我国高速公路边坡支护工程越来越被重视。由于公路施工过程较长,传统的边坡支护方式将边坡开挖完成后,再进行整个边坡的支护,需要经历很长的时间,整个过程导致边坡长期暴露,增加被雨水冲刷及浸泡时间,严重影响坡面和坡体稳定性,若处置不当会造成严重的工程事故。实际工程项目中常用的边坡支护大多是现浇施工工程。朱杰等研究了不同公路边坡实际情况,通过分析高速公路岩土边坡,提出通过植被支护、喷锚支护、挡土墙支护等一些现浇混凝土支护工程。宋琳琼研究了高边坡的地形特点,分析预应力锚索技术,结合现场施工情况浇筑方形锚索框架,通过锚索张拉现浇框架对边坡进行支护。姜坪通过
实际工程案例分析,提出桩基托梁挡土墙施工技术,该技术扩大一般挡土墙支护作用范围。何少琼等通过研究某山区路段工程实例,对于 KS = 1. 09
<1. 3 不满足稳定性要求的边坡用重力式挡土墙进行边坡支护设计,进而提高边坡的稳定性。徐云涛等结合具体高边坡案例,介绍路堑高边坡常用扩宽形式以及稳定性计算方法。孙志明研究提出预制装配式支护结构的设计方案,以实际边坡支护工程为研究背景,结合 ABAQUS 有限元软件,对格构单元的内力分布、格构单元的连接、边坡整体稳定性能做出分析,得出装配式支护结构与传统现浇结构有着相同的应力分布规律,说明装配式支护结构能够满足支护的需求。邢民等提出一种新型逆作法装配式锚索挡土墙的施工技术方法,以不同种类的装配块间的组装作为挡土墙,并设置预应力锚索加固,采用逆作法自上向下逐步施工,提高整体稳定。综上,现有的边坡支护方案多为传统的现浇混凝土护坡结构,但采用传统的现浇混凝土防护及加固技术,施工工程量大并且机械化程度低,导致施工工期长,特别对于山区公路建设交通不便,施工过程需要大量施工设备和材料,材料搬运到施工点困难,导致施工效率极低,并且不能做到对边坡边开挖边支护。所以提出采用预制泡沫轻质装配式边坡支护结构,将构件通过工厂化生产应用到施工现场,可以做到施工过程边开挖边支护。除此之外,相比与传统现浇混凝土施工优化构件生产,保证构件承载能力的同时大大减小构件重量,实现轻质高强,使支护结构安装便捷、防护工程及时,大大缩短工期及人力物力。
1 装配式组合结构设计
节点作为边坡支护结构中的核心部位将整个边坡支护工程连接成整体,提高边坡稳定性。该装配式组合护坡节点结构由上下两层组成,节点上下部分同时有预留对应的定位装置,便于施工的安装对准,见图 1。组合节点结构分层设计,构件施工质量减少约 50%,此外,该分层节点结构通过凹凸碗型定位连接,可以将分层节点更好的连接,便于施工过程高效进行,同时也为该分层构件提供抗滑移力。边坡支护工程是整个支护结构相互联合作用,结构的整体支护能力和力学性能与构件间连接的可靠程度有着直接的关系;使用一个更为便捷可靠的
连接方法,可以直接提高结构安装的进度;高速公路边坡上装配式结构的连接需要考虑边坡土质特征及平整度的影响,所以装配式边坡支护结构的连接与其他装配式建筑物构件的连接不同,构件之间的精准对位难度较大,构件之间的连接必须能适应于各种现场变化因素。为使构件之间的连接实现可靠性、简易性和灵活性等各种要求,构件间的连接采用高强螺栓预紧钢板的连接方法,该连接方法更普遍适用与复杂的现场情况,同时连接简便接头强度可靠,构件间的连接如图 2 所示。

2 轻质化泡沫配合比设计
在分层设计降低施工质量的基础上,同时采用新材料让构件整体达到轻质又高强的目的。本轻质材料配合比设计应用“强度弱化” 原理,先制作 C50
混凝土和高强泡沫混凝土试样,然后在其基础上掺入发泡剂产生不同体积的泡沫置换原配合比中的粗骨料,根据混凝土性能试验结果进一步调整优化配合比,最终获得满足要求的配合比设计方案。根据《普通混凝土配合比设计规范》中有关规定,结合本地以前做的混凝土配合比试验,本次试验初步确定的配合比设计如表 1 所示,水胶比为 0. 29。

根据文献[8] ,泡沫混凝土的基准配合比设计如表 2 所示。

根据水灰比、胶体总量、水泥与矿粉比例、减水剂以及发泡剂掺入量等对泡沫混凝土物理力学性能影响程度的研究成果,本文配合比试配是在 C50 混凝土和泡沫混凝土基准配合比设计的基础上,对水胶比、水泥与矿粉比例以及泡沫含量进行了调整。通过抗压强度试验和抗折性能测试,对水胶比为
0. 2 的高强泡沫混凝土,调整水泥与矿粉的比例,泡沫掺入体积量为 5 L,可配制出密度为 2. 0 × 103 kg /m3、强度为 41 MPa 的轻质高强泡沫混凝土,其最佳
试验配合比为水: 水泥: 矿粉: 砂: 减水剂: 泡沫 =1. 6 ∶ 5. 4 ∶ 2. 6 ∶ 9. 6 ∶ 0. 18 ∶ 5( L) 。
3 数值模拟
针对构件结构形式和配合比设计思路, 通过ABAQUS 对构件进行分层建模,模拟现场实际的连接和受力情况,分析在该思路下节点锚索锚固端、碗口抗滑移处、钢板连接处的应力变化情况,进一步研究结构应力集中处的应力分布与受力情况的关系,有针对性的完善结构的整体性,从而保证装配式护
坡结构的强度。装配式节点构件的混凝土强度等级为 C40,分为上下两个部分,本文轻质泡沫混凝土模型采用 C40 混凝土进行折减,使普通混凝土的 80%强度,其余性能不变。其间预留有一个直径为 86 mm 锚孔,锚孔里嵌有一个套筒,套筒的内径为 76 mm。螺栓连接构件由 15 mm 厚的连接钢板、10 mm 厚的压块、螺杆以及相应的螺帽等几个部件组成。其中连接钢板和螺杆按 Q345 钢材进行建模。各部分具体参数见表 3。

通过 ABAQUS 对节点结构受力状态进行模拟,根据计算得出结构整体应力分布云见图 3,同时模拟得到在该受力情况下节点锚索锚固端、碗口抗滑移处、钢板连接处的局部应力分布云图,见图 4 ~ 6。

由上述计算结果可以看出,节点结构在锚索锚固区存在应力集中现象。在护坡结构中,节点是锚索张拉和封锚的位置,直接承担着锚索的几乎全部预应力荷载;其中锚固区又是节点的核心受力部位,因此锚固端的强度和刚度是锚索发挥作用的关键所在,本文在设计节点时锚孔附近也做了局部加强,提高了配筋率,保证整个节点有足够的强度和刚度。

4 试验结果与分析
4. 1 试验概况
为了进一步研究装配式泡沫轻质混凝土构件上下层的整体性及构件破坏形式,利用与现场施工实际尺寸相同的节点构件进行模拟及验证节点承载性能。试验过程以 100 kN 为步长加载至 400 kN,再以50 kN 为步长加载至 500 kN,每级荷载持荷 8 min。通过加载点位移与百分表数据获得节点加载全程的
荷载-挠度曲线,见图 8;记录每级荷载下节点裂缝的产生及发展,推理其破坏机理,得到加载至最大荷载时节点结构的破坏情况。
4. 2 试验现象
泡沫轻质混凝土节点构件从 0 加载至 150 kN过程中没有观察到裂缝的出现;加载至 150 kN 时听到产生裂缝的声音,在上层十字节点顶部发现一条裂缝然后一直缓慢发展;加载至 250 kN 时裂缝发展到了上层十字节点的侧面;加载至 400 kN 时裂缝已经发展到了上层十字节点侧面的中部;加载至
450 kN 时裂缝发展到了上层十字节点侧面的底部;加载至 500 kN 时上层十字节点最大裂缝达到0. 7 mm,下层节点顶面开始出现裂缝。

4. 3 试验结果分析
泡沫轻质混凝土节点构件加载至 500 kN 时,构件的最大挠度为 5. 508 mm,裂缝开展较少,延性较好,整个试验过程没有达到其最大承载力,最大裂缝
为 0. 7 mm。由实验结果可知,构件裂缝及挠度处于可允许出现范围内,节点结构满足正常使用荷载下的承载力要求。但考虑到构件是野外工作,虽然裂缝在满足正常使用要求,但是裂缝的存在会加速构件中钢筋的氧化,所以构件需要在工厂生产的时候表面做好防水,且保证该防水层有一定的延展力,用来增强构件野外工作的耐久性。
5　结论
1)泡沫轻质混凝土组合节点结构分层设计,构件本身相对于普通混凝土构件减重 20%,又因为构件分层,所以施工质量减少约 50%,此外,该分层节点结构通过凹凸碗型定位连接,可以将分层节点更好的叠合,便于施工过程高效进行。
2)应用“强度弱化”原理,掺入发泡剂产生不同体积的泡沫置换原配合比中的粗骨料,通过抗压强度试验和抗折性能测试,调整水泥与矿粉的比例,得到最佳试验配合比为水 ∶ 水泥 ∶ 矿粉 ∶ 砂 ∶ 减水剂 ∶ 泡沫为 1. 6 ∶ 5. 4 ∶ 2. 6 ∶ 9. 6 ∶ 0. 18 ∶ 5( L) 。

3)高强泡沫混凝土构件在加载过程中最大挠度为5. 508 mm,裂缝产生较少,发展较慢,构件延性较好,最大裂缝为 0. 7 mm,该节点构件可以运用到实际现场作业。节点需要在工厂生产的过程中提前做好防水保护措施,提高构件的耐久性,保证野外工作质量。

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