高分子固化劑加固土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析

汪 勇，劉 瑾，張 達(dá)，馮 巧，亓孝輝，馮嘉馨

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

高分子固化劑加固土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析

汪 勇，劉 瑾，張 達(dá)，馮 巧，亓孝輝，馮嘉馨

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

分析高分子固化劑的加固機(jī)理，并利用室內(nèi)試驗(yàn)測得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，采用Slide軟件進(jìn)行數(shù)值建模，主要研究在不同邊坡坡比工況下，固化劑的濃度和加固厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：高分子固化劑的護(hù)坡機(jī)理主要為高分子固結(jié)成膜加固，植被根系的錨固和加筋作用。高分子固化劑對(duì)于不同坡比工況下的邊坡穩(wěn)定性的提高均具有積極的作用。在同一坡比工況下，加固深度對(duì)于穩(wěn)定性的影響受其他因素相關(guān)性小，而固化劑濃度對(duì)于穩(wěn)定性的影響受本身穩(wěn)定性系數(shù)影響，與其他因素相關(guān)性較大。當(dāng)邊坡坡比越小時(shí)，即原坡面穩(wěn)定性系數(shù)越小時(shí)，加固后穩(wěn)定性系數(shù)增加的比例越小。高分子固化劑應(yīng)用到工程邊坡上，促進(jìn)邊坡坡面的植被生長與恢復(fù)，根被根系的加固作用將更有利于提高邊坡的穩(wěn)定性。

高分子固化劑；土質(zhì)邊坡；加固機(jī)理；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

大量修建的城市基礎(chǔ)設(shè)施以及大型交通工程和水利工程中天然裸露坡面或開挖造成的新鮮坡面，在降雨等條件的作用下，容易造成坡面及周邊水土流失、植被破壞嚴(yán)重等問題。傳統(tǒng)的護(hù)坡方式達(dá)不到當(dāng)今社會(huì)對(duì)于節(jié)省人力、追求綠色環(huán)保的理念[1-2]。生態(tài)護(hù)坡的理念已漸漸成為工程首選方案。將高分子固化劑運(yùn)用在邊坡加固上，對(duì)土壤的強(qiáng)度進(jìn)行改善，同時(shí)也有利于植被的恢復(fù)，從而達(dá)到提高土體穩(wěn)定和防治水土流失的目的[3-6]。目前的研究主要集中在對(duì)高分子固化劑的研發(fā)和固化機(jī)理的探討階段[7-9]，對(duì)于高分子固化劑在工程加固方面的實(shí)用效果和工況變化對(duì)于加固影響缺少較為全面的研究。本論文利用Slide軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)固化劑濃度、加固深度、邊坡坡比等因素進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，得出高分子固化劑加固效果的變化情況。本課題組選用了STW型高分子固化劑作為研究對(duì)象，室內(nèi)試驗(yàn)獲得建立邊坡模型的基本物理性質(zhì)參數(shù)，對(duì)不同因素進(jìn)行定量分析，并分析植被護(hù)坡的力學(xué)機(jī)理，為邊坡生態(tài)治理提供指導(dǎo)。

1 加固機(jī)理分析

高分子固化劑對(duì)土質(zhì)邊坡的加固機(jī)理可以分為兩方面：高分子固結(jié)護(hù)坡，生態(tài)護(hù)坡。

在STW型高分子固化劑中，乳膠粒是改善土壤性質(zhì)的有效成分。乳膠粒的表面在乳液中被大量帶有負(fù)電的乳化劑吸附，當(dāng)把高分子固化劑稀釋液噴灑到土壤表面，稀釋液會(huì)慢慢滲透到深處，將表層土都包裹在內(nèi)。稀釋液中的乳膠粒與土顆粒接觸后，帶負(fù)電的乳膠粒由于靜電吸附作用而吸附到土顆粒表面。內(nèi)部的聚醋酸乙烯酯聚合物的長鏈逐漸展開，聚醋酸乙烯酯聚合物的分子鏈含有大量官能基團(tuán)，其中就包括羧基和羥基兩類親水基團(tuán)。由于親水基團(tuán)與土顆粒發(fā)生的這些物理及化學(xué)作用，這樣就會(huì)使得高分子鏈上的親水基團(tuán)朝向土顆粒，緊密結(jié)合；疏水性的碳碳高分子長鏈在土顆粒表面及空隙內(nèi)，構(gòu)建出牢固的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)，將土體包含在內(nèi)，成為一個(gè)有機(jī)的整體，起到穩(wěn)定固化土壤的作用。

在邊坡表面噴灑高分子固化劑時(shí)，可以添加適當(dāng)比例的植被種子與營養(yǎng)液，營養(yǎng)液有助于種子的生長，加速植被的形成。植被根系的加固作用，主要有兩部分：深根錨固作用和淺根增加強(qiáng)度作用。無植被土體的粘聚力c、最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3均較小，摩爾—庫倫圓的破壞線的值較小，而有植被的土體的粘聚力增加Δc，最大和最小主應(yīng)力分別增加Δσ1和Δσ3，摩爾—庫倫圓的破壞線的值較大。

植被的主根一般會(huì)扎入到加深的土層中，將植被種植在邊坡表面，主根會(huì)穿過邊坡表面發(fā)生風(fēng)化或侵蝕后而比較松散的表層土，類似于邊坡工程治理中常用的預(yù)應(yīng)力錨桿。植被的須根纖細(xì)且多，一般生長較淺，在邊坡表層土中會(huì)相互交叉，使邊坡表層土層在橫向上連接起來，把它們變成一個(gè)混合整體。植被根系在很大程度上相當(dāng)于土體的加筋材料，對(duì)土體進(jìn)行物理加固，提供土體的穩(wěn)定性。植被根系在土體中交錯(cuò)生長，容易形成網(wǎng)狀的加筋網(wǎng)，在很大程度上減少了土體的變形，提高了土顆粒間的粘聚力和摩擦角。

2 參數(shù)選取

2.1固化劑參數(shù)

為了獲得建立模型進(jìn)行數(shù)值分析的基本物理性質(zhì)參數(shù)，課題組選用了STW型高分子固化劑進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)。STW型高分子固化劑是一種質(zhì)地細(xì)膩，無可見顆粒物的可與水任意比例互溶的有機(jī)高分子材料。它的基本參數(shù)如表1。

2.2強(qiáng)度參數(shù)

在自然狀態(tài)下，將現(xiàn)場取得的膨脹土邊坡表層土風(fēng)干，破碎后用2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩選。取清水作對(duì)比樣，再將高分子固化劑稀釋成3種不同濃度10%、20%和30%的稀釋液，試樣制備完成后，然后分別噴灑相同量的水和稀釋液到土體上攪拌均勻。試驗(yàn)中將土的含水率調(diào)至17.8%，測得干容重為1.7 g/cm3。土樣攪拌均勻后采用靜力壓實(shí)法壓實(shí)制成相應(yīng)的土樣，在養(yǎng)護(hù)箱分別養(yǎng)護(hù)48 h后進(jìn)行抗剪切試驗(yàn)?？辜羟性囼?yàn)所采用的試驗(yàn)儀器是應(yīng)變控制式直剪儀，試驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)了四級(jí)荷載，分別為50、100、200和300 kPa，剪切的應(yīng)變速率為0.8 mm/min。得到的改性土的抗剪切強(qiáng)度參數(shù)見表2。

表1 STW型高分子固化劑基本參數(shù)

表 2 抗剪切強(qiáng)度參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1邊坡模型

在本章建立的模型中，假設(shè)邊坡為一理想狀態(tài)下的均勻土質(zhì)邊坡，邊坡高度為10m，整個(gè)坡面裂隙均勻分布，設(shè)置為10cm深。根據(jù)《江蘇省地下水監(jiān)測年報(bào)》，蘇南地區(qū)的地下水位為1～3m，故該模型設(shè)置的地下水位為3m。邊坡模型示意圖見圖1。

3.2穩(wěn)定性分析

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)測得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)上述邊坡模型設(shè)置參數(shù)，對(duì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

本文主要建立三組邊坡模型，取邊坡坡比分別為1:1.5、1:1和1:0.8，在各組邊坡模型上改變坡面加固土的厚度(10、20、30、40、50cm)和固化劑濃度(10%、20%、30%)對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，從而得到以下不同狀況下的穩(wěn)定性系數(shù)。

將參數(shù)代入模型計(jì)算分析得到不同條件下的穩(wěn)定性系數(shù)，將所得數(shù)據(jù)制成折線圖2-圖4。

由圖2-圖4可知，高分子固化劑會(huì)在一定程度上增加邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，提高邊坡的穩(wěn)定性。從整體上來看，在相同邊坡坡比的工況下，加固后的穩(wěn)定性系數(shù)均比未加固的大，當(dāng)固化劑濃度越大時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)越大；根據(jù)折線圖的變化趨勢，當(dāng)固化劑濃度為10%和20%時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)增加的幅度較大，當(dāng)濃度為30%時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)的增加幅度明顯較小，20%的濃度是發(fā)揮高分子固化劑加固作用的較理想的濃度。

在任一邊坡坡比工況下，固化劑濃度不改變，隨著加固深度的增加，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增加，并且呈線性增加的趨勢，可以得出加固深度對(duì)于穩(wěn)定性系數(shù)的影響與其他因素的相關(guān)性較小。

根據(jù)以上分析，為了了解濃度為20%的固化劑在添加前后對(duì)于穩(wěn)定系數(shù)的影響，選取了加固深度為30cm，比較在三種坡比模型中穩(wěn)定性系數(shù)的增加比例。

表3 穩(wěn)定性系數(shù)增加比例

由表3可以看出，當(dāng)坡比為1:1.5時(shí)，增加比例為0.406%；當(dāng)坡比為1:0.8時(shí)，增加比例為0.500%；當(dāng)坡比為1:1時(shí)，增加比例為0.464%，由此可見，當(dāng)邊坡坡比越小時(shí)，即原坡面穩(wěn)定性系數(shù)越小時(shí)，加固后穩(wěn)定性系數(shù)增加的比例越小。

4 結(jié)論

1)高分子固化劑的加固機(jī)理是高分子在坡面固結(jié)成膜，植被根系的加固作用將更有利于提高邊坡的穩(wěn)定性。

2)高分子固化劑對(duì)土質(zhì)邊坡加固后，會(huì)一定程度地提高邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)于提高邊坡穩(wěn)定性具有積極作用。

3)在相同邊坡坡比的情況下，相同的加固深度，固化劑濃度越大，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)越大；相同的固化劑濃度，隨著加固深度不斷增加，穩(wěn)定性系數(shù)呈線性增加。

4)加固深度對(duì)于穩(wěn)定性的影響受其他因素相關(guān)性小，而固化劑濃度對(duì)于穩(wěn)定性的影響受本身穩(wěn)定性系數(shù)影響，與其他因素相關(guān)性較大。

[1]周利恩，尚 彥，余建新.工程邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21(4)：517-522.

[2]邊 博，李 磊，周凌輝.砌塊式生態(tài)護(hù)坡實(shí)施的生態(tài)效應(yīng)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2014.37(4)：26-30.

[3]沈 飛,曹 凈，曹 慧.土壤固化劑的發(fā)展現(xiàn)狀及其前景展望[J].礦產(chǎn)勘查，2008，(8)：62-66.

[4]李 浩，陳小薇，王選倉.環(huán)保型改性高分子材料固沙劑實(shí)用性能研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014.14(26)：144-148.

[5]柴壽喜，王 沛，韓文峰，等.高分子材料固化濱海鹽漬土的強(qiáng)度與微結(jié)構(gòu)研究[J].巖土力學(xué)，2007.28(6)：1067-1072.

[6]單志杰，張興昌，趙偉霞，等.EN-1固化劑對(duì)土壤抗蝕性的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010，24(5)：6-9.

[7]李建法.新型高分子沙土穩(wěn)定材料的研制與應(yīng)用[D].北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2003.

[8]LIUJiankun,ZHANGJiangnan,CHENMengqiao,etal.ExperimentalStudyonDynamicPropertiesofClayModifiedbyAught-SetSolidifyingAgentSubjectedtoFreeze-ThawCycles[C]//AmericanSocitetyforTestingandMaterialsSpecialTechniclPublications,2013(1568):86-94.

[9]ATTOMMF,MUNJEDMA.Soilstabilizationwithburnedolivewaste[J].AppliedClayScience,1998,13(3):219-230.

(責(zé)任編輯 李軍)

Simulation of average effective saturation distribution in unsaturated soil slope

WANG Yong,LIU Jin,ZHANG Da,FENG Qiao,QI Xiaohui,FENG Jiaxin

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 210098, China)

As a new type of soil reinforcement material，polymer curing agent plays an important role in slope greening and slope stability． The polymeric solidified agent reinforcement mechanism was analyzed， and the laboratory test of shear strength parameters was carried out． The aim of these works is to analyze the influence of the curing agent concentration and reinforcement thickness on slope stability under different slope conditions． The results show that the slope protection mechanism of the polymer curing agent is mainly for the consolidation of the polymer and the anchoring and reinforcement of the vegetation root system． The slope stability of polymer curing agent for different slope under the condition of the increase has a positive effect． In the same slope conditions，reinforced depth for stability is more affected by other factors than the curing agent concentration． Application of polymer curing agent to the slope engineering can promote the growth and restoration of vegetation on the slope surface，and the root reinforcement effect will be more conducive to improve the stability of the slope．

polymer curing agent; slope; strengthening mechanism; stability; numerical simulation

1673-9469(2016)04-0014-03

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.004

2016-07-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472241，41202208)

汪勇(1993-)，男，安徽蕪湖人，碩士，主要研究方向?yàn)檫吰路€(wěn)定性分析。

TU43

A