组合填料加筋土高路堤挡墙受力性能分析

2021-05-25官志斌

科学技术创新 2021年11期

官志斌

（福建农林大学，福建福州350002）

山区高速公路地质条件复杂，以高填深挖路基为主，路堤高度较大且受地质情况影响较大。因此，路堤在运营期间稳定性是一个重要的安全问题，已经对我国高速公路的设计、施工、运营产生了严重的影响[1]。目前，我国高速公路路堤以路堤边坡和重力式挡墙应用较为广泛。不过，路堤边坡和重力式挡墙存在占地大、工程量大的问题。并且重力式挡墙自重较大，对地基承载力要求高。为克服以上不足，一些学者和工程人员提出可采用加筋土挡墙取代放坡或重力式挡墙，并用轻质泡沫混凝土取代部分路堤填土。

泡沫混凝土是一种新型材料，具有轻质、节能、环保的特点[2]，将其应用于边坡填筑工程具有重要的工程和环保意义。在边坡项目中，采用泡沫混凝土代替普通填土，可有效减小自重，从而降低对地基及其附近土层的破坏，即提高了边坡的稳定性，同时也降低了后期维护费用和边坡治理问题。并且，采用泡沫混凝土作为边坡填筑材料，还可降低施工难度，省时省力，具有较高的经济效益。

不过，尽管采用泡沫混凝土作为填筑材料具有较高的工程和经济意义，但如何更加合理的对其进行设计和施工还需进一步研究，冯文强[3]对影响边坡稳定性的施工治理薄弱环节展开了研究，结果表明，抗滑桩锚索预应力张拉、桩间土换填和桩顶加筋高填方土体压实度这三个因素对边坡稳定性有较大影响，在设计、施工环节应采取相应的防护措施。高红灵[4]对高填边坡的支护结构展开研究，研究发现，削坡状态下边坡处于失稳状态，而采用预应力锚索、抗滑桩和格构梁组合的支护形式，边坡稳定性得到显著改善。沙桢晖[5]对边坡支护工程的研究发现，坡脚处设置抗滑桩，坡面设置格构梁+预应力锚索的支护方式，可以提高抗滑桩的水平荷载抗力，改善坡体的抗滑力。不过，对于泡沫混凝土填筑边坡的稳定性研究还较少。

鉴于上述，本文以某泡沫混凝土路基填筑项目的边坡工程为背景，采用ABAQUS 建立模型，着重分析了锚筋强度、边坡填筑材料的质量密度对高填边坡稳定性的影响。研究成果可对类似的高填边坡工程提供理论依据。

1 高填方路堤设计方案

在某泡沫混凝土路基填筑项目中，该边坡主要承受上部的车辆荷载、房屋建筑荷载以及自身的重力荷载作用。边坡回填土高度为16m，采用轻质泡沫混凝土材料作为边坡填筑材料，回填土与泡沫混凝土之间通过设置台阶的方式连接，以增大两者的摩擦力，使得边坡不易滑移导致失稳。同时，在每一级台阶处布置锚筋，以加固回填土和泡沫混凝土的连接，泡沫混凝土内部布置了铁丝网。为减少放坡带来的土地占用，在泡沫混凝土外侧设置了挡墙，挡墙与泡沫混凝土之间又设置了拉结钢筋，以提高边坡的稳定性。

2 有限元建模

2.1 模型建立

依据该工程实际，采用ABAQUS 建立相应模型，模型设置的基本单位制为kg、m、N。数值模型包括回填土、地基土、锚筋、铁丝网、泡沫混凝土、挡墙和拉结钢筋，如图1 所示。

图1 泡沫混凝土填筑边坡模型图

其中，回填土和地基土采用CPE4R（四节点平面应变）单元建立，厚度取1m。为满足边界条件要求，回填土区域土体横向长度取为20m[6-7]。根据工程地质情况，建立三层地基土，由上到下分别为素填土、碎石和淤泥质粉质粘土，其厚度分别为3.3m、2.27m和1.78m，可满足竖向边界条件要求。上述土体均采用摩尔- 库伦本构模型，具体物理参数见表1。土体边界条件为底部完全固定，土体两侧仅约束水平方向自由度。

泡沫混凝土填筑材料和挡墙也采用CPE4R 单元建立，厚度为1m。泡沫混凝土和挡墙采用混凝土损伤模型建立。其中，挡墙采用C30 混凝土，其本构模型按照《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010 选取；泡沫混凝土本构曲线依据文献计算。挡墙下部采用嵌入约束与回填土连接。

泡沫混凝土内部钢筋网、泡沫混凝土和回填土之间的锚筋、泡沫混凝土和挡墙之间的拉结钢筋均采用T2D2（两节点桁架单元）单元建立。其中，钢筋网采用嵌入约束与泡沫混凝土连接，锚筋和拉结钢筋两端也用嵌入约束与所连接物体固定。具体材料参数见表1。

表1 材料属性表

2.2 强度折减法

本文采用强度折减法来分析泡沫混凝土填筑边坡的稳定性[8-10]。强度折减法以土的内摩擦角φ 和粘聚力c 作为强度折减法的控制参数。

其中，土的内摩擦角φ 是土的抗剪强度指标之一，反映土内部各颗粒之间内摩擦力的大小，包括土颗粒之间产生相互滑动时需要克服由于颗粒表面粗糙不平而引起的滑动摩擦。粘聚力c 是土颗粒间的引力和斥力的综合作用，是同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力。强度折减法的基本实质就是边坡土体的粘聚力c 和内摩擦角φ 逐渐降低，导致某单元的应力无法和强度配套，或称超出了屈服面，不能承受的应力将逐渐转移到周围土体单元中去，当出现连续滑动面（屈服点连成贯通面）之后，土体就将失稳。在ABAQUS中，将材料的参数定义为随温度或场变量变化的，那么就可以实现强度参数减小的过程。

在有限元计算中将边坡土体粘聚力c 和内摩擦角φ 同时除以一个折减系数F，得到一组新的c 和φ 值。然后作为新的材料参数进行试算。当模型失稳或即将失稳时，对应的安全系数F 被称为坡体的最小安全系数，此时土体达到临界状态，发生剪切破坏。

经过折减的粘聚力cf和内摩擦角φf，变为：

2.3 分析步

本模型共设置两个分析步。其中，第一步为以load 命名的通用静力分析步；第二步为以reduce 命名的通用静力分析步，主要是在第二步分析中进行强度折减。

施加在本模型的荷载有汽车荷载、房屋建筑荷载以及自身的重力荷载。汽车荷载依据公路二级荷载计算，在模型上施加均布荷载，大小为15750M/m；房屋建筑荷载以三层楼荷载来计算，以均布荷载的形式添加，大小为48000N/m。

3 有限元结果分析

3.1 临界情况下边坡的应力与位移分布

本文定义边坡开始失稳或即将失稳时的状态为临界状态。图2展示了在临界状态下，回填土和地基土的应力云图。如图所示，边坡应力随着埋深的增加逐渐增大。并且，路基填筑材料和回填土相接触的台阶面的应力差异较大。如沿埋深向下的第一级台阶处，路基填筑材料和回填土应力分别为8.3×104Pa 和2.0×102Pa。此外，台阶处最大应力出现在从坡顶向坡底方向的最后一级台阶，其值为0.19MPa，边坡没有进入塑性，还处于弹性状态，不会对边坡的稳定性造成影响，说明在台阶处布置的锚筋将两者有效的连接。但是在第二层地基土的位置出现最大应力，在实际工程中应注重对地基土采取一定的加固措施，避免边坡发生失稳。

图2 临界状态下高填边坡的应力云图

图3 给出了在临界状态下，边坡各个位置的位移云图。由图可知，在临界状态下，最大位移出现在回填土顶部，位移以回填土左上角为中心，向外辐射，位移量依次减小。当边坡失稳的情况发生时，最先出现显著滑移的位置就是顶部，选取容重较小的回填土材料来提高边坡稳定性就显得十分有必要，同时，对边坡顶部采取一些加固措施限制顶部位移也可以有效预防边坡失稳。

图3 临界状态下高填边坡的位移云图

图4 为临界状态下，回填土和地基土的塑性区分布图。在汽车荷载、房屋荷载以及边坡自重的作用下，塑性区以X形分布在结构左右两侧。左侧塑性区分布较右侧更加广泛且直接延伸至边坡左上角，导致在边坡失稳的情况下，左上角产生的位移量最大。由于图4 得塑性区没有出现贯通现象，说明本工程不会出现边坡失稳的严重工程问题。

3.2 边坡填筑材料对边坡稳定性的影响

为进一步分析采用泡沫混凝土作为填筑材料对边坡稳定性的影响，图5 给出了分别选用泡沫混凝土、回填土作为填筑材料的情况下，安全系数F 与边坡产生的沉降位移量的关系曲线。

图4 临界状态下高填边坡的塑性区分布图

图5 边坡安全系数与位移的关系曲线

由图可知，采用泡沫混凝土填筑边坡和普通回填土填筑边坡的安全系数- 位移曲线存在明显的拐点。在拐点之前，边坡产生的位移增量均保持在很小的水平，但是过了拐点之后，位移增增长速率加快，说明拐点之后边坡已经发生失稳，故本文选取安全系数-位移曲线的拐点所对应的F 值作为边坡安全系数。通过模拟分析可知，当回填土材料质量密度取1780kg/m3，泡沫混凝土材料的质量密度取800kg/m3时：使用回填土作为边坡填筑材料的安全系数为1.09，而使用泡沫混凝土的安全系数为1.36。可见在实际工程中，采用泡沫混凝土来填筑边坡能够有效提高边坡稳定性。

3.3 锚筋强度对边坡稳定性的影响

图6 锚筋强度与边坡安全系数关系曲线

依据该工程背景，边坡填筑材料通过挖台阶的方式与路基回填土相接，该方式增大了边坡填筑材料与路基回填土的摩擦力，提高了边坡的稳定性。同时，在台阶处设置一定数量的锚筋，加强边坡填筑材料和路基回填土的连接，使得路基回填土和边坡填筑材料不容易产生滑移，进一步提高了边坡的安全系数。现要探究锚筋材料强度与边坡安全系数的关系，分别取HPB300、HRB335、HRB400、HRB500 强度的钢筋作为锚筋的材料，绘制不同强度钢筋作为锚筋时所对应的安全系数与钢筋强度的关系曲线，如图6 所示。

由图6 可知，锚筋强度从HP335 提高至HRB500 时，边坡安全系数仅提高了0.03，可见对边坡施加锚筋加固时，使用HPB300钢筋强度足以满足要求，没必要使用更高强度的钢筋，从而更好的实现经济效益最优，有效节约钢材。同时，钢筋强度由HRB400 提高至HRB500 时，安全系数基本保持不变，也说明了再加大钢筋强度并不会提高边坡稳定性。