二灰土對邊坡穩(wěn)定性的影響試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

田毓仁

摘 要：針對建筑工程中邊坡穩(wěn)定性要求，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式就二灰土對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。首先以石灰、粉煤灰和粘土作為原材料制備混合土，然后通過壓縮試驗(yàn)計(jì)算試件的軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線;以FLACD作為數(shù)值模擬軟件，以試驗(yàn)中獲取的參數(shù)和原材料作為基礎(chǔ)，構(gòu)建混合土試件模型和邊坡模型，并運(yùn)用強(qiáng)度系數(shù)折減法對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終得到單一粘合和二灰土的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。結(jié)果表明，基于二灰土的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大，為5.08，是單一粘土安全系數(shù)的4.3倍，說明采用二灰土可有效提高邊坡的穩(wěn)定性，而結(jié)合二灰土形成機(jī)理，是因?yàn)槎彝僚c水形成凝膠材料，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高和水穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性;數(shù)值模擬;強(qiáng)度折減法;邊坡

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0123-05

Abstract：According to the requirements of slope stability in construction engineering， the stability of lime flyash soil on slope is studied by experiment and numerical simulation. Firstly， lime， fly ash and clay are used as raw materials to prepare the mixed soil， and then the axial stress-strain curve of the specimen is calculated through the compression test; with FLACD as the numerical simulation software， based on the parameters and raw materials obtained in the test， the mixed soil specimen model and slope model are constructed， and the strength coefficient reduction method is used to calculate the slope stability coefficient， and finally the slope stability coefficient of single bond and lime-ash soil is obtained. The results show that the maximum stability coefficient of slope based on two lime soil is 5.08， which is 4.3 times the safety coefficient of single clay. It shows that two lime soil can effectively improve the stability of slope， and combined with the formation mechanism of lime-fly-ash soil， it is because lime-ash soil and water form a gel material， which has the characteristics of high structural strength and good water stability.

Key words：stability; numerical simulation; strength reduction method; slope

在該工程地基處理過程中，如何做好軟地基的處理，是當(dāng)前思考和研究的重點(diǎn)。由于地基中土自身的密度較大，但強(qiáng)度卻比較低，所以很多研究者會在土中加入各種材料。這樣的目的是減少土的重量的同時，也提高土的強(qiáng)度，以此減少路基的沉降。而隨著工程技術(shù)的推進(jìn)，越來越多的材料被應(yīng)用到工程中，混合土就是其中典型的代表。所謂的混合土是指兩種或者是兩種以上所形成土體，早期比較典型的如三合土，由細(xì)砂、石灰和粘土組成。這種三合土經(jīng)一定比例混合后，具備一定的強(qiáng)度和耐水性，并被廣泛用于路基墊層等方面。此后出于環(huán)保等因素的考慮，人們開始將石灰和粉煤灰應(yīng)用到地基土的穩(wěn)定性中。而除粉煤灰以外，人們還嘗試將鋼渣、爐渣，以及廢舊輪胎顆粒等橡膠顆粒摻入，以提高軟土的強(qiáng)度。其中，人們之所以研究石灰和粉煤灰，是因?yàn)樵谕林袚饺牒?，石灰、粉煤灰和土三者會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成凝膠材料，進(jìn)而穩(wěn)定軟土，提高軟土地基強(qiáng)度。由此，本研究則主要對二灰土對邊坡的穩(wěn)定性的影響，即在邊坡穩(wěn)定性處理中摻入石灰和粉煤灰，并通過數(shù)值模擬的方式分析邊坡的穩(wěn)定性。

1 二灰土對強(qiáng)度的影響內(nèi)在機(jī)理

研究認(rèn)為，當(dāng)石灰、土和粉煤灰經(jīng)過一定比例的混合后，會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成硅酸類的化合物。這類化合物的強(qiáng)度與傳統(tǒng)的石灰土相比，在強(qiáng)度方面更高，且水穩(wěn)定性和板體性更好。在這類反應(yīng)中，并不是簡單的物質(zhì)混合，而是各類物理和化學(xué)反應(yīng)的綜合，從而形成強(qiáng)度較高的物質(zhì)。歸納下來，二灰土強(qiáng)度的形成，可分為以下五類化學(xué)反應(yīng)：

（1）離子反應(yīng)。當(dāng)石灰混入土后，其中的鈣離子與土壤中鈉、鉀等離子形成離子交換反應(yīng)，從而在土壤表面形成穩(wěn)定的團(tuán)粒組織。

（2）火山灰反應(yīng)。在Ph值大于7的情況下，土壤中的鋁礦物和活性硅會與石灰發(fā)生反應(yīng)，從而逐步變硬，具體反應(yīng)原理為：

由于火山灰反應(yīng)會消耗水，所以具有水硬效應(yīng)，進(jìn)而提高土壤的強(qiáng)度。

3）硅酸化反應(yīng)。通常認(rèn)為在粉煤灰與水灰產(chǎn)生復(fù)雜的反應(yīng)，進(jìn)而形成硅酸化反應(yīng)，進(jìn)而形成二灰土強(qiáng)度的基礎(chǔ)。具體反應(yīng)原理為：

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

基于以上的內(nèi)在反應(yīng)原理，本研究首先通過試驗(yàn)的方式制備二灰土試件，并根據(jù)試件性能測試，得到最佳的混合土配比，以此為后續(xù)的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。因此本文首先選擇石灰、粉煤灰和粘土，并在以上基礎(chǔ)上，制備不同配比的混合土試件。以上材料具體參數(shù)如下表1～表2所示。

另外，本實(shí)驗(yàn)選用的消石灰首先通過2mm篩子進(jìn)行篩選，且鈣鎂含量為63.5%。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)儀器主要選用恒溫養(yǎng)護(hù)箱、攪拌機(jī)、電子秤、應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀、70.7mm×70.7mm×70.7mm三聯(lián)立方試模、直尺等。

2.3 試件制備

2.3.1 實(shí)驗(yàn)配比

根據(jù)JTJ0342000的相關(guān)要求，石灰、粉煤灰在摻入土中的比例一般在1：2～1：4之間，同時，石灰結(jié)合粉煤灰與粒土的比例一般在 30：70～90：10之間。因此，基于以上配比含量的要求，將二灰土與土的配比設(shè)定為10：20：70、10：30：60、8：32：60。為方便對比，設(shè)定石灰和粉煤灰劑量為5%、8%和13%.

2.3.2 試件制備

試件制備主要分為以下3個步驟：①結(jié)合制定的配合比，取依據(jù)比例的質(zhì)量放入攪拌機(jī)中進(jìn)行混合，攪拌3～5min;②將攪拌后的混合物放入三聯(lián)立方試模，并在振動臺振搗1～2min;③振搗完成后，放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24h，取出編號，并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。14d后依次取出，并進(jìn)行無側(cè)限壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，以確定試件的應(yīng)力變化，測算公式為：

其中，表示軸向應(yīng)力大小，單位為MPa;表示校正的試件受壓面積;表示軸向應(yīng)力，單位kN.

表示初始橫截面積，表示軸向應(yīng)變比。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 二灰土試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上述的試驗(yàn)方法，得到圖1所示的結(jié)果。

依據(jù)上述的結(jié)果看出，當(dāng)二灰土的配合比在10：20：70的時候，得到的二灰土壓縮強(qiáng)度最大，而當(dāng)比例在8：32：60的時候，得到的壓縮強(qiáng)度最小。造成以上的原因，是因?yàn)槭业暮枯^多，說明石灰含量增多，有助于提高壓縮強(qiáng)度，也進(jìn)一步說明相對與粉煤灰來講，石灰對二灰土的強(qiáng)度影響更大。

2.4.2 不同石灰劑量下的應(yīng)力曲線

依據(jù)上述的試驗(yàn)方案，計(jì)算得到在5%、8%和13%石灰劑量下的應(yīng)力變化曲線。

依據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，當(dāng)石灰劑量在13%時候，得到的壓縮強(qiáng)度最大，為0.37MPa，且此時的應(yīng)力應(yīng)變值最小。而結(jié)合以上的反應(yīng)機(jī)理看出，石灰與土體通過離子交換和結(jié)晶反應(yīng)，從而提高了土體的強(qiáng)度。

2.4.3 粉煤灰土試驗(yàn)結(jié)果

將石灰土換為粉煤灰，進(jìn)而得到在不同劑量下的粉煤灰壓縮強(qiáng)度變化。

依據(jù)上述結(jié)果看出，當(dāng)粉煤灰產(chǎn)量在13%時，得到的壓縮強(qiáng)度為0.18，且此時的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)?.14.同時在變化曲線方面，壓縮強(qiáng)度隨著應(yīng)力應(yīng)變的增加逐步增加，此后小幅度下降后又開始增加。出現(xiàn)以上變化曲線的主要原因，是因?yàn)榉勖夯业奈圆睿蚨斐蓱?yīng)力變大。

由此，綜上看出，當(dāng)混合土比例在10：20：70的時候，得到的混合土的壓縮強(qiáng)度最高，發(fā)揮的效果也最高。

3 二灰土加固邊坡的穩(wěn)定性模擬

基于以上的最佳配合比例，在構(gòu)建邊坡穩(wěn)定方案的情況下，就混合土對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。

3.1 模型建立

在數(shù)值模擬研究中，模型建立主要包含兩個方面：①建立混合土試件模型;②建立路基邊坡模型。數(shù)值模擬軟件采用FLAC3D軟件。同時為更好的讓模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近真實(shí)值，在本研究中首先對試件力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，然后再對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行建模。具體建立模型與參數(shù)如下：

在試件模型構(gòu)架中，剖分單元尺寸取 0.01m，且經(jīng)網(wǎng)格劃分后，分為41683個節(jié)點(diǎn)和 39472個單元。

同時模擬實(shí)際邊坡工程，建立圖5所示的邊坡模型。考慮到邊坡實(shí)際長度，本文采用壓縮試樣的方法對模型進(jìn)行構(gòu)建，剖分單元尺寸為0.1m，計(jì)算模型劃分為27832個節(jié)點(diǎn)和12791個單元。為方便監(jiān)測，以A作為監(jiān)測點(diǎn)。

路基邊坡模型的約束條件為3個：①頂板的水平邊界及左側(cè)斜邊界全部為自由邊界;②水平和垂直方向的位移受底部水平邊界的約束;③水平位移也受右側(cè)垂直邊界的約束。

3.2 模型材料參數(shù)

模型的材料參數(shù)如表3所示。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.3.1 混合土試件模擬結(jié)果

數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對比數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)上述的結(jié)果看出，實(shí)際值與試驗(yàn)值相差較小，說明數(shù)值模擬的可行性。

3.3.2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果

在邊坡穩(wěn)定性模擬中，將臨界破壞狀態(tài)時邊坡的強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體原有的強(qiáng)度指標(biāo)之比作為邊坡的安全系數(shù)，用F表示。同時采用邊坡強(qiáng)度系數(shù)折減法來計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。經(jīng)過模擬計(jì)算，得到以下結(jié)果：

（1）純粘土邊坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果。在純粘土下，得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)見圖6所示。

根據(jù)圖6的結(jié)果看出，在純粘土下得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.18，邊坡系數(shù)較小，說明穩(wěn)定性較差，必須要提高單一粘土的強(qiáng)度，以此提高邊坡的穩(wěn)定性。

（2）二灰土邊坡數(shù)值模擬結(jié)果。將純粘土改為二灰土，并通過上述強(qiáng)度系數(shù)折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)，得到圖7的結(jié)果。

根據(jù)圖7的結(jié)果看出，在二灰土配合比下，當(dāng)配比為10：20：70的時候，模擬得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為5.08，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大;而配比為8：32：60配比下，邊坡安全系數(shù)最小，但安全系數(shù)值為3.72，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一的粘土。

4 結(jié)論

根據(jù)上述的研究可以得到當(dāng)二灰土的最佳配比為10：20：70，此時基于混合土的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)最高，達(dá)到5.08，是單一粘土下邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的4.3倍。由此說明在粘土中摻入粉煤灰和石灰，可有效提高軟基的壓縮強(qiáng)度，并提高邊坡穩(wěn)定性的作用。

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