刘 鹏，於程席，戴界西（中国建筑第二工程局有限公司华东公司湖北分公司，湖北 武汉 430119）

泡沫轻质土有轻质性、良好的施工性、密度和强度可调节性、良好的环保性等诸多优点[1-2]。泡沫轻质土被广泛应用到工程施工中，在进行工程施工时，可根据实际需要，合理地调整泡沫轻质土的参数，使其更好地满足施工要求。自从我国引进泡沫轻质土以来，国内各专家学者对泡沫轻质土进行了大量的研究，取得了巨大的成果[3-4]。泡沫轻质土的应用范围不断扩大，不仅在房屋建筑领域得到广泛应用，而且在高速公路、地铁等基础设施建设领域也得到广泛应用[5]。泡沫轻质土常在道路扩建中作为加宽路基的填料，也常作为道路和桥梁的交界处的路基填料[6]。某国际赛车场地质条件复杂，目前已完成桩基工程施工，项目高填方区将进行泡沫轻质土的施工。一般情况下选择何种路基填料进行施工可通过经验类比、现场试验、实验室实验、数值模拟等方法进行确定。泡沫轻质土相较常规的路基填土具有显著的优点，本文拟通过数值模拟对两者的区别进行研究。泡沫轻质土的湿密度和抗压强度对其性能的影响最大，其参数的选取往往借鉴类似工程的经验。通过数值模拟对泡沫轻质土的参数进行深入的研究，并找出其影响规律，对泡沫轻质土的参数进行优化研究，找出更加合理的参数，更好地指导施工。

1 工程概况

某国际赛车场位于湖北省武汉经济技术开发区东荆河河畔 104 E 地块，规划用地平面呈不规则多边形，面积为0.875 km2。按照国际汽联二级赛道设计。主赛道总长为 4 188.589 m，规划观众数量约 58 000 人，属重点建设项目。项目同时配套赛道附属设施、P 房（维修区）、看台、医疗中心、车手之家、VIP 俱乐部等配套工程、景观环境及其他工程。

根据地质勘察情况和设计文件，赛道共划分为高填方区、过渡段和低填方区，各个区域的施工方法各不相同。只有高填方区进行泡沫轻质土的施工，高填方区采用 PHC（Pre-stressed High-strength Concrete，预应力高强度混凝土管桩）进行深层地基处理，桩间距设置为 3.0 m，PHC桩的顶部设方形桩帽，桩帽上铺筑碎石加筋垫层，然后填筑泡沫轻质土及水泥稳定土。泡沫轻质土的高度根据路基整体高度确定，以保证桩基处在目标荷载变化范围以内。

2 赛道路基填筑数值模拟分析

2.1 数值模拟模型建立

为了研究泡沫轻质土作为赛道路基填料时的效果，且要更好地模拟出现场实际情况，选择赛道高填方区进行建模。模型包括泡沫轻质土层（层厚 3.0 m）、级配碎石层（层厚0.6 m）、黏土层（层厚 4.7 m）、粉土层（层厚 6.0 m）、粉砂层（层厚 9.0 m）、泥岩层（层厚 5.0 m），考虑现场已施工完成 PHC 管桩（长度为 24.0 m）及桩帽（高度为0.3 m）。模型的宽为 16.0 m，高为 28.6 m。通过 CAD 导入 SOLIDWORKS（软件）进行建模，然后导入 ANSYS(软件) 进行模型的网格划分，最后通过 FLAC（软件）进行模型的计算分析。

2.2 数值计算参数选取

数值计算参数的选取对数值计算结果的准确性影响很大，地层参数可依据现场地质勘查资料进行选取，泡沫轻质土、级配碎石、管桩和桩帽的选取依据现场的原材料、配合比等因素，也可参照类似工程进行取值。本文的参数选取依据地质资料和现场原材料等资料，取值较为准确。地层的力学计算模型采用摩尔-库伦模型。桩帽的混凝土强度等级为C 30，PHC 预应力管桩的强度等级为 C 80。模型计算参数如表 1 所示，地层参数如表 2 所示。

表1 模型计算参数

表2 地层参数

2.3 数值模拟结果分析

首先需要对模型参数进行赋值，进行应力初始化操作，然后再进行数值模拟分析。泡沫轻质土上部还要进行水泥稳定土层以及赛道基层和面层施工。为了研究泡沫轻质土顶部的沉降，将顶部荷载转化为泡沫轻质土顶面的均布荷载。在 FLAC 中对模型顶部施加荷载后的位移云图如图 1 所示，模型顶部的位移最大值为 14.36 mm。为了分析泡沫轻质土的填筑效果，采用常规填土替换泡沫轻质土进行分析。常规填土的力学参数如下：体积模量为 16.67 MPa，剪切模量为 5.56 MPa，密度为 19 kN/m³，黏聚力为 21 kPa，内摩擦角为 15°，其他参数均保持不变，模型的计算结果如图 2 所示，模型顶部的位移最大值为 20.81 mm。选择泡沫轻质土作为路基填料能够显著减小路基顶部沉降。

图1 泡沫轻质土数值计算结果

图2 常规填土数值计算结果

3 泡沫轻质土填筑结构优化研究

3.1 发泡轻质土的密度对沉降的影响

发泡轻质土的密度对路基的沉降影响很大。为了研究密度对路基沉降的影响规律，各参数取值如表 1 所示，仅改变密度的大小。密度的取值分别为 5.0 kN/m³、5.5 kN/m³、6.0 kN/m³、6.5 kN/m³、7.0 kN/m³、7.5 kN/m³、8.0 kN/m³，按照 2.3 节的方法对模型进行赋值计算，记录各密度参数下沉降的最大值，计算结果如图 3 所示。泡沫轻质土密度越大，沉降值越大。分别监测距离模型中心点的距离为0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 的沉降值，计算结果如表 3所示。距离模型中心的距离越大，沉降值越大。

表3 不同密度参数下的路基沉降

图3 各密度参数下的最大沉降

3.2 发泡轻质土的抗压强度对沉降的影响

发泡轻质土的抗压强度对路基的沉降影响很大。为了研究抗压强度对路基沉降的影响规律，其他参数不变，仅改变抗压强度的大小。抗压强度的取值分别为 1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa、4.0 MPa，按照2.3节的方法对模型进行赋值计算，记录各抗压强度参数下沉降的最大值，计算结果如图 4 所示。分别监测距离模型中心点的距离为 0、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 的沉降值，计算结果如表 4 所示。

图4 各抗压强度参数下的最大沉降

表4 不同抗压强度参数下的路基沉降

4 结 语

（1）当发泡轻质土作为路基填料时较常规填土能显著地减小路基沉降，对赛道高填方区进行数值模拟计算，沉降值由 20.81 mm 减小到 14.36 mm。

（2）通过 FLAC 数值模拟软件对泡沫轻质土进行结构优化研究，明确了泡沫轻质土的密度和抗压强度是施工时需要重点控制的指标，应尽量减小泡沫轻质土的密度，增大泡沫轻质土的抗压强度。施工时应控制泡沫轻质土的配合比，使其达到路基填筑要求。