施工过程及行车荷载下泡沫轻质土边坡稳定性分析

■蔡炎福

（1.长汀县交通工程管理站，龙岩 366300；2.长汀县汀兴交通基础设施投资有限公司，龙岩 366300）

1 引言

随着中国交通业的快速发展，大量的公路面临着改扩建。 气泡混合轻质土由于具有密度比一般土体小，强度和密度可以调整，气泡的体积含有率、导热系数小，耐震、隔热、隔音及抗冻融性能好，便于施工，固化后可直立的特点[1-3]，在公路工程中有着广泛的运用， 主要用于道路改扩建工程的路基加宽、危险边坡的滑坡处治、桥梁台背填土工程及因各种原因形成的空洞填筑工程。 国内许多学者都对气泡混合轻质土的性能进行了相关研究： 顾欢达等[4]分析了影响气泡轻质土工材料施工稳定性的因素，对气泡轻质土的流动性、分离性与压送性及相应的影响因素进行了研究；赵全胜等[5]进行气泡混合轻质土变形特性三轴试验研究，研究表明气泡混合轻质土的变形包括压密阶段、线弹性变形阶段、应变硬化和应变软化4 个阶段；王丽娟等[6]深入分析了混凝土拌合至初凝阶段、材料硬化过程及材料使用过程中泡沫混凝土的微观结构，并研究泡沫混凝土的微观结构对宏观性能的影响机理；李章珍等[7]进行了干湿循环条件下气泡轻质土耐久性的试验研究，重点对气泡混合轻质土水稳性的变化规律进行了研究。 裘友强等[8]进行了泡沫轻质土的疲劳性能及工程应用研究，对泡沫轻质土进行了四点弯曲小梁疲劳实验并研究其疲劳曲线。 综上所述，学者们虽然对泡沫轻质土的施工稳定性、力学性能与微观结构都进行了深入的研究，但主要是偏向于理论研究，对于施工及运营过程中泡沫轻质土的各项性能及安全系数缺乏系统分析。 因此，本文以福建某公路的工程实际简化为模型，采用泡沫轻质土作为路基填料进行道路扩建，运用Hydrus 2D/3D 软件建模并进行边坡稳定性模拟，探析施工过程及行车荷载下泡沫轻质土边坡稳定性的变化规律。

2 工程概况及模型概化

试验以福建某公路改扩建工程路基拼宽段为依托， 该拼宽段原设计采用扶壁式挡墙进行支挡，挡墙下打设微型桩， 两侧采用衡重式挡墙进行过渡。 由于原公路路基高度达四阶，高度较大，且原填土路基采用加筋处理，如施作扶壁式挡墙对原有路基边坡开挖较大，施工周期较长，加之施工期处于台风季节，现场暴雨频繁，气候条件不利，可能对运营中的公路产生不利影响，形成安全隐患。 综合以上因素，对该段路基拼宽设计方案进行调整，采用泡沫轻质土作为路基填料进行道路的扩建。 其中轻质土分为两个阶梯，第一阶梯宽2.5 m，厚1.0 m，第二阶梯宽5.0 m，厚2.2 m。泡沫轻质土上方为0.7 m厚路面基层，路基右侧为20 cm 厚的C25 混凝土挡墙。 另外，路基整体处于一边坡上，边坡坡比为1∶1.5，通过简化处理概化计算模型如图1 所示。

图1 计算模型概化

3 施工步骤及数值模拟

采用分步施工的方法进行分层填筑。 如图2 所示，共分为5 个步骤（即5 个工况）：第一步为开挖后的路基边坡；第二步为浇筑第一层泡沫轻质土至第一阶梯处，即填筑1.0 m 厚；第三步为浇筑第二层泡沫轻质土至第二阶梯处，即填筑2.2 m 厚；第四步为回填0.7 m 厚路面基层，即填筑完成；另外，为了分析行车荷载作用下下边坡的稳定性，当土层全部填筑完成时， 以最上层另加铺1.0 m 厚土层模拟行车荷载作为第五步进行计算分析。

图2 施工步骤示意图

3.1 模型建立

按照简化的计算模型（图1）及各施工阶段具体情况运用Hydrus 2D/3D 软件分别建立有限元模型。填筑前路基断面及网格划分设置如图3 所示，其中设置底部和两侧为无流动边界，其他部分均设置为大气边界，并限制模型两侧的水平位移及底部的水平和竖向位移。相关计算参数如表1 所示。同时，为了进行更详细的数据分析，设置5 个监测点（图3），其坐标分别为 （250,670）、（650,450）、（950,350）、（1035,280）、（1500,0）。 其中土体、泡沫轻质土采用摩尔库伦本构模型，混凝土挡墙采用线弹性本构模型。 其他各施工阶段模型建立与此类似。

图3 初始阶段模型网格划分及监测点布置

3.2 初始条件

以压水头为初始条件， 初始水位线如图4 所示。 其中水位线以上为非饱和土体，其孔隙水压力为负值，且逐渐减小；水位线以下为饱和土体，压力水头随着深度的增加呈正增长。

图4 初始水头

3.3 计算参数

土样取自研究区边坡，通过实验室试验测得土体密度（ρ）、粘聚力（c）、内摩擦角（φ）和杨氏模量（E）等参数，各路基材料参数如表1 所示。

表1 路基材料参数

4 结果与分析

4.1 内力分析

各施工阶段下边坡最大总应力云图如图5 所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）分别为填筑前、第一层泡沫轻质土填筑完成、第二层泡沫轻质土填筑完成、全部填筑完成，以及模拟施加行车荷载作用下时边坡最大总应力分布。

图5 各施工阶段边坡最大总应力云图

由图5 可知，边坡土体各点总应力随其覆土高度的增加整体呈现增大的趋势，因此随着施工进度的进行边坡土体内部各点所受总应力不断增加。 此外， 施工过程中各阶梯右下角处由于应力集中现象，局部总应力有突增现象，并且阶梯高度越大越明显，施工过程中应当给予一定的重视。

4.2 稳定性分析

各施工阶段下边坡局部安全系数场分布图如图6 所示，其中（a）、（b）、（c）、（d）分别为填筑前、第一层泡沫轻质土填筑完成、第二层泡沫轻质土填筑完成及全部填筑完成时边坡安全系数场分布。 此外，图6（e）为模拟行车荷载作用下边坡局部安全系数场分布图。

图6 各施工阶段边坡安全系数场

由图6 可知， 边坡表层安全系数相对较大，较深层处由于所受自重应力较大安全系数逐渐减小，且相同深度处， 泡沫轻质土层安全系数相对较大。另外， 各阶梯水平面层中间部分安全系数最大，相对较稳定，而各阶梯右下角处（图中标注处）为相对危险点，且阶梯高度越大安全系数越小。 按照施工顺序各施工阶段安全系数最小值分别为1.5、1.5、1.4、1.2，最大值分别为141.8、3133.3、1933.0、531.3。可见， 边坡安全系数最小值随着填土逐渐减小，而安全系数最大值除去初始状态未填筑泡沫轻质土层时也逐渐减小。 而由初始状态至填筑第一层泡沫轻质土时，安全系数出现突增现象，主要是由于填筑的泡沫轻质土强度高、性能好，相对较稳定。

另外，可见整个施工全过程及在行车荷载作用下， 边坡各点安全系数均大于1， 基本处于安全范围。但是各阶梯右下角危险点处安全系数接近于1，施工过程中仍应给予一定重视，如可通过增加更多分层进行气泡轻质土的浇筑，减小每个阶梯段的高度，或对危险点处进行局部加固处理。

图7 为随施工过程（包括行车荷载）阶段变化的各监测点安全系数的变化曲线。 由图7 可知，各监测点安全系数随施工过程整体呈现减小趋势，除监测点D 处外，各监测点安全系数降至5 左右逐渐趋于稳定。另外，已知监测点D 处为最危险点，随着施工过程安全系数从初始值8.86 逐渐减小至1.12，但整体仍处于安全范围。对于监测点A 和B 处在第一层填筑时安全系数出现增加的现象，是由于监测点A、B 位于第一层填筑的泡沫轻质土左侧，对于边坡左侧土起到支挡的作用， 更有利于其稳定性，但随着土体继续填筑， 由于受到上层土体的压力等，安全系数逐渐降低。

图7 各监测点安全系数变化曲线

5 结论

本文以福建省某公路的工程实际简化为模型，运用Hydrus 2D/3D 软件建模并进行边坡稳定性模拟。 结果表明：（1）边坡表层安全系数相对较大，较深层处由于所受自重应力较大安全系数逐渐减小，且相同深度处， 泡沫轻质土层安全系数相对较大。（2）各阶梯水平面层中间部分安全系数最大，相对较稳定，而各阶梯右下角处为相对危险点，且阶梯高度越大安全系数越小，监测点D 处最为明显。 各监测点安全系数随施工过程推进，整体呈现减小趋势，但随着施工过程减小幅度逐渐缩小，最终逐渐趋于稳定。 （3）整个施工全过程及在行车荷载作用下， 边坡各点安全系数均大于1， 基本处于安全范围。但是各阶梯右下角危险点处安全系数接近于1，施工过程中仍应给予一定重视，如可通过增加更多分层进行气泡轻质土的浇筑，减小每个阶梯段的高度，或对危险点处进行局部加固处理。