透水性混凝土制備及在護(hù)坡工程穩(wěn)定性中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)邊坡保護(hù)工程中的生態(tài)需要，文章首先結(jié)合相關(guān)的技術(shù)要求，以粉煤灰、粗骨料、水泥等作為原材料，制備透水性混凝土。結(jié)果表明，在設(shè)置的12組混凝土配比中，通過(guò)抗壓強(qiáng)度、抗彎測(cè)試和孔隙滲透率測(cè)試等，有11組混凝土符合要求。然后以該混凝土配比為基礎(chǔ)，設(shè)置支護(hù)方案，并通過(guò)ABAQUS有限元對(duì)透水性混凝土的支護(hù)方案進(jìn)行分析，結(jié)果表明符合支護(hù)要求，該配比和應(yīng)用與邊坡支護(hù)實(shí)用意義重大。

關(guān)鍵詞：ABAQUS軟件;透水性混凝土：邊坡工程;穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TU528.1/.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）08-0171-04

Preparation of Permeable Concrete and Its Application inStability of Slope Protection Works

XU Jia-dong

（Shandong Yonggu Survev and Construction Engineering Co.，Ltd..Linyi Shandong 276000，China）

Abstract ： In view of the ecological needs of slope protection engineenng，firstly，combined with the relevant techni-cal requirements，water permeable concrete is prepared with fly ash，coarse aggregate，cement and other raw materi-als.The results show that，among the 12 sets of concrete ratios set，ll groups of concrete meet the requirementsthrough compressive strength，bending resistance test and pore penneability test.Then.based on the concrete ratio，the supporting scheme is set up，and the supporting scheme of permeable concrete is analyzed by ABAQUS finite el-ement method.The results show that it meets the supporting requirements.and the ratio and application are in linewith the slope support.

Key words ： ABAQUS software;permeable concrete;slope engineering;stahility

隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，在邊坡防護(hù)工程中需要更多的考慮環(huán)保因素，而不是只關(guān)注整個(gè)工程的穩(wěn)固性。過(guò)去在護(hù)坡工程中基本是從穩(wěn)固性等角度出發(fā)進(jìn)行規(guī)劃，忽略了對(duì)外部環(huán)境的影響，容易導(dǎo)致對(duì)原有生態(tài)環(huán)境的破壞。而一旦生態(tài)環(huán)境遭到破壞，則難以在短時(shí)間內(nèi)得到有效地恢復(fù)，長(zhǎng)期發(fā)展會(huì)對(duì)周圍人群的生活質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。當(dāng)前的建筑受到風(fēng)雨等外部因素的影響，往往會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)變得更加脆弱，降低了對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)作用。針對(duì)此問(wèn)題有很多學(xué)者進(jìn)行了研究，并提出了不同的改進(jìn)策略。其中綠色生態(tài)混凝土屬于一種較為典型的解決方式，其不僅能夠在護(hù)坡工程中發(fā)揮應(yīng)有的作用，同時(shí)具有更強(qiáng)的環(huán)保性和耐久性，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成不利的影響，便于營(yíng)造更宜人的居住環(huán)境，因此得到了廣大用戶的認(rèn)可，體現(xiàn)出較為廣闊的應(yīng)用前景。

1試驗(yàn)思路設(shè)計(jì)

文章主要對(duì)巖質(zhì)邊坡的防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合傳統(tǒng)的透水混凝土與錨噴技術(shù)形成一種高環(huán)保的護(hù)坡技術(shù)，降低了對(duì)環(huán)境的不利影響。詳細(xì)的參數(shù)如下所示：透水性混凝土的孔隙率需要保持在20%以上，以保證植物的生長(zhǎng)需求;錨噴混凝土需要達(dá)到20MPa以上的強(qiáng)度，以保證邊坡防護(hù)的穩(wěn)定性。因此，結(jié)合以上要求，文章主要從2個(gè)方面解決：①制備符合要求的透水性混凝土;②設(shè)置合理的邊坡支護(hù)方案，并通過(guò)有限元軟件分析支護(hù)效果。

2混凝土制備及性能測(cè)試

2.1試驗(yàn)方案

2.1.1原材料

實(shí)驗(yàn)主要采用的原材料包括：水泥（P.O 42.5硅酸鹽水泥，四川省川南特種水泥廠生產(chǎn)）、粗細(xì)骨料（2mm-15mm不同等級(jí)）、Ⅱ級(jí)粉煤灰、水等。

2.1.2試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

對(duì)單位透水混凝土中不同材料的使用量進(jìn)行計(jì)算，具體數(shù)據(jù)信息為表1中所示。

2.1.3試件成型

在試件成型階段，選擇100mmx100mmx550mm和150mmx150mmx150mm兩種模具制作試件。首先將透水混凝土添加到試模內(nèi)，然后用鐵棒插搗10次，以保證壓實(shí)。添加完成后對(duì)表面進(jìn)行抹平處理，然后在養(yǎng)護(hù)1d后開(kāi)始進(jìn)行脫模處理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用保鮮膜裹住試件，并定期添加適量的水分，通過(guò)這種方式使試件保持濕潤(rùn)狀態(tài)，然后在28d后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

2.1.4性能測(cè)試

針對(duì)以上制備的透水性混凝土試件，采用抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和孔隙率等試驗(yàn)進(jìn)行性能測(cè)試。其中，抗彎強(qiáng)度f(wàn)f計(jì)算公式為：

（1）

式（1）中，L、b、h分別表示支座間距大小、試件寬度與高度，單位均為mm;α表示抗彎強(qiáng)度折減系數(shù)，這里將其設(shè)置為0.85;F表示極限載荷，單位是牛頓（N）。

有效孔隙率計(jì)算公式為：

P=

（2）

其中，Vw為添加達(dá)到飽和后的水量;Vs表示完全干燥前試件的體積。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試則采用RFP-03型智能測(cè)力儀、DYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)，并按照如下的公式進(jìn)行抗壓強(qiáng)度計(jì)算。

f= P/A

（3）

其中，P表示試件破壞時(shí)的壓強(qiáng);A表示受力面積。

2.2透水性混凝土性能測(cè)試結(jié)果

2.2.1抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表2展示了試件的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在水灰比和孔隙率保持一定的情況下，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先增加，然后降低的規(guī)律。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看到，在骨料粒徑不變，隨著粉煤灰替代率的增加，試件的抗壓強(qiáng)度也在不斷的增加;而隨著骨料粒徑的增加，整體的抗壓強(qiáng)度也一定幅度的增加。

2.2.2抗彎強(qiáng)度測(cè)試

抗彎強(qiáng)度測(cè)試選用100mmx100mmx550mm的試件，并通過(guò)抗彎強(qiáng)度測(cè)試方法，得到表3所示的結(jié)果。根據(jù)表3可知，在骨料粒徑大小不變，并且粉煤灰替代率低于20%時(shí)，粉煤灰增加，抗壓強(qiáng)度保持增大的趨勢(shì)，即2者表現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系;但是在粉煤灰替代率高于20%時(shí)，繼續(xù)增加粉煤灰會(huì)導(dǎo)致其抗彎強(qiáng)度的減小。如果粉煤灰替代率不變，則在不同骨料粒徑范圍內(nèi)的抗彎強(qiáng)度表現(xiàn)出較大的差異性，其中在5-10min范圍內(nèi)時(shí)能夠達(dá)到最大的抗彎強(qiáng)度，而在2.5-5mm范圍內(nèi)最低。

2.2.3孔隙率測(cè)試

根據(jù)孔隙率測(cè)試試驗(yàn)，得到圖1的結(jié)果。

不同骨科粒徑孔隙率數(shù)隨粉煤灰替代率變化曲線

根據(jù)上圖1中的曲線可知：

1）骨料粒徑不變時(shí)，隨著粉煤灰替代率的持續(xù)增大，混凝土的孔隙率逐步降低，因此二者屬于負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

2）如果粉煤灰替代率不變，則混凝土的孔隙率隨著骨料粒徑的降低而減小，因此二者屬于正相關(guān)的關(guān)系。

2.2.4孔隙率與抗壓強(qiáng)度綜合統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述的結(jié)果，得到圖2所示的綜合統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)可知，第11編號(hào)試件的孔隙率和抗壓強(qiáng)度分別是21.3%、21.89MPa，能夠達(dá)到相關(guān)的要求。因此，選擇11號(hào)作為后續(xù)的試驗(yàn)試件。

3透水性混凝土支護(hù)穩(wěn)定性試驗(yàn)

3.1支護(hù)方案設(shè)計(jì)

在支護(hù)方案中，以山東某鐵路建設(shè)T程為例。結(jié)合相關(guān)的邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)要求，將參數(shù)設(shè)計(jì)為如下：坡腳大小是α=30°，坡面錨桿間的縱橫間距都是3m，長(zhǎng)度是4.5m、。錨桿水灰比設(shè)置為0.40，錨固體強(qiáng)度需要保證在M20以上;植生透水混凝土的厚度是20mm，強(qiáng)度不低于C20;鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為Φ6.5@250mmx250mm;選用1Φ14=100mm土釘。其中網(wǎng)噴支護(hù)立面圖即為圖3中所示。

3.2邊坡防護(hù)數(shù)值模擬

在邊坡防護(hù)數(shù)值分析中，首先要建立合適的模型。因此，在邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)中需要先對(duì)巖石的類型進(jìn)行分析。其中巖漿巖形成在地表后長(zhǎng)期受到多種作用的影響，大部分都是強(qiáng)、中風(fēng)化砂巖，其邊坡巖體可以通過(guò)摩爾一庫(kù)倫理想彈塑性模型進(jìn)行描述，此時(shí)可以將其認(rèn)為是1個(gè)非線性平面應(yīng)變問(wèn)題。此外在計(jì)算過(guò)程采用了強(qiáng)度折減法等來(lái)降低計(jì)算的難度，具體參數(shù)如表4中所示。

3.3數(shù)值結(jié)果分析

采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行分析，從而得到圖4和圖5的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果。

圖4、5分別表示坡體防護(hù)前、后安全系數(shù)的變化趨勢(shì)，通過(guò)位移拐點(diǎn)、數(shù)值進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，體防護(hù)后的安全系數(shù)從1.028增加到1.23，由此可見(jiàn)通過(guò)坡體防護(hù)顯著增大了安全系數(shù)。

3結(jié)語(yǔ)

本次研究中，在實(shí)驗(yàn)制備透水性混凝土的基礎(chǔ)上，采用了有限元方法對(duì)混凝土對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，具體利用的模擬工具是ABAQUS軟件，實(shí)驗(yàn)中采用了錨噴混凝土防護(hù)技術(shù)，驗(yàn)證了邊坡安全系數(shù)的變化，分析是否改善了邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)最終的模擬結(jié)果可知，結(jié)錨噴植生透水混凝土顯著提高了邊坡結(jié)構(gòu)的安全性系數(shù)，增強(qiáng)了邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其應(yīng)用效果良好？

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收稿日期：2020-03-10

作者簡(jiǎn)介：許家東（1980-），男，漢族，山東沂南人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，研究方向：工程勘察，地基處理與支護(hù)工程。