EPS路用性能及填筑效果分析.pdf

93交通科技与管理工程技术0引言土 工 泡 沫 塑 料，也 称 发 泡 聚 苯 乙 烯（Expanded Polystyrene，EPS）是一种具有蜂窝状封闭结构的高分子土工合成材料。EPS 由于独特的封闭空腔结构，具有超轻性、化学稳定性、自立性、施工便捷性等特点。因此，常用作轻质填料，以解决挡土墙结构的回填、软弱地基上修筑道路的过度沉降以及新老路基的差异沉降等问题1。EPS 在国外道路工程中的应用最早可追溯到 20 世纪50 年代，德国进行的一项调查中评估了 EPS 用作路面隔热材料的适用性2。随后，挪威、日本逐渐加大 EPS 的研究与推广，将EPS用于软基的桥台、路基填筑等领域3。国内对 EPS 的试验研究和工程应用要略迟于国外。1993年，白冰等提出在结构物顶部铺设 EPS 层可以减少不均匀沉降引起的附加应力与结构纵向开裂4。随后，杜骋、凌建明等通过室内试验，对 EPS 的压缩、蠕变、强度等特性进行了探究与规律分析5-6。郑慧振、陈志芳探究了EPS 在软土地基路基拓宽工程、桥头跳车防治与城市快速路的应用7-8。近年来，随着城市交通快速发展，城市道路改扩建工程与既有地铁结构难以避免地存在空间重叠问题。地铁上方的道路改建工程应尽量减少对地铁结构的附加应力与变形扰动，EPS被广泛应用于地铁上方道路的填筑9。但是，目前对于施工期与运营期地铁上方 EPS 对地铁的影响与填筑效果研究较少。该文依托上海市地铁 9 号线上的杨高中路（中环立交 金海路）改建工程，首先通过室内试验确定 EPS 的密度、强度、疲劳特性等，根据现场试验与有限元仿真，从行车荷载下 EPS 拓宽路基内部的附加应力、EPS 填筑前后的地铁结构的变形、EPS 拓宽路基的工后沉降等角度探究了地铁上方 EPS 填筑效果。1EPS 路用性能1.1密度采用电热丝将 EPS 块体切割成 50 mm50 mm50 mm 立方体试件，把试件放入 60 烘箱烘 24 h，取出后用毫米刻度尺测量几何尺寸，长、宽、高均精确到 0.1 mm，然后用电子天平称其质量，计算出密度。试验结果表明，现场所用 EPS 块体的密度为 38.3 kg/m3，大约是土的 1/501/100。1.2压缩性通过对 EPS 试件单轴压缩试验可得到应力 应变曲线，如图 1 所示。由图可知，当压缩应变 1%时，EPS 块体的应力与应变呈现良好的线性关系。文献6中的结论为在压应变不超过 0.8%2%时，材料处于线弹性变形阶段，与该文结果一致。为避免运营期行车荷载对EPS 块体产生塑性变形，EPS 的抗压强度设计取值应为EPS 处于弹性变形范围内时允许的最大压应力。因此，依托工程现场所用 EPS 的抗压强度不应小于 120 kPa。1.3疲劳特性EPS 块体在不同应力水平下荷载作用次数与压应变的关系曲线，如图 2 所示。关系曲线主要呈现两种类型：当应力水平 0.43 时，随着荷载作用次数的变化，EPS 块体始终处于弹性变形范围，卸载后 EPS 的变形回弹至原位；当应力水平 0.53 时，随着荷载作用次数的增加，EPS 块体出现塑性位移；且当应力水平高于阈值时，随着应力水平的增加，EPS 发生破坏的荷载作用次数逐渐降低。不同应力水平下，压应变和荷载作用次数之间可采用指数或幂函数进行表示，如表 1 所示。收稿日期：2023-10-14作者简介：张闯（1990）,男,本科,工程师,研究方向：市政公用工程。EPS 路用性能及填筑效果分析张闯1,余洋1,杨淑娟1,岑业波21.上海城建市政工程（集团）有限公司,上海 200065;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海 201804摘要随着城市交通的快速发展，城市道路改扩建工程量加大，为减少对地铁结构附加应力与扰动，轻质材料 EPS被广泛应用于地铁上方道路的填筑。文章依托杨高中路（中环立交 金海路）改建工程路，通过室内试验、现场监测与有限元仿真，分析地铁上方机动车道 EPS 的填筑效果。结果表明：EPS 具有超轻性、良好的压缩性和疲劳特性；EPS 填筑能显著减小路基内的车辆附加应力，减小对地下结构的影响；施工时老路基开挖与 EPS 填筑对地铁结构的影响很小，不会影响地铁的正常运营；运营期间 EPS 拓宽路基的工后沉降量较小，且随时间趋于稳定。关键词EPS 路基；路用性能；路基结构响应；地铁变形；填筑效果中图分类号U213.1文献标识码A文章编号2096-8949（2023）23-0093-042023 年第 4 卷第 23 期94交通科技与管理工程技术图 1 1%EPS 试验应力应变曲线图 2荷载作用次数与压应变关系曲线表 1不同应力水平下疲劳曲线的拟合方程应力水平 拟合方程相关系数 R20.32=0.41+0.369 3N0.034 70.880.43=0.47+0.395 7N0.036 10.910.53=0.62+0.681 9e4E-06N0.950.62=0.78+0.805 2e7E-06N0.890.71=1.11+1.234 1e7E-06N0.912有限元仿真模型2.1几何模型和材料参数根据施工图册与现场传感器埋设位置，选定交叉口范围内的挖方路基（路面结构新建）新老路基搭接填筑结构，如图 3 所示。考虑应力扩散作用，道路有限元模型纵向（沿行车方向）取 20 m，同时为了避免边界效应的影响，横向（垂直行车方向）在机动车道（3.5 m4）两侧依据现场情况分别设置 3.5 m 的非机动车道和中央分隔带。2.2荷载模型与参数在每个车道施加道路设计标准轴载：BZZ-100 型标准车，荷载集度为 q=0.7MPa，轮胎作用范围为单量圆直径 d=21.3 cm，双轮间距 1.5 d。有限元软件分析中圆形在网格划分时效果较差，为了提升网格划分效果，将轮印假定为矩形。矩形轮印的长度 a 与宽度 b 采用等效面积进行计算。a=0.871 2L（1）b=0.6L（2）式中，a 矩形轮印的长度（m）；b 矩形轮印的宽度（m）。计算得 L=0.261 1 m，则 a=0.227 5 m，b=0.156 6 m。车辆加载非机动车道机动车道1机动车道2机动车道3机动车道4中央分隔带（3.5 m）（3.5 m）（3.5 m）（3.5 m）（3.5 m）（3.5 m）老路新路路基路基中央分隔带沥青面层（4 cm+6 cm+8 cm）沥青面层（4 cm+6 cm）水泥稳定碎石基层（20 cm+20 cm）水泥稳定碎石基层（20 cm）15 cm级配碎石垫层15 cm级配碎石垫层15 cm钢筋混凝土板30 cmEPS块体20 cm黄沙垫层路基（10 m）图 3新老路基搭接结构模型2.3边界条件和单元类型三维道路有限元模型中 X 方向代表道路横向（垂直行车方向），Y 方向代表道路纵向（沿行车方向），Z方向代表路基路面结构的竖方向。模型四面约束法向位移，底面约束所有自由度，与车轮接触面施加荷载。为了防止边界约束对动态力学响应的影响，加载位置距纵向前后两端边界各 10 m，网格划分时有限元单元类型采用 C3D8R，具体模型如图 4 所示。图 4有限元模型示意图95交通科技与管理工程技术2.4现场试验与模型验证在 EPS 填筑范围内最靠近中央分隔带的机动车道 4上埋设土压力盒，如图 5 所示。其中土压力盒 1 埋设在开挖路基顶部的黄沙层内，土压力盒2埋设在EPS层顶部。后续开放交通发现土压力盒 2 损坏。故只监测土压力盒 1的数据变化值，与模型计算得到的竖向附加应力峰值进行对比。如图 6 所示，小轿车和货车产生的竖向附加压应力仿真值在实测均值附近，故认为模型可行。（a）土压力盒 1 埋设（b）土压力盒 2 埋设图 5现场传感器埋设与数据采集图 6模型验证对比结果3结果与讨论3.1行车荷载作用下 EPS 拓宽道路的结构响应不同深度处竖向附加应力的横向分布，如图7所示。由图 7（a）可知，路面结构层中的竖向附加压应力在每个车道内呈现单峰特征，峰值位置为车辆荷载的中心线。在 EPS 层顶（z=0.88 m），仍能观察到每个车道明显的波峰，同时也能观察到老路基与 EPS 层、黄沙层分界处出现的应力集中现象。随着距路表深度的增加，在应力扩散作用下应力波峰逐渐减缓，路基 1 m（z=2.38）以下应力波峰已经不明显。图 7（b）表明，在 EPS 层和黄沙层，由于机动车道1 和机动车道 2 之间存在老路基与 EPS、黄沙的分界，机动车道 4 存在 EPS、黄沙与中央分隔带的分界，因此存在一定的应力集中现象导致机动车道 1 和 4 的竖向附加压应力最大值较机动车道 2 和 3 存在突变。其中 EPS层顶位置机动车道 14 的竖向附加压应力最大值分别为4.53 kPa、4.73 kPa、4.87 kPa 和 4.64 kPa。而常规路基材料在标准轴载下路基顶面的竖向附加压应力为 712 kPa。因此，EPS 填筑能有效降低路基内部车辆附加应力。黄沙层以下随着距路表深度的继续增加，竖向附加压应力继续减小，但减小的速度放缓。（a）路面层内竖向应力（b）EPS 及路基内竖向应力图 7不同深度处竖向附加应力的横向分布96交通科技与管理工程技术3.2填筑前后地铁结构变形取填筑下方附近 100 m 范围内地铁上、下行线的地铁结构变形测点数据。每个测点间距 10 m，共包含 40 个测点。地铁结构变形包括垂直位移（沉降）与水平位移（收敛）。沉降与收敛的报警值均为 5 mm，如图 8 所示。可以看出，填筑前后地铁结构的沉降与收敛变形在 3 mm 以内，小于报警值。这说明老路基开挖与 EPS 填筑对地铁的影响很小，不会影响地铁的正常运营。图 8EPS 填筑前后地铁结构变形3.3EPS 拓宽道路路表工后沉降依托工程 EPS 拓宽路段于 2022 年 11 月通车，此后每个月对路表沉降进行一次监测。测点位于 EPS 填筑的机动车道上方，共计 3 个测点，每个测点间距 10 m。通车后 EPS 填筑段路表累积沉降曲线，如图 9 所示。由图可以看出，随着时间推移，沉降逐渐趋于稳定，在通车后第 4 个月沉降速率小于 5 mm/月，早期的沉降主要来自 EPS 自身压缩9。通车 9 个月后 EPS 填筑效果良好，累积沉降 23 cm，小于上海道路路基设计规范中规定的城市主干路 20 cm 的工后沉降阈值。此外，沉降新老路基结合部分未出现明显的不均匀沉降或开裂现象。图 9通车后 EPS 填筑段路表沉降4结论与展望（1）当压缩应变 1%情况下 EPS 块体其应力与应变均呈现出很好的线性关系；当应力水平达到 0.53 的阈值，EPS 块体在重复荷载作用下出现塑性破坏。（2）EPS 层顶竖向附加压应力最大值仅为 4.87 kPa，约为常规路基材料结构内部附加压应力的 1/2。这表明EPS 填筑能显著减小路基内的车辆附加应力，减小对地下结构的影响。（3）EPS填筑前后地铁结构的沉降与收敛变形在3 mm以内，小于报警值。这说明老路基开挖与 EPS 填筑对地铁的影响很小，不会影响地铁的正常运营。（4）运营 9 个月后 EPS 拓宽路基的工后沉降，随时间逐渐趋于稳定，累积沉降在 23 cm，远小于规范中 20 cm 的阈值，填筑效果良好。参考文献1Mohajerani A,Ashdown M,Abdihashi L,et al.Expanded polystyrene geofoam in pavement constructionJ.Construction&Building Materials,2017,157:438-448.2Beinbrech G,Hillmann R.EPS in road constructioncurrent situation in GermanyJ.Geotextiles and Geomembranes,1997(1-3):39-57.3Frydenlund T E,Aabe R.Long term performance and durability of EPS as a lightweight filling materialJ.3rd International ConferenceEPS Geofoam,2001:1-15.4 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,1993(2):5.5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):138-142.6 凌建明,吴征,叶定威,等.压缩条件下发泡聚苯乙烯的本构关系和疲劳特性 J.同济大学学报(自然科学版),2003(1):21-25.7 郑慧振.EPS 轻质路堤及在软土地基桥头跳车防治中的应用研究 D.西安：长安大学,2009.8 陈志芳.EPS 轻质路堤在城市快速路工程中的应用 J.城市建设理论研究(电子版),2019(14):118-119.9 张勇.地铁工程上覆枢纽道路轻质路基材料研究与工程应用 D.南京：东南大学,2022.