新材料在城市路堤高邊坡改造中的應用

潘 東，何 煉，丁建友

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

0 前 言

泡沫輕質土作為一種新型建筑材料，其具有高強、輕質、可直立以及施工便利等諸多優點［1］。由于其重量僅為普通土的1／3～1／4，常被用于路基拼寬、軟士路基橋臺回填和管道溝槽回填等工程，解決新老路基交界、路橋交界和溝槽回填等位置的不均勻沉降問題［2-5］。此外，泡沫輕質土除了具有輕質性外，還具有可直立的特性，其在凝固后可直立，因此其對結構物將不會產生或產生很小的側壓力，這對于高邊坡等復雜巖土問題的處置來說具有重要意義。因此，本文將依托實際工程，探索泡沫輕質土在城市路堤高邊坡改造中的應用，為今后泡沫輕質土在類似復雜巖土工程中的運用提供參考。

1 現存問題

湖南省花垣縣縣政府至鐘佛山大橋新建道路，原設計為城市次干道，道路紅線寬22m，雙向四車道，道路南北兩側各設置3m寬人行道，原道路K0＋8.909m～K0＋218.382m段北側為最大填土高度18m的路堤高邊坡，1∶1.5放坡6m后采用預應力錨索樁板墻進行收坡，預應力錨索樁板墻錨拉樁直徑2m，相鄰樁中心間距4m，最大樁長22m，樁身設置4排預應力錨索，標準橫斷面如圖1所示。

圖1 邊坡支護橫斷面示意

而該段道路南側兩處房屋征拆受阻，導致局部道路紅線寬度不足20m，從而道路南側人行道無法保障，給城市居民出行帶來不便和安全隱患，另外該段道路北側規劃為一處水景公園，將作為城市居民的主要休閑娛樂場所，也對該道路的品質和景觀提出了更高的要求。基于上述分析，當前亟待解決的問題是利用有限空間提升道路品質，滿足城市居民生活和出行需求。

2 解決方案

為了保障城市道路慢行空間，結合水景公園提升道路品質，決定將該段道路原設計中心線整體向北側偏移2m，保障南側人行道空間，而利用現狀樁板墻頂放坡空間設置道路北側分離式人行道，同時增加人行道寬度兼做為水景公園的觀景平臺。基于上述的總體思路，針對道路北側人行道（觀景平臺）提出2種備選方案。第1種方案是填筑方案，即在原樁板墻頂坡面上繼續向上填土形成人行道（見圖2）；第2種方案是架空棧道方案，即在樁板墻頂坡面利用現存錨拉樁加設立柱和在坡面打設微型樁形成2個支座，然后架設鋼筋混凝土預制搭板形成架空人行道（見圖3）。

圖2 填筑方案橫斷面示意

圖3 架空棧道方案橫斷面示意

其中，架空棧道方案由于內側支座設置于填土路堤坡面上，路基沉降將對其產生較大影響，過大變形甚至可能導致結構失效，結構整體性較差，而且施工難度較大，工期較長。另外，由于預應力錨索樁板墻受力復雜，附加平臺對其結構安全難以進行定量評估，因此該方案具有較大的不確定性。而填筑方案整體性較好，而且其對于路基沉降具有良好的適應性，且施工簡便，工期較短，因此最終決定采用填筑方案。雖然，填筑方案具有整體性好、沉降適應性好、施工便捷等優勢，但大量附加填土也勢必會對現狀預應力錨索樁板墻結構安全造成威脅，造成這一威脅的核心問題在于大量附加填土將給樁板墻和其后填土頂面增加較大的附加荷重，從而增大作用于擋土墻上的土壓力。

基于上述對填筑方案核心問題的分析，認為填筑方案得于成功實施的關鍵在于如何減小人行道填筑體所增加的附加荷重，因此提出采用重度僅為同體積普通土重度的1／4～1／3的泡沫輕質土［1-2］替換普通土體進行人行道填筑。

具體方案為先對現狀坡面進行挖臺階并夯實處理，然后在樁板墻錨拉樁頂設置一“L”型鋼筋混凝土薄面板墻，并設置2排錨桿，在面板墻與挖臺階后的坡面間采用濕重度γ＝4kN／m3，無側限抗壓強度不小于0.4MPa的泡沫輕質土進行填筑形成分離式人行道，填筑高度4.5m，人行道寬度約7.5m，最終方案標準橫斷面圖見圖4。

圖4 最終方案標準橫斷面示意（單位：cm）

3 方案驗證

為對上述方案進行驗證，本文借助有限元軟件Plaxis建立平面應變模型（見圖5）。模型沿道路縱向計算長度為1m，模型左右兩側節點均約束水平方向位移，底邊節點同時約束水平和豎向位移。

圖5 數值計算模型

根據邊坡工程實際地層狀況，模型自下而上是中風化白云巖、強風化白云巖，邊坡填土為路基填料。模型中錨拉樁、預應力錨索自由段和錨固段分別采用板單元、點對點錨桿單元和土工格柵單元進行模擬，其中假定錨固體軸向為剛性，不考慮其與地層間的蠕變，結構與巖土層之間的相互作用采用界面單元模擬，模型中所涉及巖土體單元材料均采用摩爾-庫侖本構模型，相應的巖土物理力學參數取值見表1；結構單元材料均采用彈性本構模型，材料物理力學參數取值見表2。

表1 巖土物理力學參數取值

表2 結構材料物理力學參數取值

基于上述有限元數值模型，針對人行道施工前后預應力錨索樁板墻受力情況以及邊坡整體穩定性進行計算分析，計算結果如表3所示。從表3中可以看出，人行道施工后，現狀錨拉樁板墻樁頂位移、樁身最大剪力、錨索最大軸向拉力均有略微增大，邊坡整體穩定安全系數略有減小，但仍處于安全范圍以內。另外，樁身軸力增大的同時，樁身最大彎矩在減小，這對于主要承受壓彎的樁體受力來說是有利的。

表3 穩定性計算結果

基于上述計算結果分析，可以表明人行道施工不會危及現狀樁板墻結構安全，采用泡沫輕質土填筑形成人行道（觀景平臺）的方案是合理可行的。

4 結 語

本工程中通過合理運用泡沫輕質土這種新型建筑材料，充分發揮了其輕質、高強、可直立等優勢，使得在投資持平的情況下，仍取得如下社會經濟效益：

（1）有效解決了房屋拆遷問題，在有限的空間中拓展出城市公共休閑空間，城市土地資源利用更加合理、高效。

（2）人行道同時為絕佳觀景平臺，道路與公園統籌協調、有機融合，打造出立體景觀效果，城市生活更佳悠然自得。

（3）保障了城市道路慢行與無障礙通行需求，消除道路視覺高差，給路面行車以安全感，分離式人行道最大程度保障了行人安全。

實踐表明，泡沫輕質土作為一種新型的建筑材料，具有輕質、高強、直立性等優點，以及減輕荷重、減小土壓力等作用，可推廣到各類巖土工程中以解決一些復雜的問題，如能恰當應用，充分發揮其優勢，必將獲得良好的效果和收益。