新材料在城市路堤高边坡改造中的应用

潘 东，何 炼，丁建友

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

0 前 言

泡沫轻质土作为一种新型建筑材料，其具有高强、轻质、可直立以及施工便利等诸多优点［1］。由于其重量仅为普通土的1／3～1／4，常被用于路基拼宽、软士路基桥台回填和管道沟槽回填等工程，解决新老路基交界、路桥交界和沟槽回填等位置的不均匀沉降问题［2-5］。此外，泡沫轻质土除了具有轻质性外，还具有可直立的特性，其在凝固后可直立，因此其对结构物将不会产生或产生很小的侧压力，这对于高边坡等复杂岩土问题的处置来说具有重要意义。因此，本文将依托实际工程，探索泡沫轻质土在城市路堤高边坡改造中的应用，为今后泡沫轻质土在类似复杂岩土工程中的运用提供参考。

1 现存问题

湖南省花垣县县政府至钟佛山大桥新建道路，原设计为城市次干道，道路红线宽22m，双向四车道，道路南北两侧各设置3m宽人行道，原道路K0＋8.909m～K0＋218.382m段北侧为最大填土高度18m的路堤高边坡，1∶1.5放坡6m后采用预应力锚索桩板墙进行收坡，预应力锚索桩板墙锚拉桩直径2m，相邻桩中心间距4m，最大桩长22m，桩身设置4排预应力锚索，标准横断面如图1所示。

图1 边坡支护横断面示意

而该段道路南侧两处房屋征拆受阻，导致局部道路红线宽度不足20m，从而道路南侧人行道无法保障，给城市居民出行带来不便和安全隐患，另外该段道路北侧规划为一处水景公园，将作为城市居民的主要休闲娱乐场所，也对该道路的品质和景观提出了更高的要求。基于上述分析，当前亟待解决的问题是利用有限空间提升道路品质，满足城市居民生活和出行需求。

2 解决方案

为了保障城市道路慢行空间，结合水景公园提升道路品质，决定将该段道路原设计中心线整体向北侧偏移2m，保障南侧人行道空间，而利用现状桩板墙顶放坡空间设置道路北侧分离式人行道，同时增加人行道宽度兼做为水景公园的观景平台。基于上述的总体思路，针对道路北侧人行道（观景平台）提出2种备选方案。第1种方案是填筑方案，即在原桩板墙顶坡面上继续向上填土形成人行道（见图2）；第2种方案是架空栈道方案，即在桩板墙顶坡面利用现存锚拉桩加设立柱和在坡面打设微型桩形成2个支座，然后架设钢筋混凝土预制搭板形成架空人行道（见图3）。

图2 填筑方案横断面示意

图3 架空栈道方案横断面示意

其中，架空栈道方案由于内侧支座设置于填土路堤坡面上，路基沉降将对其产生较大影响，过大变形甚至可能导致结构失效，结构整体性较差，而且施工难度较大，工期较长。另外，由于预应力锚索桩板墙受力复杂，附加平台对其结构安全难以进行定量评估，因此该方案具有较大的不确定性。而填筑方案整体性较好，而且其对于路基沉降具有良好的适应性，且施工简便，工期较短，因此最终决定采用填筑方案。虽然，填筑方案具有整体性好、沉降适应性好、施工便捷等优势，但大量附加填土也势必会对现状预应力锚索桩板墙结构安全造成威胁，造成这一威胁的核心问题在于大量附加填土将给桩板墙和其后填土顶面增加较大的附加荷重，从而增大作用于挡土墙上的土压力。

基于上述对填筑方案核心问题的分析，认为填筑方案得于成功实施的关键在于如何减小人行道填筑体所增加的附加荷重，因此提出采用重度仅为同体积普通土重度的1／4～1／3的泡沫轻质土［1-2］替换普通土体进行人行道填筑。

具体方案为先对现状坡面进行挖台阶并夯实处理，然后在桩板墙锚拉桩顶设置一“L”型钢筋混凝土薄面板墙，并设置2排锚杆，在面板墙与挖台阶后的坡面间采用湿重度γ＝4kN／m3，无侧限抗压强度不小于0.4MPa的泡沫轻质土进行填筑形成分离式人行道，填筑高度4.5m，人行道宽度约7.5m，最终方案标准横断面图见图4。

图4 最终方案标准横断面示意（单位：cm）

3 方案验证

为对上述方案进行验证，本文借助有限元软件Plaxis建立平面应变模型（见图5）。模型沿道路纵向计算长度为1m，模型左右两侧节点均约束水平方向位移，底边节点同时约束水平和竖向位移。

图5 数值计算模型

根据边坡工程实际地层状况，模型自下而上是中风化白云岩、强风化白云岩，边坡填土为路基填料。模型中锚拉桩、预应力锚索自由段和锚固段分别采用板单元、点对点锚杆单元和土工格栅单元进行模拟，其中假定锚固体轴向为刚性，不考虑其与地层间的蠕变，结构与岩土层之间的相互作用采用界面单元模拟，模型中所涉及岩土体单元材料均采用摩尔-库仑本构模型，相应的岩土物理力学参数取值见表1；结构单元材料均采用弹性本构模型，材料物理力学参数取值见表2。

表1 岩土物理力学参数取值

表2 结构材料物理力学参数取值

基于上述有限元数值模型，针对人行道施工前后预应力锚索桩板墙受力情况以及边坡整体稳定性进行计算分析，计算结果如表3所示。从表3中可以看出，人行道施工后，现状锚拉桩板墙桩顶位移、桩身最大剪力、锚索最大轴向拉力均有略微增大，边坡整体稳定安全系数略有减小，但仍处于安全范围以内。另外，桩身轴力增大的同时，桩身最大弯矩在减小，这对于主要承受压弯的桩体受力来说是有利的。

表3 稳定性计算结果

基于上述计算结果分析，可以表明人行道施工不会危及现状桩板墙结构安全，采用泡沫轻质土填筑形成人行道（观景平台）的方案是合理可行的。

4 结 语

本工程中通过合理运用泡沫轻质土这种新型建筑材料，充分发挥了其轻质、高强、可直立等优势，使得在投资持平的情况下，仍取得如下社会经济效益：

（1）有效解决了房屋拆迁问题，在有限的空间中拓展出城市公共休闲空间，城市土地资源利用更加合理、高效。

（2）人行道同时为绝佳观景平台，道路与公园统筹协调、有机融合，打造出立体景观效果，城市生活更佳悠然自得。

（3）保障了城市道路慢行与无障碍通行需求，消除道路视觉高差，给路面行车以安全感，分离式人行道最大程度保障了行人安全。

实践表明，泡沫轻质土作为一种新型的建筑材料，具有轻质、高强、直立性等优点，以及减轻荷重、减小土压力等作用，可推广到各类岩土工程中以解决一些复杂的问题，如能恰当应用，充分发挥其优势，必将获得良好的效果和收益。