組合填料加筋土高路堤擋墻受力性能分析

官志斌

（福建農林大學，福建 福州350002）

山區高速公路地質條件復雜，以高填深挖路基為主，路堤高度較大且受地質情況影響較大。因此，路堤在運營期間穩定性是一個重要的安全問題，已經對我國高速公路的設計、施工、運營產生了嚴重的影響[1]。目前，我國高速公路路堤以路堤邊坡和重力式擋墻應用較為廣泛。不過，路堤邊坡和重力式擋墻存在占地大、工程量大的問題。并且重力式擋墻自重較大，對地基承載力要求高。為克服以上不足，一些學者和工程人員提出可采用加筋土擋墻取代放坡或重力式擋墻，并用輕質泡沫混凝土取代部分路堤填土。

泡沫混凝土是一種新型材料，具有輕質、節能、環保的特點[2]，將其應用于邊坡填筑工程具有重要的工程和環保意義。在邊坡項目中，采用泡沫混凝土代替普通填土，可有效減小自重，從而降低對地基及其附近土層的破壞，即提高了邊坡的穩定性，同時也降低了后期維護費用和邊坡治理問題。并且，采用泡沫混凝土作為邊坡填筑材料，還可降低施工難度，省時省力，具有較高的經濟效益。

不過，盡管采用泡沫混凝土作為填筑材料具有較高的工程和經濟意義，但如何更加合理的對其進行設計和施工還需進一步研究，馮文強[3]對影響邊坡穩定性的施工治理薄弱環節展開了研究，結果表明，抗滑樁錨索預應力張拉、樁間土換填和樁頂加筋高填方土體壓實度這三個因素對邊坡穩定性有較大影響，在設計、施工環節應采取相應的防護措施。高紅靈[4]對高填邊坡的支護結構展開研究，研究發現，削坡狀態下邊坡處于失穩狀態，而采用預應力錨索、抗滑樁和格構梁組合的支護形式，邊坡穩定性得到顯著改善。沙楨暉[5]對邊坡支護工程的研究發現，坡腳處設置抗滑樁，坡面設置格構梁+預應力錨索的支護方式，可以提高抗滑樁的水平荷載抗力，改善坡體的抗滑力。不過，對于泡沫混凝土填筑邊坡的穩定性研究還較少。

鑒于上述，本文以某泡沫混凝土路基填筑項目的邊坡工程為背景，采用ABAQUS 建立模型，著重分析了錨筋強度、邊坡填筑材料的質量密度對高填邊坡穩定性的影響。研究成果可對類似的高填邊坡工程提供理論依據。

1 高填方路堤設計方案

在某泡沫混凝土路基填筑項目中，該邊坡主要承受上部的車輛荷載、房屋建筑荷載以及自身的重力荷載作用。邊坡回填土高度為16m，采用輕質泡沫混凝土材料作為邊坡填筑材料，回填土與泡沫混凝土之間通過設置臺階的方式連接，以增大兩者的摩擦力，使得邊坡不易滑移導致失穩。同時，在每一級臺階處布置錨筋，以加固回填土和泡沫混凝土的連接，泡沫混凝土內部布置了鐵絲網。為減少放坡帶來的土地占用，在泡沫混凝土外側設置了擋墻，擋墻與泡沫混凝土之間又設置了拉結鋼筋，以提高邊坡的穩定性。

2 有限元建模

2.1 模型建立

依據該工程實際，采用ABAQUS 建立相應模型，模型設置的基本單位制為kg、m、N。數值模型包括回填土、地基土、錨筋、鐵絲網、泡沫混凝土、擋墻和拉結鋼筋，如圖1 所示。

圖1 泡沫混凝土填筑邊坡模型圖

其中，回填土和地基土采用CPE4R（四節點平面應變）單元建立，厚度取1m。為滿足邊界條件要求，回填土區域土體橫向長度取為20m[6-7]。根據工程地質情況，建立三層地基土，由上到下分別為素填土、碎石和淤泥質粉質粘土，其厚度分別為3.3m、2.27m和1.78m，可滿足豎向邊界條件要求。上述土體均采用摩爾- 庫倫本構模型，具體物理參數見表1。土體邊界條件為底部完全固定，土體兩側僅約束水平方向自由度。

泡沫混凝土填筑材料和擋墻也采用CPE4R 單元建立，厚度為1m。泡沫混凝土和擋墻采用混凝土損傷模型建立。其中，擋墻采用C30 混凝土，其本構模型按照《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010 選取；泡沫混凝土本構曲線依據文獻計算。擋墻下部采用嵌入約束與回填土連接。

泡沫混凝土內部鋼筋網、泡沫混凝土和回填土之間的錨筋、泡沫混凝土和擋墻之間的拉結鋼筋均采用T2D2（兩節點桁架單元）單元建立。其中，鋼筋網采用嵌入約束與泡沫混凝土連接，錨筋和拉結鋼筋兩端也用嵌入約束與所連接物體固定。具體材料參數見表1。

表1 材料屬性表

2.2 強度折減法

本文采用強度折減法來分析泡沫混凝土填筑邊坡的穩定性[8-10]。強度折減法以土的內摩擦角φ 和粘聚力c 作為強度折減法的控制參數。

其中，土的內摩擦角φ 是土的抗剪強度指標之一，反映土內部各顆粒之間內摩擦力的大小，包括土顆粒之間產生相互滑動時需要克服由于顆粒表面粗糙不平而引起的滑動摩擦。粘聚力c 是土顆粒間的引力和斥力的綜合作用，是同種物質內部相鄰各部分之間的相互吸引力。強度折減法的基本實質就是邊坡土體的粘聚力c 和內摩擦角φ 逐漸降低，導致某單元的應力無法和強度配套，或稱超出了屈服面，不能承受的應力將逐漸轉移到周圍土體單元中去，當出現連續滑動面（屈服點連成貫通面）之后，土體就將失穩。在ABAQUS中，將材料的參數定義為隨溫度或場變量變化的，那么就可以實現強度參數減小的過程。

在有限元計算中將邊坡土體粘聚力c 和內摩擦角φ 同時除以一個折減系數F，得到一組新的c 和φ 值。然后作為新的材料參數進行試算。當模型失穩或即將失穩時，對應的安全系數F 被稱為坡體的最小安全系數，此時土體達到臨界狀態，發生剪切破壞。

經過折減的粘聚力cf和內摩擦角φf，變為：

2.3 分析步

本模型共設置兩個分析步。其中，第一步為以load 命名的通用靜力分析步；第二步為以reduce 命名的通用靜力分析步，主要是在第二步分析中進行強度折減。

施加在本模型的荷載有汽車荷載、房屋建筑荷載以及自身的重力荷載。汽車荷載依據公路二級荷載計算，在模型上施加均布荷載，大小為15750M/m；房屋建筑荷載以三層樓荷載來計算，以均布荷載的形式添加，大小為48000N/m。

3 有限元結果分析

3.1 臨界情況下邊坡的應力與位移分布

本文定義邊坡開始失穩或即將失穩時的狀態為臨界狀態。圖2展示了在臨界狀態下，回填土和地基土的應力云圖。如圖所示，邊坡應力隨著埋深的增加逐漸增大。并且，路基填筑材料和回填土相接觸的臺階面的應力差異較大。如沿埋深向下的第一級臺階處，路基填筑材料和回填土應力分別為8.3×104Pa 和2.0×102Pa。此外，臺階處最大應力出現在從坡頂向坡底方向的最后一級臺階，其值為0.19MPa，邊坡沒有進入塑性，還處于彈性狀態，不會對邊坡的穩定性造成影響，說明在臺階處布置的錨筋將兩者有效的連接。但是在第二層地基土的位置出現最大應力，在實際工程中應注重對地基土采取一定的加固措施，避免邊坡發生失穩。

圖2 臨界狀態下高填邊坡的應力云圖

圖3 給出了在臨界狀態下，邊坡各個位置的位移云圖。由圖可知，在臨界狀態下，最大位移出現在回填土頂部，位移以回填土左上角為中心，向外輻射，位移量依次減小。當邊坡失穩的情況發生時，最先出現顯著滑移的位置就是頂部，選取容重較小的回填土材料來提高邊坡穩定性就顯得十分有必要，同時，對邊坡頂部采取一些加固措施限制頂部位移也可以有效預防邊坡失穩。

圖3 臨界狀態下高填邊坡的位移云圖

圖4 為臨界狀態下，回填土和地基土的塑性區分布圖。在汽車荷載、房屋荷載以及邊坡自重的作用下，塑性區以X形分布在結構左右兩側。左側塑性區分布較右側更加廣泛且直接延伸至邊坡左上角，導致在邊坡失穩的情況下，左上角產生的位移量最大。由于圖4 得塑性區沒有出現貫通現象，說明本工程不會出現邊坡失穩的嚴重工程問題。

3.2 邊坡填筑材料對邊坡穩定性的影響

為進一步分析采用泡沫混凝土作為填筑材料對邊坡穩定性的影響，圖5 給出了分別選用泡沫混凝土、回填土作為填筑材料的情況下，安全系數F 與邊坡產生的沉降位移量的關系曲線。

圖4 臨界狀態下高填邊坡的塑性區分布圖

圖5 邊坡安全系數與位移的關系曲線

由圖可知，采用泡沫混凝土填筑邊坡和普通回填土填筑邊坡的安全系數- 位移曲線存在明顯的拐點。在拐點之前，邊坡產生的位移增量均保持在很小的水平，但是過了拐點之后，位移增增長速率加快，說明拐點之后邊坡已經發生失穩，故本文選取安全系數-位移曲線的拐點所對應的F 值作為邊坡安全系數。通過模擬分析可知，當回填土材料質量密度取1780kg/m3，泡沫混凝土材料的質量密度取800kg/m3時：使用回填土作為邊坡填筑材料的安全系數為1.09，而使用泡沫混凝土的安全系數為1.36。可見在實際工程中，采用泡沫混凝土來填筑邊坡能夠有效提高邊坡穩定性。

3.3 錨筋強度對邊坡穩定性的影響

圖6 錨筋強度與邊坡安全系數關系曲線

依據該工程背景，邊坡填筑材料通過挖臺階的方式與路基回填土相接，該方式增大了邊坡填筑材料與路基回填土的摩擦力，提高了邊坡的穩定性。同時，在臺階處設置一定數量的錨筋，加強邊坡填筑材料和路基回填土的連接，使得路基回填土和邊坡填筑材料不容易產生滑移，進一步提高了邊坡的安全系數?，F要探究錨筋材料強度與邊坡安全系數的關系，分別取HPB300、HRB335、HRB400、HRB500 強度的鋼筋作為錨筋的材料，繪制不同強度鋼筋作為錨筋時所對應的安全系數與鋼筋強度的關系曲線，如圖6 所示。

由圖6 可知，錨筋強度從HP335 提高至HRB500 時，邊坡安全系數僅提高了0.03，可見對邊坡施加錨筋加固時，使用HPB300鋼筋強度足以滿足要求，沒必要使用更高強度的鋼筋，從而更好的實現經濟效益最優，有效節約鋼材。同時，鋼筋強度由HRB400 提高至HRB500 時，安全系數基本保持不變，也說明了再加大鋼筋強度并不會提高邊坡穩定性。

4 結論

本文完成了高填邊坡結構的數值建模，分析了臨界情況下邊坡的應力與位移分布，運用強度折減法研究了兩個參數（邊坡填筑材料和錨筋強度）對高填邊坡穩定性的影響，繪制各參數與其對應的高填邊坡的安全系數的關系曲線，結論如下：

4.1 強度折減法是一種在有限元分析中進行強度折減計算安全系數的方法，能夠較好的對邊坡穩定性進行判斷。

4.2 對于需要進行邊坡回填的高填方邊坡，選擇的填筑材料以質量密度較小的為優，填筑材料的質量密度越大，邊坡的安全系數越低，邊坡越容易失穩。采用的填筑材料為泡沫混凝土可有效降低自重，從而大幅度提高邊坡穩定性的方式。

4.3 使用錨筋加固高填邊坡時，鋼筋強度對于邊坡穩定性的提升效果不大，在實際工程中可以合理選用鋼筋強度，以達到經濟效益最優。

4.4 本文僅討論分析了邊坡填筑材料與錨筋強度對于邊坡穩定性的影響，其他各種因素對邊坡穩定的影響程度還有待深入探討。