不同换填方法路基边坡数值模拟研究

摘要：为研究土工格栅碎石换填和轻质泡沫混凝土换填在公路路堤路基工程中的应用技术，文章以广西G324线公路某段路堤路基工程为例，采用FLAC 3D软件，基于摩尔-库仑模型，对两种换填方案进行有限差分数值模拟，分析不同换填方法对边坡稳定性、路基沉降和塑性区分布的影响。结果表明，轻质泡沫混凝土换填路基边坡稳定性高，沉降更小，因此建议采用轻质泡沫混凝土换填方案。

关键词：公路路基；边坡；沉降；FLAC 3D；土工格栅碎石换填；轻质泡沫混凝土换填

0引言

在我国西南地区部分国省干线存在高填路堤边坡，由于交通量的逐年增加以及持续强降雨的作用，部分高填路堤存在边坡失稳及沉降的灾害隐患，威胁过往车辆行人安全，如何有效解决高填路堤不均匀沉降及失稳的问题，成为我国西部陆海新通道建设发展的一项要点。目前失稳路堤路基换填主要有两种技术：（1）土工格栅碎石换填技术，该技术能有效使土工格栅与土体间咬合镶嵌的摩擦阻力制约土体的侧向变形，从而提高路堤边坡稳定性；（2）轻质泡沫混凝土换填技术，其作为一种新型轻质环保材料，也为高填路堤不均匀沉降提供了一种治理新思路。相关学者对两种技术分别开展了研究，蔡历颖等［1］对轻质泡沫混凝土换填法在路基填筑中的应用进行了数值分析探究；邱毅等［2］进行了土工格栅和土工格室加筋在公路拓宽工程中的应用对比研究；李粒生等［3］论述了泡沫轻质混凝土在陡坡路基工程中的应用。目前，土工格栅碎石换填的应用比较广泛，相关研究也较成熟，而轻质泡沫混凝土换填的应用研究正处于不断发展完善阶段，本次对两种方案进行有限差分数值模拟分析研究，对比两种换填方法的优劣，为类似工程提供参考。

1 工程概况

本文以广西G324线公路某段路堤路基工程为例，该路段为双向2车道，路堤边坡宽度为110 m，坡高16 m，坡度约为30°，该边坡地处构造侵蚀-低丘陵地貌，地形起伏较大，植被一般发育。该路段路基受降雨影响，局部路面出现沉降，靠山侧路肩边沟出现横向错位开裂，裂缝长约20 m，裂缝宽0.1～0.2 m，深0.2～0.5 m，在持续降雨情况下，该路堤边坡存在蠕动滑移变形与沉降变形，路基路面存在威胁，拟对该边坡滑塌区域进行换填处治，剖面图如图1所示。

1.1 工程地质概况

经对该路段边坡进行勘察钻孔揭露，该边坡支护主要涉及四层岩土层：第1层填土；第2层粉质黏土；第3层强风化泥质粉砂岩；第4层为三叠统板纳组（T2b）中风化泥质粉砂岩。ZK1填土厚度为2.8 m，含粒粉质黏土厚度为8 m，ZK2填土厚度为7.3 m，含粒粉质黏土厚度为8.5 m，ZK3填土厚度为4.8 m，含粒粉质黏土厚度为15 m，边坡土体较厚，其中对人工填土及含粒粉质黏土进行动力触探试验，平均击数分别为4击、6击，土层较为松散，且厚度较大，不利于路基路面稳定。根据实测数据，建模所采用岩土层力学参数，如表1所示。

1.2 地下水类型及埋藏条件

各土层渗透性系数取值如表2所示，该地区岩土层主要为微-中等透水性岩土层，在现场实际勘察过程中，未发现边坡存在地下水，故此次模拟暂不考虑地下水对模拟结果的影响。

1.3 支护方案

1.3.1 泡沫混凝土换填法

为提高基底摩擦系数和地基承载力，确保基坑施工安全及预防公路运营期间基底塌陷造成的危险，公路交通设计传统换填方案大多采用水平分层填筑、逐层碾压夯实、逐层检验的方法进行施工。传统工艺不仅施工速度慢，而且由于受到地下水等侵蝕易对填充材料的密实度产生影响，从而影响公路行驶运营安全。泡沫混凝土换填法具有轻质高强、填筑自密实、沉降量小、施工速度快等特点。因此，针对该边坡的支护首先考虑泡沫混凝土换填的方式进行处治，处治方案示意图如图2所示。

1.3.2 土工格栅分层换填法

土工格栅作用十分广泛，可以作为水利、交通、建筑等领域的基础材料，具有防滑、耐腐蚀、轻便、耐震、抗压等，是一种被大量使用的新型材料。其可以增强砂石混合料的抗压强度，保护土壤，提高路面的抗压和抗滑性，减少路面水污染，用于护坡、桥梁支护、路堤支护、涵洞支护、护石支护、防护栅栏、地下室防水等。土工格栅分层换填可以运用在多种场景中，有效提高加筋承载面的咬合，使其更加稳固和结实。土工格栅承载能力很强，抗腐蚀性比较好，使用寿命更加长。施工比较方便，大大节省了人力和物力。针对该边坡的支护同样考虑土工格栅分层换填的方式作为备选方案，处治方案如图3所示。

2 数值模拟分析

此次数值模拟所采用的软件为FLAC 3D。根据现场实测坡体数据，导入实测剖面图，选取建模尺寸为垂直高度为35 m，横截面长60 m，纵向延伸长度为60 m，综合考虑该坡体后续可能采取的支护方式及实际施工过程中使用的具体支护材料进行实际模拟，模拟结果对实际施工具有一定的借鉴和指导意义。具体支护方式及力学参数如表3所示。

在建模初始阶段即开始根据不同地层进行区域划分，将原始边坡模型分为4个区域，后续模拟过程中，采用回填土进行回填，上覆绿色区域为道路所在位置。数值模型建立的步骤为：将混凝土回填区域及其临近工作面所在位置进行开挖，开挖完成后，进行轻质泡沫混凝土回填及土工格栅分层换填，模型建立过程如图4所示。

各工况的边坡模型建立后，各土层材料采用摩尔库伦本构模型，边坡边界条件采用fix固定，采用强度折减法计算边坡各个工况下的稳定性，计算公式如式（1）、式（2）所示。

通过不断增大强度折减系数F，使边坡处理极限平衡，所得到的系数即为边坡稳定性系数。

3 模拟结果

3.1 不同换填对边坡稳定性的影响

通过稳定性计算，结果如图5所示，边坡在未处理情况下的稳定性系数为0.98，边坡处于不稳定状态，开挖后的边坡稳定性系数变为0.6，所以在开挖边坡过程中应注意临时防护。边坡采用轻质泡沫混凝土回填后，稳定性系数增大，系数F值为1.3，边坡处于稳定状态；采用土工格栅分层换填后，边坡稳定性系数为1.1。由此可见，两种方法均可提高边坡的稳定性，相比之下，采用轻质泡沫混凝土回填后的边坡稳定性更大。

3.2 不同换填边坡位移分析

轻质泡沫混凝土换填及土工格栅分层换填后的边坡竖向位移云图如图6、图7所示。由图6～7可知，换填后的换填位置处仍然会产生一定的竖向位移，采用轻质泡沫混凝土换填后的路堤最大竖向位移为1.8 cm，采用土工格栅分层换填后的路堤最大竖向位移为4.7 cm。相比之下，采用轻质泡沫混凝土换填后路基沉降小，且轻质泡沫混凝土换填后，换填底部位置处产生了一定的隆起位移，从而极大地缓解了路基的沉降变形。

3.3 不同换填边坡塑性区分析

轻质泡沫混凝土换填及土工格栅分层换填后的边坡塑性区云图如后页图8、图9所示。由图8～9可知，采用两种方法换填后的路基边坡所产生的塑性区大小及位置有所不同，轻质泡沫混凝土换填后的塑性区主要集中在路基边坡坡脚，而土工格栅分层换填后的路基边坡塑性区主要集中在边坡顶部，其塑性区面积较小。由此可见，轻质泡沫混凝土换填后路基边坡主要在坡脚产生应力集中，可能产生剪切破坏，而土工格栅分层换填后路基边坡可能产生后缘拉裂破坏。

4 结语

对于不稳定高填路堤边坡，采用土工格栅换填或轻质泡沫混凝土换填两方案均可有效扩散应力集中、传递拉应力、限制土体的侧向位移、增加土体模量并增加土体和其他材料之间的摩阻力，进而整体提高路基及上部结构物的稳定性。

（1）在不稳定高填路基中采用上述两种换填方式能够显著提高路堤边坡的稳定性，且轻质泡沫混凝土换填效果优于土工格栅碎石换填。

（2）轻质泡沫混凝土换填能够均化路基应力的分布从而控制路基沉降，而土工格栅碎石换填对路基应力均化效应不及轻质泡沫混凝土换填方案。

在实际建设的过程中，应采用安全性系数更大、路面沉降量更小的轻质泡沫混凝土换填支护方式。鉴于模拟结果显示，该支护方式下，坡体内部存在一定的应变集中区域。因此，在实际施工过程中，应对边坡稳定性进行实时监测，充分确保工程施工的安全性。

参考文献：

［1］蔡历颖，李 龙，宿 杰.轻质泡沫混凝土换填在路基填筑中的应用探究及数值分析［J］.建筑结构，2021（S1）：2 147-2 152.

［2］邱 毅，余 强，陈 强，等.土工格栅和土工格室加筋在公路拓宽工程中的应用对比分析［J］.公路交通技术，2020，36（3）：7-13.

［3］李粒生，谷 波.泡沫轻质混凝土在陡坡路基工程中的应用［J］.现代交通技術，2016，13（3）：21-23，46.

作者简介：陆天龙（1989—），工程师，主要从事公路岩土工程勘察设计、水文地质工作。