新材料在城市路堤高邊坡改造中的應(yīng)用

潘 東，何 煉，丁建友

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051）

0 前 言

泡沫輕質(zhì)土作為一種新型建筑材料，其具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、可直立以及施工便利等諸多優(yōu)點(diǎn)［1］。由于其重量?jī)H為普通土的1／3～1／4，常被用于路基拼寬、軟士路基橋臺(tái)回填和管道溝槽回填等工程，解決新老路基交界、路橋交界和溝槽回填等位置的不均勻沉降問(wèn)題［2-5］。此外，泡沫輕質(zhì)土除了具有輕質(zhì)性外，還具有可直立的特性，其在凝固后可直立，因此其對(duì)結(jié)構(gòu)物將不會(huì)產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的側(cè)壓力，這對(duì)于高邊坡等復(fù)雜巖土問(wèn)題的處置來(lái)說(shuō)具有重要意義。因此，本文將依托實(shí)際工程，探索泡沫輕質(zhì)土在城市路堤高邊坡改造中的應(yīng)用，為今后泡沫輕質(zhì)土在類(lèi)似復(fù)雜巖土工程中的運(yùn)用提供參考。

1 現(xiàn)存問(wèn)題

湖南省花垣縣縣政府至鐘佛山大橋新建道路，原設(shè)計(jì)為城市次干道，道路紅線寬22m，雙向四車(chē)道，道路南北兩側(cè)各設(shè)置3m寬人行道，原道路K0＋8.909m～K0＋218.382m段北側(cè)為最大填土高度18m的路堤高邊坡，1∶1.5放坡6m后采用預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻進(jìn)行收坡，預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻錨拉樁直徑2m，相鄰樁中心間距4m，最大樁長(zhǎng)22m，樁身設(shè)置4排預(yù)應(yīng)力錨索，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 邊坡支護(hù)橫斷面示意

而該段道路南側(cè)兩處房屋征拆受阻，導(dǎo)致局部道路紅線寬度不足20m，從而道路南側(cè)人行道無(wú)法保障，給城市居民出行帶來(lái)不便和安全隱患，另外該段道路北側(cè)規(guī)劃為一處水景公園，將作為城市居民的主要休閑娛樂(lè)場(chǎng)所，也對(duì)該道路的品質(zhì)和景觀提出了更高的要求?；谏鲜龇治觯?dāng)前亟待解決的問(wèn)題是利用有限空間提升道路品質(zhì)，滿足城市居民生活和出行需求。

2 解決方案

為了保障城市道路慢行空間，結(jié)合水景公園提升道路品質(zhì)，決定將該段道路原設(shè)計(jì)中心線整體向北側(cè)偏移2m，保障南側(cè)人行道空間，而利用現(xiàn)狀樁板墻頂放坡空間設(shè)置道路北側(cè)分離式人行道，同時(shí)增加人行道寬度兼做為水景公園的觀景平臺(tái)?；谏鲜龅目傮w思路，針對(duì)道路北側(cè)人行道（觀景平臺(tái)）提出2種備選方案。第1種方案是填筑方案，即在原樁板墻頂坡面上繼續(xù)向上填土形成人行道（見(jiàn)圖2）；第2種方案是架空棧道方案，即在樁板墻頂坡面利用現(xiàn)存錨拉樁加設(shè)立柱和在坡面打設(shè)微型樁形成2個(gè)支座，然后架設(shè)鋼筋混凝土預(yù)制搭板形成架空人行道（見(jiàn)圖3）。

圖2 填筑方案橫斷面示意

圖3 架空棧道方案橫斷面示意

其中，架空棧道方案由于內(nèi)側(cè)支座設(shè)置于填土路堤坡面上，路基沉降將對(duì)其產(chǎn)生較大影響，過(guò)大變形甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，結(jié)構(gòu)整體性較差，而且施工難度較大，工期較長(zhǎng)。另外，由于預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻受力復(fù)雜，附加平臺(tái)對(duì)其結(jié)構(gòu)安全難以進(jìn)行定量評(píng)估，因此該方案具有較大的不確定性。而填筑方案整體性較好，而且其對(duì)于路基沉降具有良好的適應(yīng)性，且施工簡(jiǎn)便，工期較短，因此最終決定采用填筑方案。雖然，填筑方案具有整體性好、沉降適應(yīng)性好、施工便捷等優(yōu)勢(shì)，但大量附加填土也勢(shì)必會(huì)對(duì)現(xiàn)狀預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻結(jié)構(gòu)安全造成威脅，造成這一威脅的核心問(wèn)題在于大量附加填土將給樁板墻和其后填土頂面增加較大的附加荷重，從而增大作用于擋土墻上的土壓力。

基于上述對(duì)填筑方案核心問(wèn)題的分析，認(rèn)為填筑方案得于成功實(shí)施的關(guān)鍵在于如何減小人行道填筑體所增加的附加荷重，因此提出采用重度僅為同體積普通土重度的1／4～1／3的泡沫輕質(zhì)土［1-2］替換普通土體進(jìn)行人行道填筑。

具體方案為先對(duì)現(xiàn)狀坡面進(jìn)行挖臺(tái)階并夯實(shí)處理，然后在樁板墻錨拉樁頂設(shè)置一“L”型鋼筋混凝土薄面板墻，并設(shè)置2排錨桿，在面板墻與挖臺(tái)階后的坡面間采用濕重度γ＝4kN／m3，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.4MPa的泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行填筑形成分離式人行道，填筑高度4.5m，人行道寬度約7.5m，最終方案標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖見(jiàn)圖4。

圖4 最終方案標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意（單位：cm）

3 方案驗(yàn)證

為對(duì)上述方案進(jìn)行驗(yàn)證，本文借助有限元軟件Plaxis建立平面應(yīng)變模型（見(jiàn)圖5）。模型沿道路縱向計(jì)算長(zhǎng)度為1m，模型左右兩側(cè)節(jié)點(diǎn)均約束水平方向位移，底邊節(jié)點(diǎn)同時(shí)約束水平和豎向位移。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)邊坡工程實(shí)際地層狀況，模型自下而上是中風(fēng)化白云巖、強(qiáng)風(fēng)化白云巖，邊坡填土為路基填料。模型中錨拉樁、預(yù)應(yīng)力錨索自由段和錨固段分別采用板單元、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元和土工格柵單元進(jìn)行模擬，其中假定錨固體軸向?yàn)閯傂裕豢紤]其與地層間的蠕變，結(jié)構(gòu)與巖土層之間的相互作用采用界面單元模擬，模型中所涉及巖土體單元材料均采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，相應(yīng)的巖土物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1；結(jié)構(gòu)單元材料均采用彈性本構(gòu)模型，材料物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)取值

表2 結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)取值

基于上述有限元數(shù)值模型，針對(duì)人行道施工前后預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻受力情況以及邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，人行道施工后，現(xiàn)狀錨拉樁板墻樁頂位移、樁身最大剪力、錨索最大軸向拉力均有略微增大，邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)略有減小，但仍處于安全范圍以?xún)?nèi)。另外，樁身軸力增大的同時(shí)，樁身最大彎矩在減小，這對(duì)于主要承受壓彎的樁體受力來(lái)說(shuō)是有利的。

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

基于上述計(jì)算結(jié)果分析，可以表明人行道施工不會(huì)危及現(xiàn)狀樁板墻結(jié)構(gòu)安全，采用泡沫輕質(zhì)土填筑形成人行道（觀景平臺(tái)）的方案是合理可行的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本工程中通過(guò)合理運(yùn)用泡沫輕質(zhì)土這種新型建筑材料，充分發(fā)揮了其輕質(zhì)、高強(qiáng)、可直立等優(yōu)勢(shì)，使得在投資持平的情況下，仍取得如下社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益：

（1）有效解決了房屋拆遷問(wèn)題，在有限的空間中拓展出城市公共休閑空間，城市土地資源利用更加合理、高效。

（2）人行道同時(shí)為絕佳觀景平臺(tái)，道路與公園統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、有機(jī)融合，打造出立體景觀效果，城市生活更佳悠然自得。

（3）保障了城市道路慢行與無(wú)障礙通行需求，消除道路視覺(jué)高差，給路面行車(chē)以安全感，分離式人行道最大程度保障了行人安全。

實(shí)踐表明，泡沫輕質(zhì)土作為一種新型的建筑材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、直立性等優(yōu)點(diǎn)，以及減輕荷重、減小土壓力等作用，可推廣到各類(lèi)巖土工程中以解決一些復(fù)雜的問(wèn)題，如能恰當(dāng)應(yīng)用，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，必將獲得良好的效果和收益。