官志斌

（福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州350002）

山區(qū)高速公路地質(zhì)條件復(fù)雜，以高填深挖路基為主，路堤高度較大且受地質(zhì)情況影響較大。因此，路堤在運(yùn)營期間穩(wěn)定性是一個重要的安全問題，已經(jīng)對我國高速公路的設(shè)計、施工、運(yùn)營產(chǎn)生了嚴(yán)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(yīng)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(xué)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(zhì)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(zhì)、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)[2]，將其應(yīng)用于邊坡填筑工程具有重要的工程和環(huán)保意義。在邊坡項(xiàng)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(wěn)定性，同時也降低了后期維護(hù)費(fèi)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(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)意義，但如何更加合理的對其進(jìn)行設(shè)計和施工還需進(jìn)一步研究，馮文強(qiáng)[3]對影響邊坡穩(wěn)定性的施工治理薄弱環(huán)節(jié)展開了研究，結(jié)果表明，抗滑樁錨索預(yù)應(yīng)力張拉、樁間土換填和樁頂加筋高填方土體壓實(shí)度這三個因素對邊坡穩(wěn)定性有較大影響，在設(shè)計、施工環(huán)節(jié)應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施。高紅靈[4]對高填邊坡的支護(hù)結(jié)構(gòu)展開研究，研究發(fā)現(xiàn)，削坡狀態(tài)下邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，而采用預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁和格構(gòu)梁組合的支護(hù)形式，邊坡穩(wěn)定性得到顯著改善。沙楨暉[5]對邊坡支護(hù)工程的研究發(fā)現(xiàn)，坡腳處設(shè)置抗滑樁，坡面設(shè)置格構(gòu)梁+預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)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(wěn)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(xiàng)目的邊坡工程為背景，采用ABAQUS 建立模型，著重分析了錨筋強(qiáng)度、邊坡填筑材料的質(zhì)量密度對高填邊坡穩(wěn)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(jù)。

1 高填方路堤設(shè)計方案

在某泡沫混凝土路基填筑項(xiàng)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(zhì)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(shè)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(dǎo)致失穩(wěn)。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(nèi)部布置了鐵絲網(wǎng)。為減少放坡帶來的土地占用，在泡沫混凝土外側(cè)設(shè)置了擋墻，擋墻與泡沫混凝土之間又設(shè)置了拉結(jié)鋼筋，以提高邊坡的穩(wěn)定性。

2 有限元建模

2.1 模型建立

依據(jù)該工程實(shí)際，采用ABAQUS 建立相應(yīng)模型，模型設(shè)置的基本單位制為kg、m、N。數(shù)值模型包括回填土、地基土、錨筋、鐵絲網(wǎng)、泡沫混凝土、擋墻和拉結(jié)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(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變）單元建立，厚度取1m。為滿足邊界條件要求，回填土區(qū)域土體橫向長度取為20m[6-7]。根據(jù)工程地質(zhì)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(zhì)粉質(zhì)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(gòu)模型，具體物理參數(shù)見表1。土體邊界條件為底部完全固定，土體兩側(cè)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(gòu)模型按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010-2010 選?。慌菽炷帘緲?gòu)曲線依據(jù)文獻(xiàn)計算。擋墻下部采用嵌入約束與回填土連接。

泡沫混凝土內(nèi)部鋼筋網(wǎng)、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(jié)鋼筋均采用T2D2（兩節(jié)點(diǎn)桁架單元）單元建立。其中，鋼筋網(wǎng)采用嵌入約束與泡沫混凝土連接，錨筋和拉結(jié)鋼筋兩端也用嵌入約束與所連接物體固定。具體材料參數(shù)見表1。

表1 材料屬性表

2.2 強(qiáng)度折減法

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

其中，土的內(nèi)摩擦角φ 是土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之一，反映土內(nèi)部各顆粒之間內(nèi)摩擦力的大小，包括土顆粒之間產(chǎn)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(zhì)內(nèi)部相鄰各部分之間的相互吸引力。強(qiáng)度折減法的基本實(shí)質(zhì)就是邊坡土體的粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 逐漸降低，導(dǎo)致某單元的應(yīng)力無法和強(qiáng)度配套，或稱超出了屈服面，不能承受的應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)移到周圍土體單元中去，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)滑動面（屈服點(diǎn)連成貫通面）之后，土體就將失穩(wěn)。在ABAQUS中，將材料的參數(shù)定義為隨溫度或場變量變化的，那么就可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度參數(shù)減小的過程。

在有限元計算中將邊坡土體粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的c 和φ 值。然后作為新的材料參數(shù)進(jìn)行試算。當(dāng)模型失穩(wěn)或即將失穩(wěn)時，對應(yīng)的安全系數(shù)F 被稱為坡體的最小安全系數(shù)，此時土體達(dá)到臨界狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞。

經(jīng)過折減的粘聚力cf和內(nèi)摩擦角φf，變?yōu)椋?/p>

2.3 分析步

本模型共設(shè)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(jìn)行強(qiáng)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(jù)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(jié)果分析

3.1 臨界情況下邊坡的應(yīng)力與位移分布

本文定義邊坡開始失穩(wěn)或即將失穩(wěn)時的狀態(tài)為臨界狀態(tài)。圖2展示了在臨界狀態(tài)下，回填土和地基土的應(yīng)力云圖。如圖所示，邊坡應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分別為8.3×104Pa 和2.0×102Pa。此外，臺階處最大應(yīng)力出現(xiàn)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(jìn)入塑性，還處于彈性狀態(tài)，不會對邊坡的穩(wěn)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(xiàn)最大應(yīng)力，在實(shí)際工程中應(yīng)注重對地基土采取一定的加固措施，避免邊坡發(fā)生失穩(wěn)。

圖2 臨界狀態(tài)下高填邊坡的應(yīng)力云圖

圖3 給出了在臨界狀態(tài)下，邊坡各個位置的位移云圖。由圖可知，在臨界狀態(tài)下，最大位移出現(xiàn)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(dāng)邊坡失穩(wěn)的情況發(fā)生時，最先出現(xiàn)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(wěn)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(yù)防邊坡失穩(wěn)。

圖3 臨界狀態(tài)下高填邊坡的位移云圖

圖4 為臨界狀態(tài)下，回填土和地基土的塑性區(qū)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(qū)以X形分布在結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)。左側(cè)塑性區(qū)分布較右側(cè)更加廣泛且直接延伸至邊坡左上角，導(dǎo)致在邊坡失穩(wěn)的情況下，左上角產(chǎn)生的位移量最大。由于圖4 得塑性區(qū)沒有出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，說明本工程不會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的嚴(yán)重工程問題。

3.2 邊坡填筑材料對邊坡穩(wěn)定性的影響

為進(jìn)一步分析采用泡沫混凝土作為填筑材料對邊坡穩(wěn)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(shù)F 與邊坡產(chǎn)生的沉降位移量的關(guān)系曲線。

圖4 臨界狀態(tài)下高填邊坡的塑性區(qū)分布圖

圖5 邊坡安全系數(shù)與位移的關(guān)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(shù)- 位移曲線存在明顯的拐點(diǎn)。在拐點(diǎn)之前，邊坡產(chǎn)生的位移增量均保持在很小的水平，但是過了拐點(diǎn)之后，位移增增長速率加快，說明拐點(diǎn)之后邊坡已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)，故本文選取安全系數(shù)-位移曲線的拐點(diǎn)所對應(yīng)的F 值作為邊坡安全系數(shù)。通過模擬分析可知，當(dāng)回填土材料質(zhì)量密度取1780kg/m3，泡沫混凝土材料的質(zhì)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(shù)為1.09，而使用泡沫混凝土的安全系數(shù)為1.36?？梢娫趯?shí)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(wěn)定性。

3.3 錨筋強(qiáng)度對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖6 錨筋強(qiáng)度與邊坡安全系數(shù)關(guān)系曲線

依據(jù)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(wěn)定性。同時，在臺階處設(shè)置一定數(shù)量的錨筋，加強(qiáng)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(chǎn)生滑移，進(jìn)一步提高了邊坡的安全系數(shù)。現(xiàn)要探究錨筋材料強(qiáng)度與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系，分別取HPB300、HRB335、HRB400、HRB500 強(qiáng)度的鋼筋作為錨筋的材料，繪制不同強(qiáng)度鋼筋作為錨筋時所對應(yīng)的安全系數(shù)與鋼筋強(qiáng)度的關(guān)系曲線，如圖6 所示。

由圖6 可知，錨筋強(qiáng)度從HP335 提高至HRB500 時，邊坡安全系數(shù)僅提高了0.03，可見對邊坡施加錨筋加固時，使用HPB300鋼筋強(qiáng)度足以滿足要求，沒必要使用更高強(qiáng)度的鋼筋，從而更好的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，有效節(jié)約鋼材。同時，鋼筋強(qiáng)度由HRB400 提高至HRB500 時，安全系數(shù)基本保持不變，也說明了再加大鋼筋強(qiáng)度并不會提高邊坡穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文完成了高填邊坡結(jié)構(gòu)的數(shù)值建模，分析了臨界情況下邊坡的應(yīng)力與位移分布，運(yùn)用強(qiáng)度折減法研究了兩個參數(shù)（邊坡填筑材料和錨筋強(qiáng)度）對高填邊坡穩(wěn)定性的影響，繪制各參數(shù)與其對應(yīng)的高填邊坡的安全系數(shù)的關(guān)系曲線，結(jié)論如下：

4.1 強(qiáng)度折減法是一種在有限元分析中進(jìn)行強(qiáng)度折減計算安全系數(shù)的方法，能夠較好的對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。

4.2 對于需要進(jìn)行邊坡回填的高填方邊坡，選擇的填筑材料以質(zhì)量密度較小的為優(yōu)，填筑材料的質(zhì)量密度越大，邊坡的安全系數(shù)越低，邊坡越容易失穩(wěn)。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(wěn)定性的方式。

4.3 使用錨筋加固高填邊坡時，鋼筋強(qiáng)度對于邊坡穩(wěn)定性的提升效果不大，在實(shí)際工程中可以合理選用鋼筋強(qiáng)度，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

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