泡沫复合轻质土对路桥衔接处降沉影响的研究

杨建停

(新疆公路桥梁试验检测中心 乌鲁木齐市 830000)

路桥衔接处是路桥工程设计和施建一直重视的技术重点之一，事关桥头跳车治理，关系路桥筑建质量和应用舒适性。参考案例工程实用数据，借助ABAQUS有限元数值模拟分析的方式，对泡沫复合轻质土路桥衔接处的降沉影响课题开展专题分析探究，以为泡沫复合轻质土的路桥衔接处回填应用提供依据及参照，助力实现良好的路桥衔接处筑填效果。

1 泡沫复合轻质土概念简介

泡沫复合轻质土是基质土、发泡剂、固化剂以及水等多种组分复合而成的一种轻质材料，容重范围5～12kN/m3，热传导系数0.100～0.175，流值160～200mm左右，干燥聚缩率一般为普通混凝土的4～6倍，抗压强度0.3～5MPa。其透渗常数比较低，并且会随容重的降低而加大。其无侧限抗压强度与弹塑模量呈线性关系。其腐蚀环境条件下的力学强度跟普通混凝土差别不大，而其耐碱腐蚀性相对更好。泡沫复合轻质土材料会生发大量气泡，拥有容重小、密度和强度可调节、良好的保温隔热性和良好的高流动性等工程特性，能相对较好地缓解新老路基衔接的差异降沉、路桥衔接处的桥头跳车、涵隧减荷以及山区路堤稳定维护等交通筑建难题。其结构状态具体见图1所示。

图1 泡沫复合轻质土结构状态

2 分析模型的建立

2.1 本构基本设定及参数

2.1.1本构模型

工程土体拥有复杂性，对其进行客观全面的分析揭示，如果仅凭本构模型分析，则要么难以实现，要么只适用于某种加载情况。要对工程土体进行客观全面的分析描述，本构模型基础上再进行模拟数值分析即为一种必要的补充手段。

材料模型主要包括莫尔-库仑模型、弹塑性模型等。本研究的泡沫复合轻质土和基础土模拟选用莫尔-库仑弹塑性模型，路面及桥台构造模拟选用线弹塑模型。

2.1.2基本设定

本模拟分析的基本设定包括:

(1)路堤模型以平面应变情况为基础进行计算；

(2)在对轻质土路堤分层筑填进行模拟前，对既有基础土实施起始应力平衡，以保障基础土在自身重量载荷下已然完成固结；

(3)轻质土路堤与桥台侧向碰触面不会出现任何间断，不出现相对滑移及分离；

(4)在桥台底部与基础土间设置约束，桥台不出现降沉形变；

(5)路堤、路面构造和基础土间处在接触面完全不间断，基础土层间在垂向移位方向耦合。

2.1.3基本参数

因现实环境下开展的一些工程，其土层构成体系相对复杂，而且各层的厚度分布不够均匀，即便是同层土体，其性质亦不是完全一样的，所以，要求对该模型的土层进行适当优化与调整。泡沫复合轻质土模拟计算主要参数具体见表1所示。

表1 泡沫复合轻质土模拟计算主要参数

2.2 几何建模及有限元建模

参考某路桥工程的A匝道路桥衔接处基础资料及实践勘察信息，选择典型截面AK0+390开展建模分析，该区段地层下部为淤泥，中部为黏土，上部为杂填方。

路基顶面宽为8m，并且边坡直立，路堤填高取为2.5m。在对获取到的相关资料进行有效梳理与归纳总结的基础上，将轻质土路堤横截面的二分之一为对象展开深入的探索与研究，以提高计算效率，其中，路堤横截面宽是4m，基础土层宽是16m。其横截面图模型及网络划分如图2和图3所示。

图2 数值模拟横截面图

图3 路桥衔接处横截面网络划分

参考路桥衔接处调查可知，通常路桥衔接处的差异降沉形变主要出现在桥台附近的20m以内，因此在本设计中，笔者以该路段的纵向长度25m当作研究对象，台背回填高程2.5m，路面厚度0.19m，桥台高度2.5m，基础0到1.5m深度内为杂填方，1.5m到4m内为黏土，4m以下为淤泥。在接下来的模型构建中，选用CPE4R进行网络单元划分，既有基础土及泡沫复合轻质土选用莫尔-库仑模型，上覆路面构造及桥台混凝土选用线弹塑性模型，并且考虑桥台及轻质土间的接触。其纵截面模型及网络划分如图4及图5所示。

图4 数值模拟纵截面图

图5 路桥衔接处纵截面网络划分

3 泡沫复合轻质土主要参数对路桥衔接处的降沉影响分析

3.1 泡沫复合轻质土容重参数对降沉的影响

本节以泡沫复合轻质上的容重级别当作对象对路桥衔接处筑填效果进行全面、系统的评估与分析，在对工程A匝道桥头泡沫复合轻质土路堤进行模拟时，选用的泡沫复合轻质土的容重级别定为W5。而路基降沉是否与泡沫复合轻质土的容重相关，还需展开更深入的考核与验证。通过对同泡沫复合轻质土的容重级别的进一步研究，以计算路基降沉演变。

在保持泡沫复合轻质土路堤高程2.5m和其他参数不变的条件下，泡沫复合轻质土的容重级别分别设立7个容量级别，在此基础上，广泛研究各分层筑填高程路基降沉随着容重级别演变的情况，结果如图6及图7所示。

图6 不同容重级别在不同分层筑填高程的降沉值

从图6我们可知，泡沫复合轻质土路堤在同分层筑填高程下，随着容重级别的增强，路基垂向降沉值加大，并且随着分层筑填高程的加大，路基垂向降沉的形变提升速度加快。

图7 不同容重级别泡沫复合轻质土筑填的降沉曲线

从图7我们可知，在同一容重级别下，路基垂向降沉值与桥台距离先表现出明显的正关联性，也就是说，在间距不断扩大时，沉降现象就愈发严重，但达到一定水平之后，则趋向于平缓。由此可以看出，容重级别越高，泡沫复合轻质土对路基垂向降沉值影响变大。

当泡沫复合轻质土容重级别较低时，虽然其自身重量载荷减轻，但其抗压强度亦相对较低，加之现场制备困难，因此在很大程度上影响浇筑效果。当泡沫复合轻质土容重级别太高时，不但导致混凝土用量的浪费，无法充分体现其轻质性的优势，并且导致施工成本进一步增加。最为重点的是，路基垂向降沉加大，容易引发安全隐患，无法从源头上保证行车安全。经多方面考虑及综合分析后，笔者认为桥头路堤筑填选择应用容重级别为W6较为合适。

3.2 泡沫复合轻质土弹塑性模量对降沉的影响

案例工程路堤筑填数值模拟过程中，其泡沫复合轻质土的强度级别定为CF0.6，经过调整泡沫复合轻质土的弹塑性模量，计算其对路基垂向降沉的影响。经过控制泡沫复合轻质土弹塑性模量演变范围在50～300MPa，深入探讨并分析它在各筑填高程下路基降沉演变，结果如图8及图9所示。

图8 泡沫复合轻质土弹塑性模量与降沉关系

图9 不同弹塑性模量的泡沫复合轻质土筑填的降沉曲线

由图8可知，当泡沫复合轻质土的弹塑性模量<100MPa时，随着其弹塑性模量的加大，路基垂向降沉速度降低较快；当其弹塑性模量>100MPa时，弹塑性模量的加大对路基垂向降沉影响不是相当大。

图9是不同弹塑性模量的泡沫复合轻质土筑填的降沉曲线。从图9我们可知，在泡沫复合轻质土弹塑性模量不变的条件下，如果距离桥台的长度不断增大，路基垂向降沉值先加大，之后趋向于平缓。当增强轻质土的弹塑性模量，路基的垂向降沉值降低，而14m外的路基垂向降沉值不受弹塑性模量的影响。

所以，当泡沫复合轻质土材料弹塑性模量大，抵御形变的能力增强，降低了本身的压缩形变，从而下降了路堤的降沉。当弹塑性模量到达一定值时，路堤自身压缩形变非常小，因此弹塑性模量的继续加大所引发的演变就很小，此时的路基降沉主要是基础的压缩引发的。当泡沫复合轻质土的弹塑性模量到达100MPa，继续增强其弹塑性模量对路基垂向降沉的影响甚微。所以，在经济性及满足降沉需要的条件下，应将100MPa当作泡沫复合轻质土的弹塑性模量，通过换算获取到抗压强度级别0.4MPa。

3.3 泡沫复合轻质土路堤筑填高程对降沉的影响

经过改变路堤的筑填高程，计算不同路堤高程下的路基降沉。参考泡沫复合轻质土筑填工程技术规范，泡沫复合轻质土路基筑填高程不宜超越15m。所以，本研究拟定了五个路堤高程。经过模拟计算，可得知各高程的泡沫复合轻质土路堤路基降沉，见图10具体所示。

图10 路增强度与降沉关系图

由图10可知，路堤筑填高程与降沉值存在密切关联，路堤的垂向降沉值随着路堤高程的增高而加大。轻质土路堤高程的加大，自身重量载荷加大，使对基础的附加应力加大，基础降沉形变亦随之增大。基于整体性而言，其沉降值没有出现突变，表明在上述模型中，泡沫复合轻质土的抗压强度级别为CF0.6，容重级别为W5，路堤高程到8m时，基础载承力基本能满足需要。

3.4 泡沫复合轻质土路堤筑填软土基础降沉分析

在保持泡沫复合轻质土路堤高度2.5m不变条件下，通过控制变量法的推行与实施，实现了软土层参数的科学调整，由此获取到的路基降沉演变见图11具体所示。

图11曲线揭示，软土基础的弹塑模量、黏聚力、泊松比及内摩角等参数差异，都会对路基降沉产生影响，随着弹塑模量、黏聚力、泊松比及内摩角等参数的加大，软土基础降沉对应伴随而走低。基础弹塑模量越大，则降沉值的下降速度越快。所以，对于软土基础的路桥过渡衔接，弹塑模量是相对更关键的影响参数。

3.5 泡沫复合轻质土路堤与普通土路堤的降沉比对

对普通填方路堤来说，其沉降值要求还需做更深入的探讨与分析，以进一步证实泡沫复合轻质土的效果程度。因此，在原有初始条件不发生任何改变的工况下，选用普通填方实施路堤筑填，路堤两侧坡度初步设定为1∶1.5，计算分析高度不同其路基垂向降沉值，之后与泡沫复合轻质土实施比较。普通填方路堤模型与网络划分详见图12及图13所示，其中材料参数见表2。

(a)基于弹塑模量影响

(b)基于粘聚力影响

(c)基于内摩角影响

(d)基于泊松比影响图11 基于各参数的软土基降沉影响曲线

图12 普通填方路基横截面图

图13 普通填方路堤降沉网络模型

道路构造厚度(m)弹塑性模量(MPa)泊松比重度(kN/m3)粘聚力(kPa)内摩角(°)路面构造层0.1912000.2520--普通填方2.5250.35182022杂填方1.550.317.5815粘土2.54.50.2617.8723.0610.14淤泥760.315.7511.996.58

得到泡沫复合轻质土路堤与普通填方路堤降沉值比对，见图14具体所示。

图14 基于筑填高程差异的两种填方路基的降沉对比

从图14我们可知，普通填方高程与累计沉降值呈特定的线性关系，随着筑填高程的加增，路基垂向降沉值提升较快，并且提升速率远高于泡沫复合轻质土路堤；不仅如此，在路堤不断增大的情况下，它们的降沉差异就越大，当路堤筑填高程2.50m时，泡沫复合轻质土路堤路基基础底部最大累计沉降值2.18cm，普通填方路堤路基基础底部最大累计沉降值8.95cm。所以，泡沫复合轻质土路堤的路基基础底部最大降沉仅为普通土路堤的24%。

4 总结

参考某案例工程A匝道桥头路堤筑填实用数据，借助ABAQUS有限元数值模拟分析的方式，对泡沫复合轻质土路桥衔接处的降沉影响开展了专题分析探究。主要收获及结论：

(1)最佳容重级别为W6；当泡沫复合轻质土的弹塑性模量<100MPa时，在弹塑性模量不断增大时，路基垂向降沉速度降低较快；当其弹塑性模量>100MPa时，弹塑性模量的加大对路基垂向降沉影响不是相当大，并在满足经济性及降沉需要的条件下提出了最佳弹塑性模量是100MPa。

(2)普通填方路堤与泡沫复合轻质土路堤相较，随着筑填高程的加大，路基垂向降沉差异越大，当路堤筑填高程2.50m时，泡沫复合轻质土路堤路基垂向最大累计沉降值2.18cm，普通填方路堤路基垂向最大累计沉降值8.95cm。

(3)泡沫复合轻质土路堤高程影响着路基降沉，路堤高程越高，路基垂向降沉越严重。但在本设计中，其路堤高程需合理地控制在8m之内。在深入探讨泡沫复合轻质土在软土基础筑填时，随着软土基础的弹塑性模量、内摩角等参数的加大，软土基础的垂向降沉值降低，而最大的影响要素是软土基础的弹塑性模量。