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-庫侖模型，對兩種換填方案進行有限差分數(shù)值模擬，分析不同換填方法對邊坡穩(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

在我國西南地區(qū)部分國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)強降雨的作用，部分高填路堤存在邊坡失穩(wěn)及沉降的災害隱患，威脅過往車輛行人安全，如何有效解決高填路堤不均勻沉降及失穩(wěn)的問題，成為我國西部陸海新通道建設(shè)發(fā)展的一項要點。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)學者對兩種技術(shù)分別開展了研究，蔡歷穎等［1］對輕質(zhì)泡沫混凝土換填法在路基填筑中的應用進行了數(shù)值分析探究；邱毅等［2］進行了土工格柵和土工格室加筋在公路拓寬工程中的應用對比研究；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用。目前，土工格柵碎石換填的應用比較廣泛，相關(guān)研究也較成熟，而輕質(zhì)泡沫混凝土換填的應用研究正處于不斷發(fā)展完善階段，本次對兩種方案進行有限差分數(shù)值模擬分析研究，對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)橫向錯位開裂，裂縫長約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滑移變形與沉降變形，路基路面存在威脅，擬對該邊坡滑塌區(qū)域進行換填處治，剖面圖如圖1所示。

1.1 工程地質(zhì)概況

經(jīng)對該路段邊坡進行勘察鉆孔揭露，該邊坡支護主要涉及四層巖土層：第1層填土；第2層粉質(zhì)黏土；第3層強風化泥質(zhì)粉砂巖；第4層為三疊統(tǒng)板納組（T2b）中風化泥質(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，其中對人工填土及含粒粉質(zhì)黏土進行動力觸探試驗，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)實測數(shù)據(jù)，建模所采用巖土層力學參數(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)場實際勘察過程中，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模擬結(jié)果的影響。

1.3 支護方案

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防公路運營期間基底塌陷造成的危險，公路交通設(shè)計傳統(tǒng)換填方案大多采用水平分層填筑、逐層碾壓夯實、逐層檢驗的方法進行施工。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填充材料的密實度產(chǎn)生影響，從而影響公路行駛運營安全。泡沫混凝土換填法具有輕質(zhì)高強、填筑自密實、沉降量小、施工速度快等特點。因此，針對該邊坡的支護首先考慮泡沫混凝土換填的方式進行處治，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。其可以增強砂石混合料的抗壓強度，保護土壤，提高路面的抗壓和抗滑性，減少路面水污染，用于護坡、橋梁支護、路堤支護、涵洞支護、護石支護、防護柵欄、地下室防水等。土工格柵分層換填可以運用在多種場景中，有效提高加筋承載面的咬合，使其更加穩(wěn)固和結(jié)實。土工格柵承載能力很強，抗腐蝕性比較好，使用壽命更加長。施工比較方便，大大節(jié)省了人力和物力。針對該邊坡的支護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)場實測坡體數(shù)據(jù)，導入實測剖面圖，選取建模尺寸為垂直高度為35 m，橫截面長60 m，縱向延伸長度為60 m，綜合考慮該坡體后續(xù)可能采取的支護方式及實際施工過程中使用的具體支護材料進行實際模擬，模擬結(jié)果對實際施工具有一定的借鑒和指導意義。具體支護方式及力學參數(shù)如表3所示。

在建模初始階段即開始根據(jù)不同地層進行區(qū)域劃分，將原始邊坡模型分為4個區(qū)域，后續(xù)模擬過程中，采用回填土進行回填，上覆綠色區(qū)域為道路所在位置。數(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行開挖，開挖完成后，進行輕質(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倫本構(gòu)模型，邊坡邊界條件采用fix固定，采用強度折減法計算邊坡各個工況下的穩(wěn)定性，計算公式如式（1）、式（2）所示。

通過不斷增大強度折減系數(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 不同換填對邊坡穩(wěn)定性的影響

通過穩(wěn)定性計算，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，所以在開挖邊坡過程中應注意臨時防護。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

對于不穩(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散應力集中、傳遞拉應力、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力的分布從而控制路基沉降，而土工格柵碎石換填對路基應力均化效應不及輕質(zhì)泡沫混凝土換填方案。

在實際建設(shè)的過程中，應采用安全性系數(shù)更大、路面沉降量更小的輕質(zhì)泡沫混凝土換填支護方式。鑒于模擬結(jié)果顯示，該支護方式下，坡體內(nèi)部存在一定的應變集中區(qū)域。因此，在實際施工過程中，應對邊坡穩(wěn)定性進行實時監(jiān)測，充分確保工程施工的安全性。

參考文獻：

［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，陳 強，等.土工格柵和土工格室加筋在公路拓寬工程中的應用對比分析［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用［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2016，13（3）：21-23，46.

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