生態(tài)混凝土技術(shù)在紅黏土邊坡治理中的數(shù)值模擬研究

郭 琦

（山西省高速公路集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西太原 030006）

0 引言

我國紅黏土分布廣泛，其邊坡土壤層出露地表，降雨吸水膨脹后水分難以下滲，形成地表徑流，造成水土流失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生滑坡、瀉溜和崩塌等重力侵蝕，威脅臨近道路通行安全。

針對紅黏土邊坡的防護(hù)與加固研究有很多，周云艷[1]認(rèn)為植被護(hù)坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上莖葉的作用來達(dá)到固土護(hù)坡；陳波等[2]在校內(nèi)建立了紅黏土邊坡現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測紅黏土邊坡含水率和溫度的變化規(guī)律，認(rèn)為土體含水率和溫度隨季節(jié)的變化呈正弦波動(dòng)變化。周遠(yuǎn)忠等[3-4]提出了紅黏土微觀“集?！苯Y(jié)構(gòu)模型，并通過該模型對紅黏土的工程物理力學(xué)特性進(jìn)行了理論分析、解釋和推測；陶高梁等[5]以湖南邵陽紅黏土為例，采用壓力板儀測量其土-水特征曲線，得到了紅黏土的基質(zhì)吸力；張瑤丹[6]采用堿液加固紅黏土，分析了不同溫度、干密度和加固方式下的堿液加固效果。

生態(tài)混凝土是指由集料、水泥、活性劑和水組成的，具有一定孔隙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，并且適宜植物生長的多孔混凝土[7-9]。林志光[10]認(rèn)為生態(tài)混凝土護(hù)坡既能防護(hù)災(zāi)害又能讓植被生長，可以有效解決護(hù)砌工程的劣勢生態(tài)環(huán)境問題；張師琴[11]依托工程項(xiàng)目對某邊坡采取了生態(tài)混凝土防護(hù)加固的措施，很大程度上改善了環(huán)境；黎永健[12]依托廣西河池某山區(qū)高速公路邊坡綠化工程，闡述了山區(qū)生態(tài)混凝土護(hù)坡的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，為后續(xù)類似的項(xiàng)目建設(shè)提供一定的參考。

鑒于國內(nèi)外在生態(tài)加固紅黏土邊坡的研究較少，本文利用有限元分析手段分別建立了化學(xué)改良邊坡土體模型和生態(tài)混凝土加固邊坡模型，對比了化學(xué)改良與生態(tài)混凝土加固對紅黏土邊坡的處治效果，以期為紅黏土邊坡實(shí)體工程處治提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概述

呂梁環(huán)城高速公路位于山西省呂梁市所轄離石區(qū)及方山縣境內(nèi)，起點(diǎn)位于方山縣大武鎮(zhèn)閻家山村北，采用大武樞紐連接臨離高速公路，終點(diǎn)位于離石區(qū)田家會(huì)街道辦上樓橋居委會(huì)西，采用田家會(huì)樞紐連接青銀高速公路汾陽至離石段，路線全長38.188 km，路基寬度為24.5 m，設(shè)計(jì)速度80 km∕h，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。呂梁環(huán)城高速公路沿線紅黏土邊坡分布廣泛，部分邊坡由于強(qiáng)烈水土流失切割，覆蓋于其上的黃土層被侵蝕殆盡，紅黏土土壤層出露地表。

1.2 邊坡支護(hù)方案

針對呂梁環(huán)城高速紅黏土不良邊坡現(xiàn)狀，采用了化學(xué)改良土與生態(tài)混凝土加固兩種方法進(jìn)行協(xié)同護(hù)坡。工程用化學(xué)改良劑采用聚乙烯醇飽和石灰水，具體組成為聚乙烯醇∶石灰∶水=1.7%∶4%∶95.3%；工程用生態(tài)混凝土根據(jù)正交試驗(yàn)法所得最優(yōu)配合比（目標(biāo)孔隙率20%，水灰比0.3，外加劑摻量0.3%）進(jìn)行制備生產(chǎn)，實(shí)測孔隙率為20.6%，28 d 抗壓強(qiáng)度為16.9 MPa。

選取離石東服務(wù)區(qū)加油站后一級邊坡進(jìn)行施工，該紅黏土邊坡坡高8 m，邊坡坡度1∶0.75。具體護(hù)坡方案如下：距坡底2 m 高的范圍內(nèi)采用化學(xué)改良結(jié)合生態(tài)混凝土加固的方式護(hù)坡；邊坡2 m 高度以上部分采用化學(xué)改良方式護(hù)坡；改良后坡面鋪設(shè)一層土工網(wǎng)。

紅黏土邊坡的護(hù)坡效果如圖1所示。結(jié)合圖1 原狀邊坡和改良邊坡的坡面效果圖可以看出，原狀邊坡紅黏土裸露，當(dāng)受到降雨影響時(shí)，邊坡表面容易發(fā)生水土流失，嚴(yán)重時(shí)影響公路通行安全；當(dāng)采用化學(xué)改良結(jié)合生態(tài)混凝土加固協(xié)同護(hù)坡后，上方采用改良劑使得紅黏土的土體脹縮性、承載能力及穩(wěn)定性得以改善，下方采用生態(tài)混凝土加固有效地抑制了邊坡變形，能夠有效減少溜塌、滑坡等坡體病害發(fā)生。

圖1 路基邊坡生態(tài)混凝土支護(hù)

2 邊坡模型構(gòu)建

2.1 建立模型

基于工程實(shí)際防護(hù)形式進(jìn)行模型構(gòu)建：邊坡坡高為8 m，坡度為1∶0.75，上下邊界距離為16 m，坡頂與右側(cè)邊界距離為20 m，坡腳與左側(cè)邊界距離為12 m，化學(xué)改良影響邊坡表面深度為1.2 m；在化學(xué)改良的基礎(chǔ)上，坡腳位置沿著坡面2 m 距離澆筑厚度為10 cm 的生態(tài)混凝土。改良前、改良后及生態(tài)混凝土加固后的邊坡模型如圖2所示。

圖2 邊坡模型（單位：m）

2.2 網(wǎng)格劃分

為保證模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇混合網(wǎng)格。在單元格劃分時(shí)，與坡面距離近的位置單元格密集，與坡面遠(yuǎn)的位置單元格稀疏。改良前、改良后及生態(tài)混凝土加固后邊坡模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示，改良前后紅黏土邊坡土體與生態(tài)混凝土的材料參數(shù)如表1所示。

圖3 邊坡模型網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

3.1 邊坡穩(wěn)定性

利用強(qiáng)度折減法分別對改良前、改良后及生態(tài)混凝土加固后的紅黏土邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減，求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

從表2 可以看出，生態(tài)混凝土加固后的紅黏土邊坡穩(wěn)定性最好，其次為化學(xué)改良后的邊坡，原生態(tài)邊坡最差。由此可見，從邊坡穩(wěn)定性角度來看，化學(xué)改良與生態(tài)混凝土加固均可以有效提升邊坡穩(wěn)定性，且化學(xué)改良結(jié)合生態(tài)混凝土加固的防護(hù)方式效果最佳。

3.2 水平位移變化

邊坡在自重應(yīng)力的作用下會(huì)在水平方向產(chǎn)生位移，將表1 材料參數(shù)賦值后運(yùn)行可得到紅黏土邊坡在水平方向的位移云圖，如圖4所示。

圖4 邊坡在水平方向位移云圖

從圖4 可以看出，在自重應(yīng)力下，紅黏土邊坡在水平方向上的位移表現(xiàn)出相似特征：坡面水平位移大于邊坡內(nèi)部，坡腳水平位移大于坡頂，邊坡最大水平位移均出現(xiàn)在坡腳范圍內(nèi)。

提取邊坡水平方向位移數(shù)據(jù)，繪制邊坡水平方向位移變化曲線圖，如圖5所示。

圖5 距離與水平方向位移的關(guān)系

從圖5 可以看出，改良前紅黏土邊坡水平方向位移隨著與坡腳距離的增大表現(xiàn)出先增大后減小趨勢，改良后紅黏土邊坡、生態(tài)混凝土加固后邊坡的水平方向位移均隨著與坡腳距離的增大而減小。化學(xué)改良前紅黏土邊坡水平方向最大位移為1.05 m；改良后坡面水平位移最大值為0.44 m，相較于改良前降低了58.1%；生態(tài)混凝土加固后坡面水平位移最大值為0.18 m，相較于改良前降低了82.9%，相較于改良后降低了59.1%。從紅黏土邊坡水平位移變化角度來看，化學(xué)改良及生態(tài)混凝土加固均具有顯著作用，且化學(xué)改良結(jié)合生態(tài)混凝土加固的防護(hù)方式效果最佳。

3.3 剪應(yīng)變變化

在剪切帶土的強(qiáng)度是逐漸發(fā)展的，邊坡土體失穩(wěn)發(fā)生在剪應(yīng)變最大部位，從而可通過邊坡最大剪應(yīng)變云圖來明確邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)范圍。紅黏土邊坡的剪應(yīng)變云圖如圖6所示。從圖6 可以看出，紅黏土邊坡的剪應(yīng)變表現(xiàn)出相似特征：坡腳處產(chǎn)生的剪應(yīng)變最大，由剪應(yīng)變形成剪切面為圓弧形，且從坡腳向坡頂延伸。但是，邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)范圍（剪切面范圍）表現(xiàn)出很大差異，改良前的紅黏土邊坡最大剪應(yīng)變?yōu)?.547，剪切面范圍較大，幾乎貫穿至坡頂；改良后最大剪應(yīng)變減小為0.008，相較于改良前降低99.6%，剪切面范圍減小，且未貫通至坡頂；生態(tài)混凝土加固后，邊坡最大剪應(yīng)變減小為0.006，與改良后相當(dāng)，但其剪切面顯著縮小，僅表現(xiàn)在坡腳局部處。由此可見，從紅黏土邊坡剪應(yīng)變變化角度來看，化學(xué)改良與生態(tài)混凝土加固均對減小紅黏土邊坡最大剪應(yīng)變及剪切面范圍具有顯著作用，且化學(xué)改良結(jié)合生態(tài)混凝土加固的防護(hù)方式效果最佳。

圖6 邊坡剪應(yīng)變云圖

4 結(jié)論

a）在自重應(yīng)力下，改良前、改良后及生態(tài)混凝土加固后紅黏土邊坡的最大水平位移和最大剪應(yīng)變均處于坡腳附近，坡腳位置處屬于邊坡最不穩(wěn)定的區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)對坡腳的防護(hù)加固。

b）綜合從邊坡穩(wěn)定性、水平方向位移及剪切面范圍3 個(gè)角度來看，原生態(tài)紅黏土邊坡的穩(wěn)定性最差，化學(xué)改良后防護(hù)效果提升，生態(tài)混凝土加固后防護(hù)效果最佳，建議紅黏土邊坡采用化學(xué)改良結(jié)合生態(tài)混凝土加固坡腳的形式進(jìn)行防護(hù)加固。