聚丙烯酰胺改良黏土邊坡穩(wěn)定性分析

史海平 李中堯 李文煒 趙哲葦 李家歡 王 毅 王保田 王培清

1. 西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院 西藏 林芝 860099 ；2. 河海大學(xué)巖土工程研究所 江蘇 南京 210098

藏東南地區(qū)地理位置特殊，冷暖交替明顯，土樣種類復(fù)雜多樣，除了分布著廣闊的砂卵石土外，黏土也占有極大的比例。黏土對溫度和水分的變化十分敏感，在反復(fù)凍融以后，黏土的宏觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為都會受到影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者對黏土的改良主要通過添加固化劑，其中聚丙烯酰胺是一種線性高分子聚合物，本文采用陽離子、1 200萬相對分子質(zhì)量的聚丙烯酰胺對黏土進行改良，相較于其他外摻劑，該材料具有低碳無毒、綠色環(huán)保、用量少的特點，比傳統(tǒng)的水泥、石灰等土壤固化材料有較好的環(huán)境和經(jīng)濟效益，具有獨特的土壤固化效果和廣泛的實用性。近些年，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于改良黏土基層及底基層、邊坡防護等工程建設(shè)當(dāng)中。

聚丙烯酰胺（PAM）是一種有機類高分子水溶性聚合材料，具有改善土體持水性、滲透性以及穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。朱燕等[1]利用新型親水性聚丙烯酸酯乳液（ZM）對人工配制含鹽量（質(zhì)量分數(shù)，下同）3%的氯鹽澤土進行改良，通過單杠桿固結(jié)儀進行壓縮試驗。研究表明，ZM固化后的鹽澤土壓縮性明顯降低，固化鹽澤土壓縮性隨著齡期的增加而提高；張鵬等[2]利用玄武巖纖維與聚丙烯酰胺對粉土路基進行改良，研究表明，聚丙烯酰胺能改良、改變土體破壞形式，提高剪切剛度與剪切強度；唐朝生等[3]利用聚丙烯纖維改良素土、石灰土和水泥土，通過無側(cè)限抗壓強度試驗，表明加入聚丙烯纖維后改良強度、水穩(wěn)性都有不同程度的提高；薛慧君等[4]對內(nèi)蒙古陰山北麓水泥紅黏土通過單摻聚丙烯酰胺、復(fù)摻聚丙烯酰胺和粉煤灰進行改良，無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果表明，隨著聚丙烯酰胺增加，水泥紅黏土強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；曾軍等[5]通過無側(cè)限抗壓強度試驗，研究聚丙烯纖維對紅黏土抗壓強度的影響，結(jié)果表明：在紅黏土中摻入一定比例的聚丙烯纖維可以有效提高無側(cè)限抗壓強度。綜上所述，不同改良材料可以在一定程度上提高黏土強度。為了使改良材料更好地應(yīng)用于工程實踐中，探討加入聚丙烯酰胺對黏土邊坡穩(wěn)定性影響十分有必要。

本文以西藏林芝市比日神山的黏土為研究對象，配制不同比例單摻PAM和復(fù)摻PAM、木質(zhì)纖維素的改良土試樣進行凍融循環(huán)試驗。在不同凍融循環(huán)次數(shù)下進行直剪試驗，研究PAM和木質(zhì)纖維素在不同凍融循環(huán)次數(shù)下對黏土試樣抗剪強度影響。根據(jù)試驗結(jié)果，利用Abaqus軟件建立邊坡模型，計算不同凍融循環(huán)次數(shù)下黏聚力與內(nèi)摩擦角對邊坡安全系數(shù)的影響，進一步確定PAM與木質(zhì)纖維素摻量最優(yōu)配比。

1 試驗材料

本文試驗土體取自西藏林芝市，是一種廣泛分布于中國高海拔地區(qū)的黏土。為更好地了解其特性，進行了液塑限、擊實及比重試驗，其基本性質(zhì)見表1。

表1 黏土基本性質(zhì)

2 試驗方法

2.1 試驗流程

按照不同改良劑比例配制改良土試樣，配制的不同改良劑摻量及比例見表2。每種配比基于最優(yōu)含水率制作改良土快剪試樣72個，直徑61.8 mm，高度20 mm。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7 d后取出進行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗，達到規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)后進行直剪試驗，確定抗剪強度指標(biāo)黏聚力、內(nèi)摩擦角。

表2 試樣配制情況

2.2 凍融循環(huán)

在每次凍融循環(huán)過程中，試樣首先在－20 ℃下凍結(jié)12 h，然后在20 ℃下解凍12 h，在第0、1、3、5、7、10次循環(huán)結(jié)束后，分別對各個快剪試樣進行稱重，確定其含水率變化后進行后續(xù)試驗。

2.3 快剪試驗

直接剪切試驗按照規(guī)范SL237—1999《土工試驗規(guī)程》[6]（已被廢止，但無替代標(biāo)準(zhǔn)，因此仍以此標(biāo)準(zhǔn)進行試驗）在ZJ型應(yīng)變控制直剪儀下進行。試驗中，剪切速率為0.8 mm/min，豎直方向施加的4級荷載分別為：100、200、300、400 kPa，如圖1所示，當(dāng)剪切位移達到4 mm后停止試驗?；谠囼灁?shù)據(jù)獲取不同垂直壓力下的峰值剪應(yīng)力，并進行線性擬合，根據(jù)式（1）求得剪應(yīng)力，由摩爾-庫侖定律推算出制備試樣的抗剪強度參數(shù)黏聚力、內(nèi)摩擦角。

圖1 ZJ型應(yīng)變控制直剪儀

3 凍融循環(huán)對抗剪強度參數(shù)的影響

3.1 凍融循環(huán)對PAM單獨改良黏土抗剪強度參數(shù)的影響

圖2、圖3為未改良黏土試樣及PAM單獨改良黏土試樣在凍融循環(huán)后的抗剪強度參數(shù)變化曲線，未改良黏土內(nèi)摩擦角與黏聚力較低，經(jīng)過凍融循環(huán)后，其內(nèi)摩擦角、黏聚力呈緩慢下降趨勢，最終在小幅度范圍內(nèi)波動，說明凍融循環(huán)對未改良黏土的內(nèi)摩擦角影響不大，因此凍融循環(huán)對黏土抗剪強度的影響不容忽視。

圖2 PAM改良土試樣內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

圖3 PAM改良土試樣黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

3.1.1 凍融循環(huán)對單摻PAM改良黏土內(nèi)摩擦角的結(jié)果分析從圖2可以看出，凍融循環(huán)對PAM改良土的內(nèi)摩擦角有著提升作用，隨著凍融次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角逐漸上升，總體而言，在經(jīng)過7次凍融循環(huán)后逐漸穩(wěn)定，或有小幅度下降。PAM摻量為0.4%時，未經(jīng)過凍融循環(huán)內(nèi)摩擦角為27.9°，在凍融循環(huán)1、3、5、7次后，內(nèi)摩擦角持續(xù)上升到37.3°，比未經(jīng)過凍融循環(huán)提升33.4%，隨后進行凍融循環(huán)，內(nèi)摩擦角又開始緩慢降低，經(jīng)過10次凍融循環(huán)，內(nèi)摩擦角降至33.5°，表明相同PAM摻量下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加對內(nèi)摩擦角的影響逐漸減弱，經(jīng)過前5次凍融循環(huán)，使土體顆粒之間的密實度迅速降低，后期凍融循環(huán)對土體密實度幾乎無影響，導(dǎo)致后期凍融循環(huán)土體內(nèi)摩擦角變化微小。但是當(dāng)PAM摻量較大時，會減小土體顆粒之間的摩擦，從而降低土體的內(nèi)摩擦角，盡管隨著凍融循環(huán)的進行，內(nèi)摩擦角會逐漸上升，但這一現(xiàn)象說明PAM摻量不宜過多。

3.1.2 凍融循環(huán)對單摻PAM改良黏土黏聚力的結(jié)果分析

從圖3可以看出，單摻PAM改良黏土黏聚力先隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加急劇減小，隨后趨于穩(wěn)定，未改良黏土隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加緩慢降低。PAM不同比例摻量對黏土黏聚力有不同程度的提高，0次凍融循環(huán)下，未改良黏土黏聚力為33.4 kPa，PAM摻量為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%時，黏聚力較未改良黏土黏聚力分別提高34%、147%、230%、269%、322%，其中PAM摻量0.4%時，黏聚力比PAM摻量0.1%、0.2%時有顯著提高，從經(jīng)濟與作用考慮，選擇PAM摻量0.4%改良更加合理。未改良黏土0次凍融循環(huán)較10次凍融循環(huán)，黏聚力降低37.7%，未改良黏土凍融循環(huán)對黏土強度影響較小。表明凍融循環(huán)過程中，土孔隙里的水受凍膨脹，融化后孔隙增大，使得PAM作用于土體顆粒間的膠結(jié)作用被削弱，PAM產(chǎn)生的膠體也出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而在宏觀上就體現(xiàn)在土體黏聚力的降低。

3.2 凍融循環(huán)對PAM及木質(zhì)纖維素復(fù)合改良黏土抗剪強度參數(shù)的影響

圖4、圖5匯總了不同凍融循環(huán)次數(shù)后，PAM和木質(zhì)纖維素復(fù)合改良黏土抗剪強度參數(shù)的變化，從圖中可以看出多次凍融循環(huán)對復(fù)合改良黏土內(nèi)摩擦角的影響并不大，不同摻量試樣內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)也較為接近，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，整體呈現(xiàn)緩慢波動上升的趨勢，比單摻PAM改良黏土內(nèi)摩擦角有顯著提高。復(fù)合改良黏土黏聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，總體呈現(xiàn)波動緩慢下降的趨勢，與單摻PAM改良黏土黏聚力相比有較大提高，加入木質(zhì)纖維素可以提高黏土之間的膠結(jié)能力，在土體顆粒之間形成骨架作用，同時黏土填充骨架孔隙，形成骨架密實結(jié)構(gòu)，可提高黏土抗剪強度。

圖4 復(fù)合改良土試樣內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

圖5 復(fù)合改良土試樣黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

3.2.1 凍融循環(huán)對復(fù)合改良黏土內(nèi)摩擦角的結(jié)果分析

從圖4可以看出，未改良黏土0次凍融循環(huán)內(nèi)摩擦角為28.3°，經(jīng)過PAM摻量0.4%、木質(zhì)纖維素摻量1%、2%、3%、4%的復(fù)合改良黏土內(nèi)摩擦角較未改良黏土分別提高73.1%、90.8%、79.5%、60.9%，PAM摻量0.4%、木質(zhì)纖維素摻量2%的改良黏土明顯優(yōu)于其他木質(zhì)纖維素摻量。不同摻量經(jīng)過1次凍融循環(huán)，PAM摻量0.4%、木質(zhì)纖維素摻量2%的內(nèi)摩擦角高于其他比例摻量。PAM摻量0.4%、木質(zhì)纖維素摻量2%呈現(xiàn)出前3次凍融循環(huán)內(nèi)摩擦角緩慢下降，隨后凍融循環(huán)次數(shù)增加，內(nèi)摩擦角緩慢上升，直至10次凍融循環(huán)時，該比例摻量比其他比例摻量高出約6.2%，較未改良黏土，內(nèi)摩擦角增加142.9%，選取PAM摻量0.4%、木質(zhì)纖維素摻量2%明顯優(yōu)于其他比例摻量。

3.2.2 凍融循環(huán)對復(fù)合改良黏土黏聚力的結(jié)果分析

圖5表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，復(fù)合改良黏土試樣黏聚力呈波動緩慢下降，僅PAM摻量為0.4%、木質(zhì)纖維素摻量為2%的改良黏土試樣黏聚力在3次凍融循環(huán)前有所上升，明顯高于其他比例摻量的黏聚力，但后來隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加開始下降，當(dāng)木質(zhì)纖維素摻量為2%時，黏聚力的變化波動較小且較未改良黏土黏聚力提高最大。因此，針對藏東南地區(qū)黏土，采用PAM及木質(zhì)纖維素復(fù)合改良可以有效提高黏土的抗剪強度，使得改良土在多次凍融循環(huán)后仍然保持較高的黏聚力。從成本與抗剪強度角度考慮，可采用摻量0.4%的PAM及摻量2%的木質(zhì)纖維素進行黏土改良。

4 Abaqus邊坡穩(wěn)定性模擬

4.1 基于強度折減法的有限元基本原理

強度折減有限元法是目前土坡穩(wěn)定分析中使用較為廣泛的一種分析方法，將土體實際強度指標(biāo)c、φ與折減系數(shù)關(guān)系通過式（2）、式（3）計算，得到相對應(yīng)的cm、φm，然后在其他參數(shù)不變的情況下，將折減后的材料參數(shù)黏聚力、內(nèi)摩擦角代入有限元模型進行仿真模擬計算，當(dāng)剛好達到邊坡臨界破壞極限時的折減系數(shù)即為邊坡安全系數(shù)Fs。本文建立邊坡有限元模型，對黏土天然狀態(tài)下與利用PAM和木質(zhì)纖維素改良之后黏聚力、內(nèi)摩擦角數(shù)值變化，通過強度折減法數(shù)值仿真模擬，以邊坡有限元數(shù)值迭代不收斂為主要判斷依據(jù)[7-8]，以邊坡出現(xiàn)塑性貫通區(qū)域作為邊坡失穩(wěn)依據(jù)，進而得出黏聚力與內(nèi)摩擦角這2個因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，為邊坡的合理建設(shè)、穩(wěn)定性預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 模型建立

根據(jù)取土位置（94.38°E，29.63°N）現(xiàn)場邊坡形狀，建立均質(zhì)黏土邊坡模型。根據(jù)現(xiàn)場實測建立如圖6所示的模型，底部邊（BC）約束水平與豎直方向位移，邊坡左右兩側(cè)邊界（AB、CD）約束水平方向位移，根據(jù)土工基本試驗取土體容重γ＝26.825 kN/m3，彈性模量E＝98 MPa，泊松比μ＝0.38，黏聚力c＝23.38 kPa，內(nèi)摩擦角φ＝33.36°，剪脹角φ＝0°，其中黏聚力、內(nèi)摩擦角隨場變量變化，場變量取折減系數(shù)（安全系數(shù)FV1），取值范圍在0.5～3.5之間變化，模型中采用4結(jié)點平面應(yīng)變四邊形單元（CPE4），計算區(qū)域共劃分為352個單元，394個結(jié)點，基于Abaqus模擬計算圖，采用平面應(yīng)變有限元理論，通過強度折減法對該邊坡在不同黏聚力、內(nèi)摩擦角進行邊坡穩(wěn)定性分析。

圖6 邊坡模型尺寸（單位：m）

4.3 未改良黏土邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果分析

對未改良黏土邊坡進行穩(wěn)定性分析，利用特征點確定位移安全系數(shù)，選取邊坡頂部E點（節(jié)點4）作為特征點，得到位移隨折減系數(shù)變化曲線（圖7），當(dāng)折減系數(shù)在0.500～1.025區(qū)間變化時，邊坡頂點未發(fā)生明顯位移，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)折減系數(shù)大于1.025時，邊坡頂點位移急劇增加，此時邊坡即將形成塑性貫通區(qū)域，如圖8所示，邊坡面臨失穩(wěn)。由計算模型E點位移與安全系數(shù)關(guān)系得出未改良黏土邊坡安全系數(shù)值為1.025。

圖7 E點位移與折減系數(shù)關(guān)系

圖8 未改良黏土折減系數(shù)1.025時塑性區(qū)

4.4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下PAM改良邊坡穩(wěn)定性分析

采用控制變量法，在其他條件不變的情況下，對未改良黏土、單摻PAM改良黏土、PAM和木質(zhì)纖維素改良黏土在凍融循環(huán)0、1、3、5、7、10次下不同參數(shù)內(nèi)摩擦角、黏聚力進行邊坡模型安全系數(shù)計算，繪制曲線規(guī)律，如圖9、圖10所示。

圖9 單摻PAM改良黏土對邊坡安全系數(shù)的影響

圖10 復(fù)合改良黏土對邊坡安全系數(shù)的影響

4.4.1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下單摻PAM改良邊坡穩(wěn)定性分析

從圖9可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，邊坡安全系數(shù)降低明顯。凍融循環(huán)0次，PAM摻量為0.4%時，安全系數(shù)為1.869，比未改良黏土安全系數(shù)1.025提高了82.3%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，不同PAM摻量安全系數(shù)降低，通過對比分析，對黏土改良PAM摻量0.4%更為合理。相同比例的PAM摻量，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，邊坡安全系數(shù)降低。

4.4.2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下復(fù)合改良邊坡穩(wěn)定性分析

從圖10可以看出，PAM、木質(zhì)纖維素復(fù)合改良的方法能夠顯著提高黏土邊坡的安全系數(shù)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，邊坡安全系數(shù)在3.1上下波動變化。

0次凍融循環(huán)，復(fù)合改良對黏土邊坡安全系數(shù)提升約3倍。經(jīng)過10次凍融循環(huán)，在PAM摻量0.4%，木質(zhì)纖維素摻量1%、2%、3%、4%時計算，邊坡安全系數(shù)較未改良黏土安全系數(shù)分別提高283%、366%、323%、315%，其中木質(zhì)纖維素摻量2%時提升最高。表明PAM、木質(zhì)纖維素對黏土邊坡改良有較好的效果，PAM填充土體孔隙，木質(zhì)纖維素在土體內(nèi)部起膠結(jié)作用。通過PAM與木質(zhì)纖維素改良，使邊坡土體從骨架孔隙結(jié)構(gòu)變?yōu)楣羌苊軐嵔Y(jié)構(gòu)，可有效提高邊坡穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

1）未改良黏土在0次凍融循環(huán)下黏聚力、內(nèi)摩擦角較低，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角進一步降低，溫度對未改良黏土強度具有一定的影響。經(jīng)過PAM改良后的黏土，相比未改良黏土，黏聚力均顯著提高。當(dāng)PAM的摻量為0.4%時，黏聚力的波動上升比較均勻。和其他摻量相比，在該摻量下，黏土對凍融循環(huán)的敏感性較小。

2）選取PAM的摻量為0.4%，另外按摻量1%、2%、3%、4%摻入木質(zhì)纖維素進行黏土改良試驗。改良后黏土的黏聚力、內(nèi)摩擦角相較未改良黏土，均有較大程度地提高，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏土的黏聚力緩慢下降，內(nèi)摩擦角緩慢上升。PAM與木質(zhì)纖維素對黏土邊坡改良有較好的效果，PAM使土體顆粒之間形成團聚，從細小、松散的土體顆粒過渡為團聚的土體顆粒，形成骨架結(jié)構(gòu)且使團聚土體顆粒的抗剪強度提高，隨后加入木質(zhì)纖維素使團聚土體顆粒之間連接，形成整體，可極大地提高黏土抗剪強度。

3）利用Abaqus有限元分析軟件進行不同凍融循環(huán)次數(shù)黏聚力、內(nèi)摩擦角數(shù)值模擬分析，當(dāng)單摻PAM、PAM摻量0.4%與不同比例木質(zhì)纖維素改良黏土?xí)r，邊坡黏聚力、內(nèi)摩擦角增大，黏土抗剪能力增大，抵抗滑坡能力增大，安全系數(shù)增加。