施工過(guò)程及行車荷載下泡沫輕質(zhì)土邊坡穩(wěn)定性分析

■蔡炎福

（1.長(zhǎng)汀縣交通工程管理站，龍巖 366300；2.長(zhǎng)汀縣汀興交通基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，龍巖 366300）

1 引言

隨著中國(guó)交通業(yè)的快速發(fā)展，大量的公路面臨著改擴(kuò)建。 氣泡混合輕質(zhì)土由于具有密度比一般土體小，強(qiáng)度和密度可以調(diào)整，氣泡的體積含有率、導(dǎo)熱系數(shù)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(diǎn)[1-3]，在公路工程中有著廣泛的運(yùn)用， 主要用于道路改擴(kuò)建工程的路基加寬、危險(xiǎn)邊坡的滑坡處治、橋梁臺(tái)背填土工程及因各種原因形成的空洞填筑工程。 國(guó)內(nèi)許多學(xué)者都對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的性能進(jìn)行了相關(guān)研究： 顧歡達(dá)等[4]分析了影響氣泡輕質(zhì)土工材料施工穩(wěn)定性的因素，對(duì)氣泡輕質(zhì)土的流動(dòng)性、分離性與壓送性及相應(yīng)的影響因素進(jìn)行了研究；趙全勝等[5]進(jìn)行氣泡混合輕質(zhì)土變形特性三軸試驗(yàn)研究，研究表明氣泡混合輕質(zhì)土的變形包括壓密階段、線彈性變形階段、應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化4 個(gè)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(guò)程及材料使用過(guò)程中泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，并研究泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響機(jī)理；李章珍等[7]進(jìn)行了干濕循環(huán)條件下氣泡輕質(zhì)土耐久性的試驗(yàn)研究，重點(diǎn)對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土水穩(wěn)性的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。 裘友強(qiáng)等[8]進(jìn)行了泡沫輕質(zhì)土的疲勞性能及工程應(yīng)用研究，對(duì)泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲小梁疲勞實(shí)驗(yàn)并研究其疲勞曲線。 綜上所述，學(xué)者們雖然對(duì)泡沫輕質(zhì)土的施工穩(wěn)定性、力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了深入的研究，但主要是偏向于理論研究，對(duì)于施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中泡沫輕質(zhì)土的各項(xiàng)性能及安全系數(shù)缺乏系統(tǒng)分析。 因此，本文以福建某公路的工程實(shí)際簡(jiǎn)化為模型，采用泡沫輕質(zhì)土作為路基填料進(jìn)行道路擴(kuò)建，運(yùn)用Hydrus 2D/3D 軟件建模并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性模擬，探析施工過(guò)程及行車荷載下泡沫輕質(zhì)土邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

2 工程概況及模型概化

試驗(yàn)以福建某公路改擴(kuò)建工程路基拼寬段為依托， 該拼寬段原設(shè)計(jì)采用扶壁式擋墻進(jìn)行支擋，擋墻下打設(shè)微型樁， 兩側(cè)采用衡重式擋墻進(jìn)行過(guò)渡。 由于原公路路基高度達(dá)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(duì)原有路基邊坡開(kāi)挖較大，施工周期較長(zhǎng)，加之施工期處于臺(tái)風(fēng)季節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)暴雨頻繁，氣候條件不利，可能對(duì)運(yùn)營(yíng)中的公路產(chǎn)生不利影響，形成安全隱患。 綜合以上因素，對(duì)該段路基拼寬設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，采用泡沫輕質(zhì)土作為路基填料進(jìn)行道路的擴(kuò)建。 其中輕質(zhì)土分為兩個(gè)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(zhì)土上方為0.7 m厚路面基層，路基右側(cè)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(guò)簡(jiǎn)化處理概化計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型概化

3 施工步驟及數(shù)值模擬

采用分步施工的方法進(jìn)行分層填筑。 如圖2 所示，共分為5 個(gè)步驟（即5 個(gè)工況）：第一步為開(kāi)挖后的路基邊坡；第二步為澆筑第一層泡沫輕質(zhì)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(zhì)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(wěn)定性，當(dāng)土層全部填筑完成時(shí)， 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(jìn)行計(jì)算分析。

圖2 施工步驟示意圖

3.1 模型建立

按照簡(jiǎn)化的計(jì)算模型（圖1）及各施工階段具體情況運(yùn)用Hydrus 2D/3D 軟件分別建立有限元模型。填筑前路基斷面及網(wǎng)格劃分設(shè)置如圖3 所示，其中設(shè)置底部和兩側(cè)為無(wú)流動(dòng)邊界，其他部分均設(shè)置為大氣邊界，并限制模型兩側(cè)的水平位移及底部的水平和豎向位移。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1 所示。同時(shí)，為了進(jìn)行更詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，設(shè)置5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖3），其坐標(biāo)分別為 （250,670）、（650,450）、（950,350）、（1035,280）、（1500,0）。 其中土體、泡沫輕質(zhì)土采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，混凝土擋墻采用線彈性本構(gòu)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(wǎng)格劃分及監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(fù)值，且逐漸減?。凰痪€以下為飽和土體，壓力水頭隨著深度的增加呈正增長(zhǎng)。

圖4 初始水頭

3.3 計(jì)算參數(shù)

土樣取自研究區(qū)邊坡，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得土體密度（ρ）、粘聚力（c）、內(nèi)摩擦角（φ）和楊氏模量（E）等參數(shù)，各路基材料參數(shù)如表1 所示。

表1 路基材料參數(shù)

4 結(jié)果與分析

4.1 內(nèi)力分析

各施工階段下邊坡最大總應(yīng)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(zhì)土填筑完成、第二層泡沫輕質(zhì)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(shí)邊坡最大總應(yīng)力分布。

圖5 各施工階段邊坡最大總應(yīng)力云圖

由圖5 可知，邊坡土體各點(diǎn)總應(yīng)力隨其覆土高度的增加整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，因此隨著施工進(jìn)度的進(jìn)行邊坡土體內(nèi)部各點(diǎn)所受總應(yīng)力不斷增加。 此外， 施工過(guò)程中各階梯右下角處由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部總應(yīng)力有突增現(xiàn)象，并且階梯高度越大越明顯，施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)給予一定的重視。

4.2 穩(wěn)定性分析

各施工階段下邊坡局部安全系數(shù)場(chǎng)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(zhì)土填筑完成、第二層泡沫輕質(zhì)土填筑完成及全部填筑完成時(shí)邊坡安全系數(shù)場(chǎng)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(shù)場(chǎng)分布圖。

圖6 各施工階段邊坡安全系數(shù)場(chǎng)

由圖6 可知， 邊坡表層安全系數(shù)相對(duì)較大，較深層處由于所受自重應(yīng)力較大安全系數(shù)逐漸減小，且相同深度處， 泡沫輕質(zhì)土層安全系數(shù)相對(duì)較大。另外， 各階梯水平面層中間部分安全系數(shù)最大，相對(duì)較穩(wěn)定，而各階梯右下角處（圖中標(biāo)注處）為相對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)，且階梯高度越大安全系數(shù)越小。 按照施工順序各施工階段安全系數(shù)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(jiàn)， 邊坡安全系數(shù)最小值隨著填土逐漸減小，而安全系數(shù)最大值除去初始狀態(tài)未填筑泡沫輕質(zhì)土層時(shí)也逐漸減小。 而由初始狀態(tài)至填筑第一層泡沫輕質(zhì)土?xí)r，安全系數(shù)出現(xiàn)突增現(xiàn)象，主要是由于填筑的泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度高、性能好，相對(duì)較穩(wěn)定。

另外，可見(jiàn)整個(gè)施工全過(guò)程及在行車荷載作用下， 邊坡各點(diǎn)安全系數(shù)均大于1， 基本處于安全范圍。但是各階梯右下角危險(xiǎn)點(diǎn)處安全系數(shù)接近于1，施工過(guò)程中仍應(yīng)給予一定重視，如可通過(guò)增加更多分層進(jìn)行氣泡輕質(zhì)土的澆筑，減小每個(gè)階梯段的高度，或?qū)ξｋU(xiǎn)點(diǎn)處進(jìn)行局部加固處理。

圖7 為隨施工過(guò)程（包括行車荷載）階段變化的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)的變化曲線。 由圖7 可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)隨施工過(guò)程整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，除監(jiān)測(cè)點(diǎn)D 處外，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)降至5 左右逐漸趨于穩(wěn)定。另外，已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)D 處為最危險(xiǎn)點(diǎn)，隨著施工過(guò)程安全系數(shù)從初始值8.86 逐漸減小至1.12，但整體仍處于安全范圍。對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)A 和B 處在第一層填筑時(shí)安全系數(shù)出現(xiàn)增加的現(xiàn)象，是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B 位于第一層填筑的泡沫輕質(zhì)土左側(cè)，對(duì)于邊坡左側(cè)土起到支擋的作用， 更有利于其穩(wěn)定性，但隨著土體繼續(xù)填筑， 由于受到上層土體的壓力等，安全系數(shù)逐漸降低。

圖7 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

本文以福建省某公路的工程實(shí)際簡(jiǎn)化為模型，運(yùn)用Hydrus 2D/3D 軟件建模并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性模擬。 結(jié)果表明：（1）邊坡表層安全系數(shù)相對(duì)較大，較深層處由于所受自重應(yīng)力較大安全系數(shù)逐漸減小，且相同深度處， 泡沫輕質(zhì)土層安全系數(shù)相對(duì)較大。（2）各階梯水平面層中間部分安全系數(shù)最大，相對(duì)較穩(wěn)定，而各階梯右下角處為相對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)，且階梯高度越大安全系數(shù)越小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D 處最為明顯。 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)隨施工過(guò)程推進(jìn)，整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但隨著施工過(guò)程減小幅度逐漸縮小，最終逐漸趨于穩(wěn)定。 （3）整個(gè)施工全過(guò)程及在行車荷載作用下， 邊坡各點(diǎn)安全系數(shù)均大于1， 基本處于安全范圍。但是各階梯右下角危險(xiǎn)點(diǎn)處安全系數(shù)接近于1，施工過(guò)程中仍應(yīng)給予一定重視，如可通過(guò)增加更多分層進(jìn)行氣泡輕質(zhì)土的澆筑，減小每個(gè)階梯段的高度，或?qū)ξｋU(xiǎn)點(diǎn)處進(jìn)行局部加固處理。