施工過程及行車荷載下泡沫輕質土邊坡穩定性分析

■蔡炎福

（1.長汀縣交通工程管理站，龍巖 366300；2.長汀縣汀興交通基礎設施投資有限公司，龍巖 366300）

1 引言

隨著中國交通業的快速發展，大量的公路面臨著改擴建。 氣泡混合輕質土由于具有密度比一般土體小，強度和密度可以調整，氣泡的體積含有率、導熱系數小，耐震、隔熱、隔音及抗凍融性能好，便于施工，固化后可直立的特點[1-3]，在公路工程中有著廣泛的運用， 主要用于道路改擴建工程的路基加寬、危險邊坡的滑坡處治、橋梁臺背填土工程及因各種原因形成的空洞填筑工程。 國內許多學者都對氣泡混合輕質土的性能進行了相關研究： 顧歡達等[4]分析了影響氣泡輕質土工材料施工穩定性的因素，對氣泡輕質土的流動性、分離性與壓送性及相應的影響因素進行了研究；趙全勝等[5]進行氣泡混合輕質土變形特性三軸試驗研究，研究表明氣泡混合輕質土的變形包括壓密階段、線彈性變形階段、應變硬化和應變軟化4 個階段；王麗娟等[6]深入分析了混凝土拌合至初凝階段、材料硬化過程及材料使用過程中泡沫混凝土的微觀結構，并研究泡沫混凝土的微觀結構對宏觀性能的影響機理；李章珍等[7]進行了干濕循環條件下氣泡輕質土耐久性的試驗研究，重點對氣泡混合輕質土水穩性的變化規律進行了研究。 裘友強等[8]進行了泡沫輕質土的疲勞性能及工程應用研究，對泡沫輕質土進行了四點彎曲小梁疲勞實驗并研究其疲勞曲線。 綜上所述，學者們雖然對泡沫輕質土的施工穩定性、力學性能與微觀結構都進行了深入的研究，但主要是偏向于理論研究，對于施工及運營過程中泡沫輕質土的各項性能及安全系數缺乏系統分析。 因此，本文以福建某公路的工程實際簡化為模型，采用泡沫輕質土作為路基填料進行道路擴建，運用Hydrus 2D/3D 軟件建模并進行邊坡穩定性模擬，探析施工過程及行車荷載下泡沫輕質土邊坡穩定性的變化規律。

2 工程概況及模型概化

試驗以福建某公路改擴建工程路基拼寬段為依托， 該拼寬段原設計采用扶壁式擋墻進行支擋，擋墻下打設微型樁， 兩側采用衡重式擋墻進行過渡。 由于原公路路基高度達四階，高度較大，且原填土路基采用加筋處理，如施作扶壁式擋墻對原有路基邊坡開挖較大，施工周期較長，加之施工期處于臺風季節，現場暴雨頻繁，氣候條件不利，可能對運營中的公路產生不利影響，形成安全隱患。 綜合以上因素，對該段路基拼寬設計方案進行調整，采用泡沫輕質土作為路基填料進行道路的擴建。 其中輕質土分為兩個階梯，第一階梯寬2.5 m，厚1.0 m，第二階梯寬5.0 m，厚2.2 m。泡沫輕質土上方為0.7 m厚路面基層，路基右側為20 cm 厚的C25 混凝土擋墻。 另外，路基整體處于一邊坡上，邊坡坡比為1∶1.5，通過簡化處理概化計算模型如圖1 所示。

圖1 計算模型概化

3 施工步驟及數值模擬

采用分步施工的方法進行分層填筑。 如圖2 所示，共分為5 個步驟（即5 個工況）：第一步為開挖后的路基邊坡；第二步為澆筑第一層泡沫輕質土至第一階梯處，即填筑1.0 m 厚；第三步為澆筑第二層泡沫輕質土至第二階梯處，即填筑2.2 m 厚；第四步為回填0.7 m 厚路面基層，即填筑完成；另外，為了分析行車荷載作用下下邊坡的穩定性，當土層全部填筑完成時， 以最上層另加鋪1.0 m 厚土層模擬行車荷載作為第五步進行計算分析。

圖2 施工步驟示意圖

3.1 模型建立

按照簡化的計算模型（圖1）及各施工階段具體情況運用Hydrus 2D/3D 軟件分別建立有限元模型。填筑前路基斷面及網格劃分設置如圖3 所示，其中設置底部和兩側為無流動邊界，其他部分均設置為大氣邊界，并限制模型兩側的水平位移及底部的水平和豎向位移。相關計算參數如表1 所示。同時，為了進行更詳細的數據分析，設置5 個監測點（圖3），其坐標分別為 （250,670）、（650,450）、（950,350）、（1035,280）、（1500,0）。 其中土體、泡沫輕質土采用摩爾庫倫本構模型，混凝土擋墻采用線彈性本構模型。 其他各施工階段模型建立與此類似。

圖3 初始階段模型網格劃分及監測點布置

3.2 初始條件

以壓水頭為初始條件， 初始水位線如圖4 所示。 其中水位線以上為非飽和土體，其孔隙水壓力為負值，且逐漸減小；水位線以下為飽和土體，壓力水頭隨著深度的增加呈正增長。

圖4 初始水頭

3.3 計算參數

土樣取自研究區邊坡，通過實驗室試驗測得土體密度（ρ）、粘聚力（c）、內摩擦角（φ）和楊氏模量（E）等參數，各路基材料參數如表1 所示。

表1 路基材料參數

4 結果與分析

4.1 內力分析

各施工階段下邊坡最大總應力云圖如圖5 所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）分別為填筑前、第一層泡沫輕質土填筑完成、第二層泡沫輕質土填筑完成、全部填筑完成，以及模擬施加行車荷載作用下時邊坡最大總應力分布。

圖5 各施工階段邊坡最大總應力云圖

由圖5 可知，邊坡土體各點總應力隨其覆土高度的增加整體呈現增大的趨勢，因此隨著施工進度的進行邊坡土體內部各點所受總應力不斷增加。 此外， 施工過程中各階梯右下角處由于應力集中現象，局部總應力有突增現象，并且階梯高度越大越明顯，施工過程中應當給予一定的重視。

4.2 穩定性分析

各施工階段下邊坡局部安全系數場分布圖如圖6 所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）分別為填筑前、第一層泡沫輕質土填筑完成、第二層泡沫輕質土填筑完成及全部填筑完成時邊坡安全系數場分布。 此外，圖6（e）為模擬行車荷載作用下邊坡局部安全系數場分布圖。

圖6 各施工階段邊坡安全系數場

由圖6 可知， 邊坡表層安全系數相對較大，較深層處由于所受自重應力較大安全系數逐漸減小，且相同深度處， 泡沫輕質土層安全系數相對較大。另外， 各階梯水平面層中間部分安全系數最大，相對較穩定，而各階梯右下角處（圖中標注處）為相對危險點，且階梯高度越大安全系數越小。 按照施工順序各施工階段安全系數最小值分別為1.5、1.5、1.4、1.2，最大值分別為141.8、3133.3、1933.0、531.3。可見， 邊坡安全系數最小值隨著填土逐漸減小，而安全系數最大值除去初始狀態未填筑泡沫輕質土層時也逐漸減小。 而由初始狀態至填筑第一層泡沫輕質土時，安全系數出現突增現象，主要是由于填筑的泡沫輕質土強度高、性能好，相對較穩定。

另外，可見整個施工全過程及在行車荷載作用下， 邊坡各點安全系數均大于1， 基本處于安全范圍。但是各階梯右下角危險點處安全系數接近于1，施工過程中仍應給予一定重視，如可通過增加更多分層進行氣泡輕質土的澆筑，減小每個階梯段的高度，或對危險點處進行局部加固處理。

圖7 為隨施工過程（包括行車荷載）階段變化的各監測點安全系數的變化曲線。 由圖7 可知，各監測點安全系數隨施工過程整體呈現減小趨勢，除監測點D 處外，各監測點安全系數降至5 左右逐漸趨于穩定。另外，已知監測點D 處為最危險點，隨著施工過程安全系數從初始值8.86 逐漸減小至1.12，但整體仍處于安全范圍。對于監測點A 和B 處在第一層填筑時安全系數出現增加的現象，是由于監測點A、B 位于第一層填筑的泡沫輕質土左側，對于邊坡左側土起到支擋的作用， 更有利于其穩定性，但隨著土體繼續填筑， 由于受到上層土體的壓力等，安全系數逐漸降低。

圖7 各監測點安全系數變化曲線

5 結論

本文以福建省某公路的工程實際簡化為模型，運用Hydrus 2D/3D 軟件建模并進行邊坡穩定性模擬。 結果表明：（1）邊坡表層安全系數相對較大，較深層處由于所受自重應力較大安全系數逐漸減小，且相同深度處， 泡沫輕質土層安全系數相對較大。（2）各階梯水平面層中間部分安全系數最大，相對較穩定，而各階梯右下角處為相對危險點，且階梯高度越大安全系數越小，監測點D 處最為明顯。 各監測點安全系數隨施工過程推進，整體呈現減小趨勢，但隨著施工過程減小幅度逐漸縮小，最終逐漸趨于穩定。 （3）整個施工全過程及在行車荷載作用下， 邊坡各點安全系數均大于1， 基本處于安全范圍。但是各階梯右下角危險點處安全系數接近于1，施工過程中仍應給予一定重視，如可通過增加更多分層進行氣泡輕質土的澆筑，減小每個階梯段的高度，或對危險點處進行局部加固處理。