上覆硬壳层软基气泡混合轻质土有限元分析
周志敏,肖礼经
（广东冠生土木工程技术有限公司，广州，511400）
广东省交通运输厅科技项目，编号：科技-2013-02-001
摘要 针对旧路基采用气泡混合轻质土加宽和加高这一工况，分析硬壳层、软土的非线性变形以及固结变形特性，建立气泡混合轻质土、硬壳层、软土的数值模型，用以研究气泡混合轻质土的填筑高度与宽度、硬壳层厚度、软基厚度等因素对路基沉降及固结度的影响。
关键词 MIDAS软件 气泡混合轻质土 应力 沉降 深厚软基
1、引言
长期以来，学者们研究了不同的模型和方法用于定量的描述土体在给定荷载水平和土层条件下的应力场分布[1]。王锡朝等通过模型试验，研究了地表硬壳层受条形均布荷载时，下卧淤泥层内的水平应力[2]。然而，对于土层力学特性差异很大的成层土地基，土的应力应变关系为非线性，建立线性解析解是极为复杂和困难的，如今还没有一个较为实用的计算方法[3]。特别是土层上覆的是气泡混合轻质土这一轻质水泥基材料时，由于其自身成刚性整体，与常规填土的特性差异极大，目前少有相关研究。
本文采用MIDAS软件进行有限元模拟分析，以省道S336珠海大道（三期）金湾互通立交桥至高栏港段主线改造工程K43+200~K43+300段为依托，针对采用气泡混合轻质土进行旧路基加宽和加高的工况，建立气泡混合轻质土、硬壳层、软土的数值模型，用以研究气泡混合轻质土的填筑高度与宽度、硬壳层厚度、软基厚度等因素对路基沉降的影响。
2.1 地质构造
针对本依托项目，经过现场地质勘探，选取钻孔QZK21~QZK22-1之间的断面路基进行有限元分析部分参数分析计算，具体地质情况为：0~-1.64，填筑土；-1.64~-13.46，淤泥；-13.46~-22.66，粉质粘土；-22.66~-30.76，砾砂；-30.76~-34.46，砂质粘性土。软土总厚度达21.1m。
2.2模型结构划分
根据其对应的地质情况，取砂质粘性土层以上各层为研究对象，其下为岩层，不考虑其沉降的影响。为了增强计算的稳定性，提高收敛速度，在划分网格时采用四边形的规则网格。
边界设定如图1所示，约束1、2区的水平位移，约束3区的水平和竖向位移，4、5、6和7区作为固结排水的排水边界，压力水头为0，而1~3区域赋予同样的总水头[4]。
图1 边界设置示意图
3.1新路基应力及沉降
将新路基两边各3m的扩宽部分及上部加高部分一次性填筑上去，填筑后地基垂直位移图如图2所示。
图2中可以看到新增的扩宽部分的处沉降最大，但其仅为10mm，比通常填土的施工期间沉降小了很多，是因为气泡混合轻质土自身是整体刚性的水泥基材料，自身没有沉降。
图2 新路基施工期沉降图
图3 铺设新路面760天后竖向应力比图
图3中可以明显的看到路面新加荷载通过该硬壳层在淤泥层中形成了应力扩散，在淤泥层应力增加的范围要大于路堤的底面[5]。
选取图中沉降最大的点进行沉降-时间的分析，如图4所示。
图4 最大沉降点沉降-时间图
从图4中可以明显的看到，在完工后前期，沉降发展的相当快，在120天的时候，已经完成了总沉降的81%，在竣工2~3年的时间里，沉降发展极其缓慢，趋于稳定。
通过上述模拟分析，采用气泡混合轻质土进行旧路基的加宽加高改造，其工后沉降很小，而且几乎没有新旧路基的沉降差。究其原因，气泡混合轻质土是一种轻质水泥基填料，重量只为常规填土的1/3，而且自身成一个刚性整体，可以有效的将上部路面荷载的应力均匀分散。因此，通过有效降低荷载和应力分散，采用气泡混合轻质土进行旧路基的加宽加高，工后沉降可以控制的很好，完全没有新旧路基不均匀沉降病害问题。
3.2加大软土厚度对沉降及应力的影响
为了研究淤泥深度对气泡混合轻质土填高加宽路基的影响，基于上述的模型，将软土层厚度扩大为16m、18m，进行模拟路基沉降分析，结果如图5。
图5 不同软土厚度的路基时间-沉降图
经过模型研究发现，不同的软土层厚度，工后沉降也都是在施工后前期发展快，120天时已经完成了总沉降的75%~80%；但是，软土层越厚，120天时沉降量占总沉降的比率也越低，总沉降量相差却不大，软土层厚从13.6米增加到18米，总沉降量从6.3cm增加到7.8cm，说明在旧路基这一整体硬壳层应力分散的情况下，淤泥层的固结时间也相应延长，但是总沉降量却得到了很好的控制，路基底部的应力得到了很好的分散，此时上部荷载不变的情况下，软基的厚度对总沉降量影响不大。
3.3加大填筑高度对应力及沉降的影响
为了研究不同的填筑高度对气泡混合轻质土填高加宽路基的影响，基于上述模型，将气泡混合轻质土的填筑高度增加1m、2m，进行路基沉降分析，结果如图6。
图6 不同轻质土填筑厚度的路基时间-沉降图
施工完毕后的早期，120天时沉降已达总沉降的80%；填筑高度越大，总沉降量也越多，说明同样的硬壳层地质情况下，上部荷载越大，沉降越多；但是，总沉降量相对仍然较小，即利用气泡混合轻质土把路基抬高3米的情况下，最后总沉降量也只有11.3cm，完全满足规范要求。
4、结论
4.1 经过有限元模拟分析，利用气泡混合轻质土进行旧路基加宽加高，工后沉降很小，且没有新旧路基沉降差；
4.2 硬壳层地质条件确定的情况下，利用气泡混合轻质土进行旧路基的加宽加高，软基的厚度对工后总沉降影响较小；如果是等载换填加高，影响更小；
4.3硬壳层地质条件确定的情况下，利用气泡混合轻质土进行旧路基的加宽加高，为使路基工后总沉降满足要求，存在一个极限路基加高高度，需进一步模拟分析，得出量化分析公式；
[1] 唐建中。双层地基应力扩散的特性研究．地基处理，1993，4(2)：25-31
[2] 王锡朝等．地表硬壳层受荷时下卧淤泥层内水平应力的试验研究．石家庄铁道学院学报，1996，9(4)：11．16
[3] 王晓谋等．硬壳层软土地基竖向附加应力扩散的数值分析．长安大学学报(自然科学版)，2007，27(3)：37：41
[4] 梁永辉．上覆盖硬壳层软土地基的工程特性试验研究及数值模拟：【同济大学硕士论文】．上海：土木工程学院，2007，21．23
[5] 刘祚秋．变荷载下任意层地基一维非线性固结的数值分析．长安大学学报．2007，46(5)：1-4
作者简介：周志敏（1985—），男，汉族，湖南株洲，结构工程师，工学硕士，广东冠生土木工程技术有限公司，研究方向：新材料在结构工程中的应用
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