泡沫轻质土对高速公路改扩建新旧路基差异沉降的影响分析

1 工程概况

本工程为旧路拓宽改造项目，项目位于津歧公路的东风大桥南桥头，津歧公路与南堤路平交口，道路长9.17km，线路走向与现有道路一致，时速为80km/h，设计荷载为BZZ–100KN。

由于新路基和旧路基存在沉降不一，为了减小新旧路基的沉降差异，应选择自重较小的泡沫轻质土进行填筑。路基标准横断面采用天津市通用的公路横断面布置形式，主线采用双向四车道一级公路标准，路基总宽度25.5m。

2 泡沫轻质土处理路基形式

2.1 特殊路段路基处理

填高大于5m的单侧加宽段和填高大于2m的双侧加宽段属于特殊路段路基加宽。

处理方法是：将路基表面杂草处理干净，新旧路基连接处挖开台阶，削坡125cm，设2%~4%横坡度（朝向现状路基），台阶宽度和高度根据泡沫轻质土填筑厚度选取。

加宽部分填土前应清表土，并做好填前碾压；加宽一侧的树木需迁移，部分树木树龄较长，伐树后的树坑需填土，并压实或夯实。填筑60cm山皮土，山皮土底部铺设1层土工格栅并反包，其上分层浇筑泡沫轻质土。

浇筑过程中在轻质土路基顶面位置、底面台阶处及中间位置各铺设1层金属网，轻质土采用HDPE防渗土工膜包边。

2.2 桥头路基处理

桥头路基处理适用于二号院桥和东一排涝渠桥桥头加宽范围路基处理，处理长度50m。削坡方式与特殊路基一样，台阶宽度和高度根据泡沫轻质土填筑厚度选取。加宽部分的轻质泡沫土施工与特殊路段一致，先清理杂物，再开挖台阶、削坡，铺设1层山皮土后再浇筑轻质泡沫土，纵向与一般段路基需挖台阶进行过渡处理。

3 数值仿真模拟

3.1 模型建立

采用数值仿真软件FLAC3D建模，分析计算泡沫轻质土回填路基后的沉降值。模型尺寸为：长60m，宽60m，高30m。荷载均对称分布，模型取一半计算。土体的本构关系时摩尔–库伦，土体参数见表1。泡沫轻质土分层填筑，分别模拟，填高5m、6m、7m、8m，图1为填高5m的模型图。

表1 土体参数

图1 模型计算图

3.2 工况设计

工程中以轻质泡沫土代替普通的填土材料，在经济方面，可以大幅节省工期和造价；在路基稳定性方面，降低了上部填土的荷载。泡沫轻质土作为一种新型材料，已经在众多工程中有了应用。

本研究以高速公路改扩建为例，利用泡沫轻质土主要是为了降低桥头沉降差。同时软土地基承载力相对较低，上部路基填土荷载不宜过大，最终选择泡沫轻质土作为填筑材料，并研究泡沫轻质土填筑高度对路基沉降的影响。

4 仿真结果分析

4.1 路堤填土高度对路基差异沉降的影响

根据图2可知，新建路基累计沉降值从基础中心线开始到基础边缘呈先增大后减小的规律。基础中心线和基础边缘沉降值较小。

图2 新建路基沉降变化曲线

路基中心处为新旧路基的交界处，由于旧路基已完全固结沉降，靠近路基中心处的新路基在沉降时会受到旧路基的摩擦力，因此，沉降值较小。

另外，基础边缘处沉降最小，距离基础中心线12.5m的位置处沉降最大。根据路基的填筑材料可知，路基内填筑泡沫轻质土，路基外侧使用普通填土材料。

根据表1中，普通填土材料重度为17.6kN/m ³ ，而泡沫轻质土的重度为6kN/m ³ ，同一填土高度下，地基上部荷载减少了11.6kN。

4.2 不同填筑材料对路基差异沉降的影响

图3为路基在泡沫轻质土和普通填土下的沉降。同一填土高度下，轻质泡沫填土下的路基沉降比普通填土更小。

图3 路基在泡沫轻质土和普通填土下的沉降

在无外界荷载作用下，填土的自重应力取决于其重度，而泡沫轻质土的重度仅为普通填土的1/3，因此，路基的沉降更小。

另外从图3可以看出，当填土高度为5m时，轻质泡沫土下的路基沉降仅为普通填土的58%；同理，填土高度6m、7m、8m时，轻质泡沫土下的路基沉降分别是普通填土的53%、43%、41%。

由此可知，当路基填筑较高时，应尽可能采取轻质泡沫土作为填筑材料，可以更好地解决新旧路基差异沉降的问题。

4.3 泡沫轻质土对路基涵顶沉降的影响

涵洞作为刚性基础，是过人或过水的构筑物。在公路基础中，涵洞与填土一同埋在路面下方。涵洞在荷载作用下几乎不发生竖向变形，而涵洞周围土体因存在孔隙和孔隙水，在外荷载作用下土中孔隙水和空气逐渐排出，土体出现压缩，即竖向沉降。因此，涵洞上方土体和周围土体存在差异沉降，如图4所示。为了缓解这一现象，在涵洞上方铺设柔性填筑泡沫轻质土。泡沫轻质土的优势有以下3点，具体如下。

图4 拱涵内外土柱和等沉面示意

（1）泡沫轻质土空隙大，在路面荷载的作用下， 竖向变形也增大，缓解了涵洞上方土体和周围土体的差异沉降。

（2）泡沫轻质土重度小，涵洞顶部的集中土压力也因此降低，随之而来的涵顶开裂病害降低。

（3）一般填土作为填筑材料，必须进行欠载预压，预压时长大于6个月。而泡沫轻质土可以直接投入使用，不需要预压，节省施工工期，提高了施工效率。

通过上述分析，涵洞和周围土体存在刚度差，而这种刚度差会导致路基的沉降值不均匀。涵顶铺设普通填土，涵洞上方的沉降呈“涵顶小，两边大”的趋势，如图5所示。

图5 不同填土材料涵顶沉降图

涵洞外部土体沉降大，外土柱带动内土柱下沉，对涵顶产生新的附加作用力。泡沫轻质土代替了普通填土，即涵顶垂直上方采用泡沫轻质土做填筑材料，其他部位采用普通填土。

泡沫轻质土的压缩量大于普通填土，所以涵洞上方的沉降呈“中间大，两边小”。此时内土柱带动外土柱下沉，涵顶上方的土压力转移到外土柱上，降低了涵顶上覆荷载，减轻了涵洞开裂的风险。

采用泡沫轻质土产生的沉降差会随着填土高度的不断增加而逐渐减少，最后将沉降差消除，出现等 沉面。

5 泡沫轻质土施工关键技术

5.1 泡沫轻质土施工要求

表2为泡沫轻质土施工要求及允许误差。

表2 泡沫轻质土施工要求及允许误差

首先，在路基所有变形缝处填充泡沫轻质土，变形缝每10m一个，且宽度保持在2cm最优， 其次，采用轻质泡沫土的路段，要加强监测和养护，养护时间不少于14d，无侧限抗压强度qu大于800kPa，待强度满足要求后再继续施工。

最后路基上铺设的金属丝金属直径取2mm为宜，金属网孔规格50mm×50mm为宜。路基上铺设的HDPE防渗土工膜应满足表3。

表3 防渗土工织物规格

5.2 现浇泡沫轻质土

泡沫轻质土的施工应满足TJG–F1001—2011《现浇泡沫轻质土路基设计施工技术规程》。 首先，填筑之前，应先将路槽底部压实，压实度不小于90%。 若路槽底部无法压实，应采取其他措施让底部压实度满足要求，例如换填法、排水法、晾晒法等。 其次，在开挖的路槽底部回填不小于60cm厚的山皮土，以此作为泡沫轻质土的基础，山皮土顶面不平整处采用细料填缝，为泡沫轻质土的浇筑提供良好的基础环境。 最后，浇筑泡沫轻质土。 应注意，分层、分区浇筑，待无侧限抗压强度 q _u ≥800kPa后再浇筑下 一层。

5.3 泡沫轻质土固化后的试验检测

（1）泡沫轻质土固化后，取100mm×100mm× 100mm的立方体试样，检测其抗压强度。

（2）每天设置两个对照组，一组3个试样，分别检测7d龄期和28d龄期。

（3）泡沫轻质土取样时应注意在浇筑出口取，保证湿密度的准确性。

（4）试件制取后，应置于20~25℃的养生环境中养生。

6 结论

为探讨轻质泡沫土在高速公路改扩建中的应用效果，以实际工程为依托，建立数值仿真模型，分析不同填土厚度和不同填筑材料对路基沉降的影响及不同填筑材料对路基涵顶土层的沉降影响，得出以下结论。

（1）新建路基累计沉降值与距路基中心距离呈先增大后减小的趋势，距离路基中心12.5m处的沉降最大。

（2）填土高度为5m、6m、7m、8m时，轻质泡沫土下的路基沉降分别是普通填土的58%、53%、43%、41%。

（3）以泡沫轻质土代替普通填土，涵顶沉降大于外土柱沉降，涵顶上方的土压力转移，降低了涵顶上覆荷载，减轻了涵洞开裂的风险。