料在岩土工程中的应用[J].岩土工程技术,2000(1):58-62.

[8] 樊莉莉.高填方涵洞减载措施及优化设计研究[D].长春:吉林大学,2014.

[9] 白 冰,陆士强.聚苯乙烯泡沫塑料的测试及其在土工中的应用[J].岩土工程学报,1994,15(2):104-108.

The application research on the adverse effects of lightweight material reduction on high filling

Li Junwei

(HangzhouTransfarRoad-PortConstructionCo.,Ltd,Hangzhou311200,China)

Based on the research center building project of Shanghai Chenshan Botanical Garden, taking Expanded Polystyrene(EPS) lightweight material for example, through the model analyzed and calculated the feasibility using lightweight materials reduction on the adverse effects of high filling to building, and elaborated specific construction plan, provided reference for related engineering.

lightweight material, EPS, rock and soil engineering, high filling

1009-6825(2016)28-0069-03

2016-07-26

李军伟(1976- )，男，高级工程师

TU432

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