不同換填方法路基邊坡數(shù)值模擬研究

摘要：為研究土工格柵碎石換填和輕質(zhì)泡沫混凝土換填在公路路堤路基工程中的應(yīng)用技術(shù)，文章以廣西G324線公路某段路堤路基工程為例，采用FLAC 3D軟件，基于摩爾-庫(kù)侖模型，對(duì)兩種換填方案進(jìn)行有限差分?jǐn)?shù)值模擬，分析不同換填方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性、路基沉降和塑性區(qū)分布的影響。結(jié)果表明，輕質(zhì)泡沫混凝土換填路基邊坡穩(wěn)定性高，沉降更小，因此建議采用輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案。

關(guān)鍵詞：公路路基；邊坡；沉降；FLAC 3D；土工格柵碎石換填；輕質(zhì)泡沫混凝土換填

0引言

在我國(guó)西南地區(qū)部分國(guó)省干線存在高填路堤邊坡，由于交通量的逐年增加以及持續(xù)強(qiáng)降雨的作用，部分高填路堤存在邊坡失穩(wěn)及沉降的災(zāi)害隱患，威脅過(guò)往車輛行人安全，如何有效解決高填路堤不均勻沉降及失穩(wěn)的問(wèn)題，成為我國(guó)西部陸海新通道建設(shè)發(fā)展的一項(xiàng)要點(diǎn)。目前失穩(wěn)路堤路基換填主要有兩種技術(shù)：（1）土工格柵碎石換填技術(shù)，該技術(shù)能有效使土工格柵與土體間咬合鑲嵌的摩擦阻力制約土體的側(cè)向變形，從而提高路堤邊坡穩(wěn)定性；（2）輕質(zhì)泡沫混凝土換填技術(shù)，其作為一種新型輕質(zhì)環(huán)保材料，也為高填路堤不均勻沉降提供了一種治理新思路。相關(guān)學(xué)者對(duì)兩種技術(shù)分別開展了研究，蔡歷穎等［1］對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土換填法在路基填筑中的應(yīng)用進(jìn)行了數(shù)值分析探究；邱毅等［2］進(jìn)行了土工格柵和土工格室加筋在公路拓寬工程中的應(yīng)用對(duì)比研究；李粒生等［3］論述了泡沫輕質(zhì)混凝土在陡坡路基工程中的應(yīng)用。目前，土工格柵碎石換填的應(yīng)用比較廣泛，相關(guān)研究也較成熟，而輕質(zhì)泡沫混凝土換填的應(yīng)用研究正處于不斷發(fā)展完善階段，本次對(duì)兩種方案進(jìn)行有限差分?jǐn)?shù)值模擬分析研究，對(duì)比兩種換填方法的優(yōu)劣，為類似工程提供參考。

1 工程概況

本文以廣西G324線公路某段路堤路基工程為例，該路段為雙向2車道，路堤邊坡寬度為110 m，坡高16 m，坡度約為30°，該邊坡地處構(gòu)造侵蝕-低丘陵地貌，地形起伏較大，植被一般發(fā)育。該路段路基受降雨影響，局部路面出現(xiàn)沉降，靠山側(cè)路肩邊溝出現(xiàn)橫向錯(cuò)位開裂，裂縫長(zhǎng)約20 m，裂縫寬0.1～0.2 m，深0.2～0.5 m，在持續(xù)降雨情況下，該路堤邊坡存在蠕動(dòng)滑移變形與沉降變形，路基路面存在威脅，擬對(duì)該邊坡滑塌區(qū)域進(jìn)行換填處治，剖面圖如圖1所示。

1.1 工程地質(zhì)概況

經(jīng)對(duì)該路段邊坡進(jìn)行勘察鉆孔揭露，該邊坡支護(hù)主要涉及四層巖土層：第1層填土；第2層粉質(zhì)黏土；第3層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；第4層為三疊統(tǒng)板納組（T2b）中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。ZK1填土厚度為2.8 m，含粒粉質(zhì)黏土厚度為8 m，ZK2填土厚度為7.3 m，含粒粉質(zhì)黏土厚度為8.5 m，ZK3填土厚度為4.8 m，含粒粉質(zhì)黏土厚度為15 m，邊坡土體較厚，其中對(duì)人工填土及含粒粉質(zhì)黏土進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn)，平均擊數(shù)分別為4擊、6擊，土層較為松散，且厚度較大，不利于路基路面穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建模所采用巖土層力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

1.2 地下水類型及埋藏條件

各土層滲透性系數(shù)取值如表2所示，該地區(qū)巖土層主要為微-中等透水性巖土層，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)邊坡存在地下水，故此次模擬暫不考慮地下水對(duì)模擬結(jié)果的影響。

1.3 支護(hù)方案

1.3.1 泡沫混凝土換填法

為提高基底摩擦系數(shù)和地基承載力，確保基坑施工安全及預(yù)防公路運(yùn)營(yíng)期間基底塌陷造成的危險(xiǎn)，公路交通設(shè)計(jì)傳統(tǒng)換填方案大多采用水平分層填筑、逐層碾壓夯實(shí)、逐層檢驗(yàn)的方法進(jìn)行施工。傳統(tǒng)工藝不僅施工速度慢，而且由于受到地下水等侵蝕易對(duì)填充材料的密實(shí)度產(chǎn)生影響，從而影響公路行駛運(yùn)營(yíng)安全。泡沫混凝土換填法具有輕質(zhì)高強(qiáng)、填筑自密實(shí)、沉降量小、施工速度快等特點(diǎn)。因此，針對(duì)該邊坡的支護(hù)首先考慮泡沫混凝土換填的方式進(jìn)行處治，處治方案示意圖如圖2所示。

1.3.2 土工格柵分層換填法

土工格柵作用十分廣泛，可以作為水利、交通、建筑等領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料，具有防滑、耐腐蝕、輕便、耐震、抗壓等，是一種被大量使用的新型材料。其可以增強(qiáng)砂石混合料的抗壓強(qiáng)度，保護(hù)土壤，提高路面的抗壓和抗滑性，減少路面水污染，用于護(hù)坡、橋梁支護(hù)、路堤支護(hù)、涵洞支護(hù)、護(hù)石支護(hù)、防護(hù)柵欄、地下室防水等。土工格柵分層換填可以運(yùn)用在多種場(chǎng)景中，有效提高加筋承載面的咬合，使其更加穩(wěn)固和結(jié)實(shí)。土工格柵承載能力很強(qiáng)，抗腐蝕性比較好，使用壽命更加長(zhǎng)。施工比較方便，大大節(jié)省了人力和物力。針對(duì)該邊坡的支護(hù)同樣考慮土工格柵分層換填的方式作為備選方案，處治方案如圖3所示。

2 數(shù)值模擬分析

此次數(shù)值模擬所采用的軟件為FLAC 3D。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坡體數(shù)據(jù)，導(dǎo)入實(shí)測(cè)剖面圖，選取建模尺寸為垂直高度為35 m，橫截面長(zhǎng)60 m，縱向延伸長(zhǎng)度為60 m，綜合考慮該坡體后續(xù)可能采取的支護(hù)方式及實(shí)際施工過(guò)程中使用的具體支護(hù)材料進(jìn)行實(shí)際模擬，模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際施工具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。具體支護(hù)方式及力學(xué)參數(shù)如表3所示。

在建模初始階段即開始根據(jù)不同地層進(jìn)行區(qū)域劃分，將原始邊坡模型分為4個(gè)區(qū)域，后續(xù)模擬過(guò)程中，采用回填土進(jìn)行回填，上覆綠色區(qū)域?yàn)榈缆匪谖恢谩?shù)值模型建立的步驟為：將混凝土回填區(qū)域及其臨近工作面所在位置進(jìn)行開挖，開挖完成后，進(jìn)行輕質(zhì)泡沫混凝土回填及土工格柵分層換填，模型建立過(guò)程如圖4所示。

各工況的邊坡模型建立后，各土層材料采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，邊坡邊界條件采用fix固定，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡各個(gè)工況下的穩(wěn)定性，計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示。

通過(guò)不斷增大強(qiáng)度折減系數(shù)F，使邊坡處理極限平衡，所得到的系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

3 模擬結(jié)果

3.1 不同換填對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

通過(guò)穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果如圖5所示，邊坡在未處理情況下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.98，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，開挖后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變?yōu)?.6，所以在開挖邊坡過(guò)程中應(yīng)注意臨時(shí)防護(hù)。邊坡采用輕質(zhì)泡沫混凝土回填后，穩(wěn)定性系數(shù)增大，系數(shù)F值為1.3，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；采用土工格柵分層換填后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.1。由此可見，兩種方法均可提高邊坡的穩(wěn)定性，相比之下，采用輕質(zhì)泡沫混凝土回填后的邊坡穩(wěn)定性更大。

3.2 不同換填邊坡位移分析

輕質(zhì)泡沫混凝土換填及土工格柵分層換填后的邊坡豎向位移云圖如圖6、圖7所示。由圖6～7可知，換填后的換填位置處仍然會(huì)產(chǎn)生一定的豎向位移，采用輕質(zhì)泡沫混凝土換填后的路堤最大豎向位移為1.8 cm，采用土工格柵分層換填后的路堤最大豎向位移為4.7 cm。相比之下，采用輕質(zhì)泡沫混凝土換填后路基沉降小，且輕質(zhì)泡沫混凝土換填后，換填底部位置處產(chǎn)生了一定的隆起位移，從而極大地緩解了路基的沉降變形。

3.3 不同換填邊坡塑性區(qū)分析

輕質(zhì)泡沫混凝土換填及土工格柵分層換填后的邊坡塑性區(qū)云圖如后頁(yè)圖8、圖9所示。由圖8～9可知，采用兩種方法換填后的路基邊坡所產(chǎn)生的塑性區(qū)大小及位置有所不同，輕質(zhì)泡沫混凝土換填后的塑性區(qū)主要集中在路基邊坡坡腳，而土工格柵分層換填后的路基邊坡塑性區(qū)主要集中在邊坡頂部，其塑性區(qū)面積較小。由此可見，輕質(zhì)泡沫混凝土換填后路基邊坡主要在坡腳產(chǎn)生應(yīng)力集中，可能產(chǎn)生剪切破壞，而土工格柵分層換填后路基邊坡可能產(chǎn)生后緣拉裂破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于不穩(wěn)定高填路堤邊坡，采用土工格柵換填或輕質(zhì)泡沫混凝土換填兩方案均可有效擴(kuò)散應(yīng)力集中、傳遞拉應(yīng)力、限制土體的側(cè)向位移、增加土體模量并增加土體和其他材料之間的摩阻力，進(jìn)而整體提高路基及上部結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性。

（1）在不穩(wěn)定高填路基中采用上述兩種換填方式能夠顯著提高路堤邊坡的穩(wěn)定性，且輕質(zhì)泡沫混凝土換填效果優(yōu)于土工格柵碎石換填。

（2）輕質(zhì)泡沫混凝土換填能夠均化路基應(yīng)力的分布從而控制路基沉降，而土工格柵碎石換填對(duì)路基應(yīng)力均化效應(yīng)不及輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案。

在實(shí)際建設(shè)的過(guò)程中，應(yīng)采用安全性系數(shù)更大、路面沉降量更小的輕質(zhì)泡沫混凝土換填支護(hù)方式。鑒于模擬結(jié)果顯示，該支護(hù)方式下，坡體內(nèi)部存在一定的應(yīng)變集中區(qū)域。因此，在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，充分確保工程施工的安全性。

參考文獻(xiàn)：

［1］蔡歷穎，李 龍，宿 杰.輕質(zhì)泡沫混凝土換填在路基填筑中的應(yīng)用探究及數(shù)值分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2021（S1）：2 147-2 152.

［2］邱 毅，余 強(qiáng)，陳 強(qiáng)，等.土工格柵和土工格室加筋在公路拓寬工程中的應(yīng)用對(duì)比分析［J］.公路交通技術(shù)，2020，36（3）：7-13.

［3］李粒生，谷 波.泡沫輕質(zhì)混凝土在陡坡路基工程中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2016，13（3）：21-23，46.

作者簡(jiǎn)介：陸天龍（1989—），工程師，主要從事公路巖土工程勘察設(shè)計(jì)、水文地質(zhì)工作。