土體參數(shù)對(duì)改良黃土邊坡變形的影響

朱雪芳王紅肖　王銀梅苗世超

摘要：為了探討固化劑SH改良黃土邊坡的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡變形的影響，以山西太原的濕陷性黃土為研究對(duì)象，進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，測(cè)得了不同含水率下改良黃土的內(nèi)摩擦角和黏聚力；并以此試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，基于有限元ABAQUS軟件分析了不同含水率、彈性模量和泊松比對(duì)邊坡變形的影響。研究結(jié)論顯示：固化劑SH能明顯提高黃土的抗剪強(qiáng)度；含水率對(duì)改良黃土邊坡變形的影響較大，但泊松比對(duì)改良黃土邊坡變形幾乎沒有影響。研究結(jié)論為固化劑SH在黃土地區(qū)的推廣使用提供了一定的參考價(jià)值，并對(duì)實(shí)際邊坡工程的設(shè)計(jì)、治理提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：改良黃土；內(nèi)摩擦角；黏聚力；變形

中圖分類號(hào)：TU444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

16721683（2016）05016706

Effects of soil parameters on deformation of improved loess slope

ZHU Xuefang1，WANG Hongxiao1，2，WANG Yinmei1，MIAO Shichao1

（1.College of Water Resource Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China2.Water conservancy and hydropower survey design institute，Shijiazhuang City，Shijiazhuang 050011，China）

Abstract：This work aimed to study the physical and mechanical parameters which influence the deformation of improved Loess slope.Using the collapsible loess taken from Shanxi Taiyuan as the object of study，direct shear test was carried out，cohesion and the internal friction angle of improved loess were obtained under different water contents；and then based on the testing data，the finite element software ABAQUS was used to discuss the effect of different moisture content，elastic modulus and Poisson′s ratio on slope deformation.The result of the study showed that：The solidified agent SH could improve the shear strength of loess；The water content had great effect on deformation of improved loess slope，Poisson ratio had almost no effect on deformation of improved loess slope.The research results provide certain reference value for the promotion of solidified agent SH in the loess area，and also give theoretical references for the design and management of the actual slope engineering.

Key words：loess improvement；internal friction angle；cohesion；deformation

近年來(lái)，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)正在向甘肅、陜西、寧夏、西藏等地區(qū)進(jìn)軍。而山西、甘肅、寧夏、陜西等地黃土分布較廣，且發(fā)育完整、厚度較大。黃土的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、孔隙大、壓縮性小、遇水后極易崩解且強(qiáng)度明顯降低。由于黃土特有的水敏性的存在，黃土地區(qū)邊坡在水和荷載的作用下極易出現(xiàn)崩塌、滑坡、錯(cuò)落等現(xiàn)象，給人民的生產(chǎn)、生活埋下了隱患。因此，在黃土地區(qū)邊坡、路基等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，應(yīng)首先進(jìn)行黃土改良，使其能夠滿足工程建設(shè)的要求。王銀梅等[12]研究發(fā)現(xiàn)固化劑[HJ2.08mm]SH摻入到黃土中，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加，濕陷性消失，抗凍性、抗?jié)B性、抗老化性及水穩(wěn)定性較好，本文采用固化劑SH對(duì)邊坡進(jìn)行改良。

目前，邊坡問題研究的重點(diǎn)是求解安全系數(shù)[35]、邊坡穩(wěn)定的敏感性分析[68]、搜索滑裂面[910]等。一些學(xué)者還對(duì)物理、力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡變形的影響進(jìn)行了研究。李靖等[11]通過改進(jìn)Bishop法得到了黃土邊坡穩(wěn)定性分析圖表，在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。劉志偉[12]研究發(fā)現(xiàn)土體力學(xué)參數(shù)是影響邊坡可靠性的主要因素，且隨著黏聚力和內(nèi)摩擦角增加，邊坡的最大隆起位移和最大下滑位移均有所減小。杜太亮[13]等基于有限差分軟件FLAC，進(jìn)行了物理參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、邊坡形狀對(duì)邊坡水平位移和豎向位移的影響，研究發(fā)現(xiàn)，黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡位移的影響是相互依存的。李春忠和陳國(guó)興等[14]用ABAQUS軟件分析邊坡的穩(wěn)定性，并定義了最小穩(wěn)定安全系數(shù)。但是國(guó)內(nèi)外對(duì)改良土體的變形的研究比較匱乏，因此，對(duì)改良黃土的水平位移、豎向位移的研究具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。本文對(duì)取自山西太原濕陷性黃土進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)，得到了不同含水率下改良黃土的內(nèi)摩擦角和黏聚力，并以此為基礎(chǔ)，基于大型數(shù)值分析軟件ABAQUS進(jìn)行了改良黃土邊坡變形研究，并且分析了彈性模量、泊松比、含水率對(duì)變形的影響。研究結(jié)論為固化劑SH在黃土地區(qū)的推廣使用提供了一定的參考價(jià)值，并對(duì)實(shí)際邊坡工程的設(shè)計(jì)、治理提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 黃土的物理力學(xué)性質(zhì)

黃土取自山西省太原市汾河二庫(kù)，屬于低液限粉質(zhì)黏土。按照土工試驗(yàn)規(guī)程（SL237-1999）[15]該黃土的顆粒組成成分：2～005 mm顆粒占228%，005～0005 mm顆粒占648%，小于0005 mm顆粒占228%，不均勻系數(shù)為875，曲率系數(shù)231。物理性質(zhì)指標(biāo)是：含水率為89%，密度14 5g/cm3，最優(yōu)含水率182%，液限301%，塑限192%，黏聚力1564 kPa，內(nèi)摩擦角1091°。

1.2 固化劑的改良機(jī)理

固化劑SH主要成分為聚乙烯醇，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，密度為127～131 g/cm3， 可無(wú)限稀釋；無(wú)毒無(wú)刺激性；常溫下即可加固，具有高效性、持久性。SH對(duì)沙、土顆粒有包裹、填充和膠結(jié)的作用，其大分子鏈上含有的-COOH、-OH會(huì)與土顆粒發(fā)生吸附、絡(luò)合、離子交換等物理化學(xué)反應(yīng)，使土體變成堅(jiān)固且富有彈性的網(wǎng)狀凝膠體，主鏈C-C具有憎水性，且反應(yīng)具有不可逆性，故可廣泛用于固土、治沙[16]。

1.3 試驗(yàn)方法

通過直接剪切試驗(yàn)可以獲得試樣的兩個(gè)重要指標(biāo)：內(nèi)摩擦角和黏聚力，可為后面邊坡的穩(wěn)定性分析提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前首先應(yīng)將取回來(lái)的黃土進(jìn)行粉碎，并過2 mm篩，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)取量。繼而將固化劑SH摻量（溶質(zhì)含量5%）摻加到定量的黃土中，最后加入一定量的水，使得土樣的含水量（固化劑SH的溶劑水含量與最后加入的水量之和）達(dá)到設(shè)計(jì)含水率。拌合均勻，并用黑色塑料袋密封，靜置12 h，分三次將土料裝入6×4 cm環(huán)刀中制樣，其中前兩次要對(duì)土樣的接觸面進(jìn)行刮毛，以使得后加入的土料與前面壓實(shí)的土料充分接觸，最后將制成的土樣脫模，放置與室內(nèi)自然風(fēng)干到一定的時(shí)間。每組4個(gè)試樣，取平行樣4～5個(gè)。最后采用的是EDJ1型電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀，對(duì)直剪盒內(nèi)的土樣分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向應(yīng)力，然后記錄量力環(huán)的讀數(shù)，最后計(jì)算出抗剪強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角和黏聚力。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

本文選取10%摻量SH來(lái)探究含水率對(duì)改良黃土抗剪強(qiáng)度的影響，圖1、圖2給出了不同含水率對(duì)改良黃土內(nèi)摩擦角和黏聚力的關(guān)系曲線。

由圖2可知，隨著含水率的增加，黏聚力呈急劇減小的趨勢(shì)；相對(duì)于內(nèi)摩擦角，含水率對(duì)黏聚力的影響較大；當(dāng)含水率為2134%時(shí)，黏聚力為678，較648%含水率的改良黃土減小964%，可見含水率對(duì)改良黃土的抗剪強(qiáng)度影響顯著。

當(dāng)黃土中加入固化劑SH后，遇水大分子鏈上的親水羧基（COOH）通過強(qiáng)電荷的作用生成氫鍵，從而膠結(jié)成一個(gè)穩(wěn)定的整體。土的內(nèi)摩擦角主要是由顆粒間的滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦兩部分組成，黏聚力主要由顆粒膠結(jié)力和水膜連接力構(gòu)成。水是一種潤(rùn)滑劑，當(dāng)含水率較小時(shí)，由于顆粒表層接觸面不平整，相鄰顆粒間相對(duì)位移阻礙較大，故土體摩擦角較大；而顆粒間的水膜連接力較大，從而黏聚力較大。隨著含水率的增加，顆粒表層接觸面開始變得光滑平整，相鄰顆粒的相對(duì)位移阻力開始變小，所以內(nèi)摩擦角變??；但水膜厚度增加，其連接力開始變小，顆粒間的膠結(jié)作用被消弱，當(dāng)土體完全飽和時(shí)，水膜連接力消失，僅剩少許的顆粒膠結(jié)力，因此黏聚力較小。

2 強(qiáng)度折減法的基本原理

Zienkiewicz[17]等提出抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)SSR（shear strength reduction factor）：當(dāng)外界荷載保持不變時(shí)，土質(zhì)邊坡提供的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載作用下邊坡所能承受的最大剪應(yīng)力的比值。而1955年bishop認(rèn)為安全系數(shù)是整體滑裂面的抗滑強(qiáng)度與實(shí)際產(chǎn)生剪應(yīng)力的比值。Matsui和San[18]又結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法來(lái)分析人工填筑邊坡和開挖邊坡的穩(wěn)定性?？梢姡艏僭O(shè)邊坡內(nèi)的所有土體抗剪強(qiáng)度相同，抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)與極限平衡法定義的安全系數(shù)的定義是吻合的。

基本原理：逐步折減土質(zhì)邊坡的基本物理參數(shù)內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c，當(dāng)模型單元應(yīng)力超出屈服強(qiáng)度，將把其不能承受的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到周圍土體單元，如果屈服點(diǎn)貫通成連續(xù)滑動(dòng)面，土體則失穩(wěn)。數(shù)值計(jì)算時(shí)，不斷增加折減系數(shù)Fr，當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí)，即達(dá)到了臨空破壞，此時(shí)的折減系數(shù)稱為安全系數(shù)。折減系數(shù)的基本方程如下：

3 模型的建立及結(jié)果分析

3.1 有限元模型的建立

建立高20 m，寬50 m的均質(zhì)黃土邊坡，見圖3。將固化劑SH摻入黃土的厚度取為10 cm。實(shí)際工程中將固化劑摻入到邊坡時(shí)，應(yīng)首先挖除坡面表層01 m后的土體，按照室內(nèi)試驗(yàn)的方法，首先將土體碾碎，并加入固化劑SH進(jìn)行表層土體固化，最后將固化后的土體置于原位壓實(shí)即可。

3.2 屈服準(zhǔn)則和流動(dòng)準(zhǔn)則

ABAQUS中的MohrCoulomb模型是改進(jìn)版的MohrCoulomb模型，材料各項(xiàng)同性，且光滑沒有尖角，保證了流動(dòng)方向的單一性[19]。本文在采用強(qiáng)度折減法求解邊坡穩(wěn)定性時(shí)，采用理想的彈塑性模型MohrCoulomb，它是基于土體破壞時(shí)應(yīng)力莫爾圓提出的，其屈服準(zhǔn)則假設(shè)： 當(dāng)作用在土體上的剪應(yīng)力等于該處的抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體破壞。其公式為：

3.3 結(jié)果分析

邊坡模型選用前面的均質(zhì)黃土邊坡，由于固化劑SH摻入邊坡的厚度較小，因而忽略固化劑對(duì)邊坡土體容重和彈性模量及泊松比的影響，即改良黃土邊坡容重γ=145 kPa/m3，彈性模量E=350 MPa，泊松比μ=03[20]，不同含水率下的內(nèi)摩擦角和黏聚力取自上面直剪試驗(yàn)，經(jīng)固化劑SH改良后的內(nèi)摩擦角取2176°，黏聚力取19797 kPa[2]。采用關(guān)聯(lián)流動(dòng)準(zhǔn)則，剪脹角Ψ=φ（內(nèi)摩擦角）。

3.3.1 彈性模量對(duì)邊坡變形的影響

當(dāng)改良黃土邊坡在自然條件下，邊坡的形狀不變，即坡角、坡高不變，抗剪強(qiáng)度的力學(xué)參數(shù)內(nèi)摩擦角和黏聚力不變，也不考慮土體材料泊松比的變化，單一的改變土體的彈性模量，而進(jìn)行的邊坡水平位移、豎向位移變化分析，稱為彈性模量對(duì)改良黃土邊坡變形的影響。

由圖4可以看出，隨著彈性模量的增加，改良黃土的變形呈減小的趨勢(shì)。當(dāng)彈性模量為1e+6Pa、1e+7Pa時(shí)，邊坡的最大水平位移、最大隆起位移和最大下滑位移變化較?。划?dāng)彈性模量為1e+8Pa時(shí)，邊坡的最大水平位移和最大下滑位移均減小了約1 cm，最大隆起位移減小了06 cm，有了一定的變化，但變化較小，可以忽略；而當(dāng)彈性模量為1e+10Pa時(shí)，邊坡的最大水平位移為0137 cm、最大隆起位移為0063 cm、最大下滑位移為0115 cm，可見各項(xiàng)變形均很小；但考慮到黃土的彈性模量單位一般為MPa，而在1e+9Pa時(shí)，各項(xiàng)變形是比較小的，因此彈性模量是可以取經(jīng)驗(yàn)值的。

3.3.2 泊松比對(duì)邊坡變形的影響

從圖5可以看出，隨著泊松比的增加，邊坡的各項(xiàng)變形很小，基本成水平直線；邊坡水平位移較大，其次是最大下滑位移，最大隆起位移較小；當(dāng)泊松比為02～04時(shí)，邊坡水平位移為3946～3905，最大隆位移為1831～1819，最大下滑位移則為3306～3271，相對(duì)泊松比的變化來(lái)說(shuō)，各項(xiàng)位移均變化較小，可見，泊松比對(duì)邊坡變形影響較小，因此，本文采用經(jīng)驗(yàn)值是比較合理的。

4 結(jié)論

（1） 將固化劑SH摻入到黃土后，其抗剪強(qiáng)度明顯提高，內(nèi)摩擦角和黏聚力增加。

（2） 隨著彈性模量、泊松比和含水率的增加，改良黃土邊坡水平位移、隆起位移和下滑位移均有不同程度的增加，其中水平位移變化最大。

（3） 對(duì)比彈性模量、泊松比和含水率對(duì)改良黃土邊坡變形的影響，發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)邊坡變形的影響較大，彈性模量次之，泊松比對(duì)邊坡變形的幾乎沒有影響。因此，需格外重視含水率的變化對(duì)邊坡變形的檢測(cè)，防止事故發(fā)生。

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