玄武巖纖維灰土力學(xué)特性及擴(kuò)寬路堤邊坡穩(wěn)定性分析

劉 華，胡文樂(lè)，何朋立，張 超，孫松松，胡鵬飛，谷宏全

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055；3.洛陽(yáng)理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；4.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；5.南京泰克奧科技有限公司，江蘇 南京 210000)

黃土是在當(dāng)下基礎(chǔ)設(shè)施不斷建設(shè)和完善的過(guò)程中經(jīng)常遇到的獨(dú)特地質(zhì)載體，具有疏松、多孔等特點(diǎn)，是工程師亟需解決的工程問(wèn)題之一[1].近年來(lái)，隨著黃土地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步要求，現(xiàn)有的高速公路存在其運(yùn)載能力達(dá)設(shè)計(jì)極限的狀況，能有效解決問(wèn)題的高速公路改擴(kuò)建應(yīng)運(yùn)而生，但改擴(kuò)建作為一種新生工程活動(dòng)，受到較多約束條件的限制.作為本世紀(jì)初公路建設(shè)領(lǐng)域所面臨的重要問(wèn)題，不可避免的涉及到新老路堤的融合穩(wěn)定性等問(wèn)題，并且新老路基相互作用甚至有可能出現(xiàn)道路橫坡突變、新填路堤的整體垮塌[2]等工程病害，給工程中的構(gòu)筑物及人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的危害，因此，有關(guān)黃土地區(qū)擴(kuò)寬路堤處治技術(shù)[3-5]的研究備受關(guān)注.

黃土地區(qū)有關(guān)地基的常見(jiàn)處理方式有很多，玄武巖纖維灰土概念的提出為地基處理提供了新的選擇.前人就此展開(kāi)了大量研究，楊廣慶等[6-7]對(duì)石灰、粉煤灰、二灰及水泥改良土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得出了滿(mǎn)足高速公路鐵路路基要求的最優(yōu)配比，為石灰改良土的研究提供了理論參考.賀建清等[8]在荷載作用下石灰改良土道路路基的變形進(jìn)行了研究.胡斌等[9]對(duì)纖維類(lèi)材料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，認(rèn)為纖維類(lèi)材料能較好地提高土的力學(xué)性能.被譽(yù)為21世紀(jì)綠色環(huán)保的高性能玄武巖纖維[10]，具有優(yōu)良的力學(xué)性能且具有價(jià)格低、耐腐蝕性強(qiáng)、抗老化等諸多優(yōu)點(diǎn).但縱觀現(xiàn)有研究[11-12]，針對(duì)傳統(tǒng)加固材料和環(huán)保改良材料聯(lián)合應(yīng)用于改良路基方面的研究較少，尤其是采用玄武巖纖維灰土進(jìn)行路基處理方面的研究.

鑒于此，本文采用玄武巖纖維、石灰對(duì)豫西濕陷性黃土進(jìn)行改良處理，采用正交設(shè)計(jì)研究土樣含水率、壓實(shí)度、纖維摻量、纖維長(zhǎng)度等四個(gè)因素對(duì)纖維灰土的抗剪強(qiáng)度影響，進(jìn)行了三軸(CU)試驗(yàn)；并基于最優(yōu)水平組合進(jìn)行纖維摻量這一因素對(duì)纖維灰土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行研究，開(kāi)展了一系列直剪試驗(yàn)，研究纖維摻量、灰土齡期對(duì)改良土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，并基于試驗(yàn)結(jié)果利用ABAQUS對(duì)擴(kuò)寬路堤新老路堤的拼接進(jìn)行模擬，對(duì)改良處理前后的路堤穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并對(duì)擴(kuò)寬路堤進(jìn)行不同坡比、坡高等工況下的對(duì)比研究，為新老路基的拼接處治對(duì)策的選擇和優(yōu)化提供理論數(shù)據(jù)支撐，并為路堤拼接處理時(shí)工程穩(wěn)定性病害問(wèn)題的防治提供合理防護(hù)建議.

1 試驗(yàn)材料

1.1 供試用土

試驗(yàn)黃土取自洛陽(yáng)市某基坑工程現(xiàn)場(chǎng)，土質(zhì)為黃土狀粉質(zhì)黏土，取土深度4.5～6.0 m.基本物理指標(biāo)：液限wp=30.4%；塑限Ip=19.1%；塑性指標(biāo)為11.7；最優(yōu)含水率為17.0%；最大干密度為1.85 g/cm3；濕陷系數(shù)為0.016.顆粒分析曲線見(jiàn)圖1.

1.2 供試?yán)w維和石灰

供試玄武巖纖維為由長(zhǎng)度為6 mm纖維絲壓制而成的未處理?xiàng)l狀纖維，如圖2所示.其基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.試驗(yàn)所用石灰為試驗(yàn)前已經(jīng)熟化的新鮮熟石灰，未消化殘?jiān)^(guò)2 mm篩去除，其化學(xué)成分見(jiàn)表2.

圖1 黃土的顆粒分析曲線Fig.1 Particle analysis curve of loess

圖2 玄武巖纖維(6 mm)Fig.2 Basalt fiber/6 mm

表1 玄武巖纖維物理力學(xué)參數(shù)

表2 石灰化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of lime

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)方案

按照三七灰土制備土樣，三軸試驗(yàn)考慮了土樣含水率、壓實(shí)度、纖維摻量、纖維長(zhǎng)度等四個(gè)因素對(duì)纖維灰土強(qiáng)度影響，每個(gè)因素考慮三個(gè)水平，養(yǎng)護(hù)7 d齡期再進(jìn)行試驗(yàn)，且均在50 kPa圍壓下進(jìn)行.

玄武巖纖維灰土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通常可由直剪試驗(yàn)快速得出.基于上述正交試驗(yàn)分析結(jié)果，將最優(yōu)長(zhǎng)度6 mm的玄武巖纖維按照干土質(zhì)量百分比分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的摻量摻入土樣，按照三七灰土稱(chēng)取石灰質(zhì)量.分別養(yǎng)護(hù)3 d和7 d.每組試樣須制備四個(gè)平行試樣，分別施加100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa等4個(gè)垂直壓力，包括原狀和重塑的8個(gè)試樣共計(jì)72個(gè)試樣.

2.2 土樣制備

本試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)重塑土樣的制備方法.制備試樣時(shí)，將所取土料風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，放入保濕缸中備用.

在已有的研究資料中，關(guān)于石灰和土拌和制樣的方法有兩種[13-16]：一種是將過(guò)篩后的土樣與石灰拌和均勻，然后再加入蒸餾水，拌和均勻后密封靜置24 h再在進(jìn)行制樣；另一種方法是根據(jù)目標(biāo)含水率要求加入適量蒸餾水配置土樣，密封靜置24 h，再摻入石灰，然后立即制備試樣.相關(guān)研究資料表明，石灰的性能與其中的活性氧化物有密切關(guān)系，活性氧化物的含量越高，其膠結(jié)能力越強(qiáng).此外，灰土試樣拌和均勻后立即制備試樣也較為符合實(shí)際工程.關(guān)于纖維與土拌和的方法也有兩種[10，17]，綜合前人的研究經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)首先在室溫下風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩，放入干燥器中備用，再將稱(chēng)量好的土與適量纖維拌和均勻，再進(jìn)行含水率的配置，密封24 h.石灰過(guò)2 mm篩，與拌和均勻的纖維土配成三七灰土，并立即進(jìn)行制樣.

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

本文三軸試驗(yàn)采用TKA-TTS-3S應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)儀，在圍壓50 kPa下進(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗(yàn).

本文直剪試驗(yàn)采用的試驗(yàn)儀器為ZJ-2型等應(yīng)變直剪儀，將四級(jí)垂直壓力對(duì)直徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀試樣依次進(jìn)行加載.依據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，剪切速率為0.6 mm/min.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)采用四因素三水平設(shè)計(jì)，不考慮試驗(yàn)誤差造成的影響，不考慮因素間的交互作用，共9組試樣，每組設(shè)置兩個(gè)平行試樣.試驗(yàn)所用的正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表3.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表3 正交試驗(yàn)的因素水平表Tab.3 Factor level table for orthogonal test

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Orthogonal test results

通過(guò)極差分析可知，A2B2C2D3為正交設(shè)計(jì)得出的最優(yōu)水平組合.此時(shí)，對(duì)應(yīng)的各因素水平為纖維長(zhǎng)度6 mm、纖維摻量0.4%、含水率25%、壓實(shí)度0.95.方差分析得到的顯著性順序?yàn)椋簤簩?shí)度影響>含水率影響>纖維摻量影響>纖維長(zhǎng)度影響.

查表知，F(xiàn)0.99(2,9)=8.02，F(xiàn)0.95(2,9)=4.26.對(duì)比表5中F值可對(duì)顯著性進(jìn)行判定.其中，S表示離差平方和，df表示自由度，Ms為平均離差平方和.

表5 纖維灰土抗剪強(qiáng)度的極差、方差及影響分析表Tab.5 Analysis of the extreme difference, variance and influence of shear strength of fiber ash soil

通過(guò)極差分析和方差分析相結(jié)合的分析方法，得出正交設(shè)計(jì)的最優(yōu)水平組合為A2B2C2D3，即：纖維長(zhǎng)度6 mm、纖維摻量0.4%、含水率25%、壓實(shí)度0.95.

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)分析結(jié)果，控制含水率、纖維長(zhǎng)度和壓實(shí)度為最優(yōu)水平，灰土在養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)不同纖維摻量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律如圖3所示.

從圖3中可以看出，相同含水率和壓實(shí)度條件下，7 d養(yǎng)護(hù)齡期的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)明顯均高于3 d齡期，主要原因是土顆粒表面由于石灰水化反應(yīng)變得粗糙和晶體的生成[18]，進(jìn)而在土顆粒表面反應(yīng)生成膠狀CaSiO3，同未反應(yīng)的Ca(OH)2一起與土顆粒構(gòu)成團(tuán)聚體，此時(shí)，土孔隙增大，顆粒較為光滑，纖維、石灰及土顆粒間發(fā)生相對(duì)位移所需的外力較完全反應(yīng)時(shí)偏小.由于Ca(OH)2反應(yīng)生成膠體CaSiO3是隨著時(shí)間的增加逐步進(jìn)行反應(yīng)的，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，水化硅酸鈣占比越來(lái)越高，土顆粒間的膠結(jié)能力增強(qiáng)，再加上纖維的良好的抗拉強(qiáng)度，纖維灰土顆粒間發(fā)生相對(duì)位移需要較大的外力.對(duì)于粘聚力而言，在纖維摻量0.6%時(shí)達(dá)到最大，這是因?yàn)檎辉囼?yàn)的最優(yōu)組合為局部最優(yōu)解.

圖3 不同齡期抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨纖維摻量變化Fig.3 Shear strength indexes at different ages varying with fiber content

5 擴(kuò)寬路堤邊坡穩(wěn)定性分析

5.1 數(shù)值計(jì)算模型

路堤擴(kuò)寬黃土地區(qū)數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖4，取地基土長(zhǎng)40 m，高10 m，高速公路路堤填高H，考慮路堤填料的物理力學(xué)性質(zhì)及行車(chē)荷載，原路堤26 m寬，兩側(cè)各擴(kuò)寬K斷面，雙側(cè)以老路中線為軸對(duì)稱(chēng)加寬，選取單側(cè)進(jìn)行分析，路基及下方地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)關(guān)系.主要研究纖維摻量C、纖維長(zhǎng)度L、灰土齡期D、坡高H、擴(kuò)寬度K、坡度系數(shù)m(坡比1：m)對(duì)路堤邊坡的變形和穩(wěn)定性分析，各影響因素具體因子水平見(jiàn)表6.

圖4 有限元計(jì)算模型/mFig.4 Finite element calculation model/m

表6 水平因子

5.2 材料力學(xué)參數(shù)設(shè)置

依據(jù)前述原狀、重塑素土以及纖維灰土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他相似巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值，綜合確定模型的計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表7.路堤所受外力荷載等價(jià)于路面結(jié)構(gòu)荷載和交通荷載之和，其中，認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)荷載等價(jià)于60 cm厚填土荷載，交通荷載簡(jiǎn)化為10 kPa均布荷載[18]，綜合取值采用20 kPa的等效均布荷載.其他模型材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表8.

表7 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.7 Physical and mechanical properties of soil

表8 新路堤填土相關(guān)計(jì)算力學(xué)參數(shù)表Tab.8 New embankment fill calculation related to mechanical parameters table

5.3 模型分析方法

有限元強(qiáng)度折減法邊坡破壞失穩(wěn)的判據(jù)主要有三種[19]，并且三種判據(jù)在理論上具有統(tǒng)一性[20]，雖然將有限元計(jì)算的收斂與否作為判據(jù)更直接方便，但安全系數(shù)不偏于保守，因此，本文以上述有限元計(jì)算的特征點(diǎn)位移拐點(diǎn)為失穩(wěn)判據(jù)標(biāo)準(zhǔn).

6 數(shù)值模擬算例結(jié)果及分析

6.1 填土材料差異對(duì)擴(kuò)寬路堤穩(wěn)定性的影響

選取在路堤堤高5 m、坡度系數(shù)為1.50、路堤擴(kuò)寬度為5 m、8 m、10 m的模型，就填土材料差異對(duì)擴(kuò)寬路堤的穩(wěn)定性展開(kāi)研究，分別從纖維摻量、纖維長(zhǎng)度、養(yǎng)護(hù)齡期等方面進(jìn)行分析.由上述結(jié)果可知，素土填筑擴(kuò)寬路堤的安全系數(shù)為1.063，不能滿(mǎn)足工程安全要求.因此，下文在進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，不再考慮素土填筑對(duì)擴(kuò)寬路堤穩(wěn)定性的影響.

6.1.1 纖維摻量的影響

圖5(a)可見(jiàn)，不同摻量的安全系數(shù)均大于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的安全系數(shù)，且高于素土填筑時(shí)的安全系數(shù)；安全系數(shù)隨纖維摻量增加先增大后減小，在0.6%時(shí)取到最大.分析其原因，安全系數(shù)主要取決于纖維灰土的抗剪強(qiáng)度特性.因此，纖維摻量對(duì)安全系數(shù)與黏聚力呈現(xiàn)出較為相似的變化規(guī)律.從圖5(b)中可以看出，隨著折減系數(shù)的增加，路堤坡頂?shù)奈灰浦饾u增大.從圖5(c)中可以看出，隨著折減系數(shù)的增加，豎向位移增大；在摻量為0.2%～0.6%范圍內(nèi)，隨著摻量增加，相同折減系數(shù)對(duì)應(yīng)的豎向位移減小，在0.8%摻量時(shí)的折減系數(shù)與0.4%時(shí)的基本重合.從圖5(d)中可以發(fā)現(xiàn)，坡頂豎向應(yīng)力隨折減系數(shù)增大至1.4以后的趨勢(shì)為先下降再上升，除纖維摻量為0.6%未完成此過(guò)程，其余三個(gè)摻量均以完成，說(shuō)明0.6%摻量時(shí)的路堤應(yīng)力上升相對(duì)滯后，具有“后強(qiáng)”效應(yīng)特征，這與前述試驗(yàn)黏聚力變化規(guī)律相一致.

圖5 纖維摻量與安全系數(shù)及特征點(diǎn)位移、應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Fiber blending capacity and safety factor, characteristic point displacement and stress curve

6.1.2 養(yǎng)護(hù)齡期的影響

圖6可見(jiàn)，7 d養(yǎng)護(hù)齡期的安全系數(shù)均較同條件下的3 d齡期的大，且都滿(mǎn)足安全系數(shù)要求，在纖維摻量為0.6%時(shí)齡期的增長(zhǎng)使得安全系數(shù)提升效果顯著.由前述(圖3)纖維灰土的抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行分析，黏聚力隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加表現(xiàn)出增大的特征，使得纖維灰土的抗剪強(qiáng)度得到提高，從而導(dǎo)致路堤邊坡安全系數(shù)得到提升.

6.2 不同工況下擴(kuò)寬路堤安全系數(shù)分析

由上述分析可知，填土材料的最優(yōu)情況為：6 mm長(zhǎng)度、0.6%摻量、7 d養(yǎng)護(hù)齡期，在該組合下，土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)，且擴(kuò)寬路堤的穩(wěn)定系數(shù)最大.基于上述研究，設(shè)置不同坡型對(duì)擴(kuò)寬路堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并基于最不利影響因子進(jìn)行考察.

圖6 不同養(yǎng)護(hù)齡期下安全系數(shù)與纖維 摻量關(guān)系曲線(L=6 mm，K= 8 m)Fig.6 Relationship between safety factor and fiber content under different curing ages (L=6 mm, K=8 m)

6.2.1 擴(kuò)寬寬度對(duì)擴(kuò)寬路堤邊坡穩(wěn)定性的影響

從圖7中可以看出，各擴(kuò)寬度下的安全系數(shù)表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，隨路堤擴(kuò)寬度的增加出現(xiàn)小幅度的增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)幅度隨坡度系數(shù)升高而增大.這說(shuō)明路堤擴(kuò)寬度在6～10 m變化對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)有影響，擴(kuò)寬時(shí)適當(dāng)增加寬度有助于提升擴(kuò)寬路堤穩(wěn)定性.

圖7 不同坡度系數(shù)下安全系數(shù)與 擴(kuò)寬度關(guān)系曲線(H=5 m)Fig.7 Relationship between safety factor and expansion width under different slope coefficients (H=5 m)

6.2.2 路堤坡度系數(shù)對(duì)擴(kuò)寬路堤穩(wěn)定性的影響

從圖8(a)中可以看出，路堤邊坡坡度對(duì)路堤邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，增大坡度系數(shù)是防止路堤邊坡失穩(wěn)的有效處置措施.從圖8(b)可以看出，安全系數(shù)除受坡度系數(shù)影響顯著.隨坡度系數(shù)增加，安全系數(shù)增大；隨路堤高度增加，安全系數(shù)顯著性降低.在路堤高度為8 m時(shí)，坡度系數(shù)應(yīng)大于1.00；路堤高度為10 m時(shí)，坡度系數(shù)至少應(yīng)在1.5附近.

圖8 路堤坡度系數(shù)與安全系數(shù)關(guān)系曲線Fig.8 Curve of embankment slope coefficient and safety factor

6.2.3 路堤高度對(duì)擴(kuò)寬路堤穩(wěn)定性的影響

從圖9中可以看出，安全系數(shù)隨路堤高度增大而迅速減小，主要是由于路堤增高，滑移面更易形成貫通.這說(shuō)明改變路堤高度不失為防治路堤邊坡失穩(wěn)的一種措施；在路堤高度受到約束時(shí)，考慮增加坡度系數(shù)也是有效的工程對(duì)策.

圖9 不同坡度系數(shù)下安全系數(shù)與路堤高度 關(guān)系曲線(K=6 m)Fig.9 Relationship between safety factor and embank ment height under different slope coefficients (K=6m)

7 結(jié)論

(1)影響玄武巖纖維灰土抗剪強(qiáng)度的主次因素順序?yàn)椋簤簩?shí)度、含水率、纖維摻量、纖維長(zhǎng)度.正交試驗(yàn)最優(yōu)水平組合為A2B2C2D3，即：纖維長(zhǎng)度6 mm、纖維摻量0.4%、含水率25%、壓實(shí)度0.95.

(2)玄武巖纖維灰土路堤邊坡安全系數(shù)隨纖維摻量先增加后減小， 最佳摻量為0.6%，結(jié)合直剪試驗(yàn)結(jié)果，工程應(yīng)用建議纖維摻量為0.4%～0.6%.7 d齡期安全系數(shù)較3 d齡期養(yǎng)護(hù)時(shí)大，且較為顯著.這與纖維灰土黏聚力隨纖維摻量的變化規(guī)律是一致的.

(3)選取最優(yōu)纖維灰土組合作為填土材料進(jìn)行分析，安全系數(shù)隨擴(kuò)寬路堤的擴(kuò)寬寬度增加呈現(xiàn)小幅增加，隨擴(kuò)寬路堤的坡度系數(shù)增大呈近似線性增加特征，隨路堤高度增加呈急速降低趨勢(shì).