玄武岩纤维灰土力学特性及扩宽路堤边坡稳定性分析

2021-03-30胡文乐何朋立孙松松胡鹏飞谷宏全

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2021年1期

刘华，胡文乐，何朋立，张超，孙松松，胡鹏飞，谷宏全

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055；2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安 710055；3.洛阳理工学院土木工程学院，河南洛阳 471023；4.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819；5.南京泰克奥科技有限公司，江苏南京 210000)

黄土是在当下基础设施不断建设和完善的过程中经常遇到的独特地质载体，具有疏松、多孔等特点，是工程师亟需解决的工程问题之一[1].近年来，随着黄土地区经济的快速发展和对交通基础设施的进一步要求，现有的高速公路存在其运载能力达设计极限的状况，能有效解决问题的高速公路改扩建应运而生，但改扩建作为一种新生工程活动，受到较多约束条件的限制.作为本世纪初公路建设领域所面临的重要问题，不可避免的涉及到新老路堤的融合稳定性等问题，并且新老路基相互作用甚至有可能出现道路横坡突变、新填路堤的整体垮塌[2]等工程病害，给工程中的构筑物及人民生命财产安全造成极大的危害，因此，有关黄土地区扩宽路堤处治技术[3-5]的研究备受关注.

黄土地区有关地基的常见处理方式有很多，玄武岩纤维灰土概念的提出为地基处理提供了新的选择.前人就此展开了大量研究，杨广庆等[6-7]对石灰、粉煤灰、二灰及水泥改良土的力学性能进行了研究，得出了满足高速公路铁路路基要求的最优配比，为石灰改良土的研究提供了理论参考.贺建清等[8]在荷载作用下石灰改良土道路路基的变形进行了研究.胡斌等[9]对纤维类材料进行室内试验和数值模拟研究，认为纤维类材料能较好地提高土的力学性能.被誉为21世纪绿色环保的高性能玄武岩纤维[10]，具有优良的力学性能且具有价格低、耐腐蚀性强、抗老化等诸多优点.但纵观现有研究[11-12]，针对传统加固材料和环保改良材料联合应用于改良路基方面的研究较少，尤其是采用玄武岩纤维灰土进行路基处理方面的研究.

鉴于此，本文采用玄武岩纤维、石灰对豫西湿陷性黄土进行改良处理，采用正交设计研究土样含水率、压实度、纤维掺量、纤维长度等四个因素对纤维灰土的抗剪强度影响，进行了三轴(CU)试验；并基于最优水平组合进行纤维掺量这一因素对纤维灰土抗剪强度的影响规律进行研究，开展了一系列直剪试验，研究纤维掺量、灰土龄期对改良土的抗剪强度指标的影响，并基于试验结果利用ABAQUS对扩宽路堤新老路堤的拼接进行模拟，对改良处理前后的路堤稳定性进行分析，并对扩宽路堤进行不同坡比、坡高等工况下的对比研究，为新老路基的拼接处治对策的选择和优化提供理论数据支撑，并为路堤拼接处理时工程稳定性病害问题的防治提供合理防护建议.

1 试验材料

1.1 供试用土

试验黄土取自洛阳市某基坑工程现场，土质为黄土状粉质黏土，取土深度4.5～6.0 m.基本物理指标：液限wp=30.4%；塑限Ip=19.1%；塑性指标为11.7；最优含水率为17.0%；最大干密度为1.85 g/cm3；湿陷系数为0.016.颗粒分析曲线见图1.

1.2 供试纤维和石灰

供试玄武岩纤维为由长度为6 mm纤维丝压制而成的未处理条状纤维，如图2所示.其基本物理力学参数见表1.试验所用石灰为试验前已经熟化的新鲜熟石灰，未消化残渣过2 mm筛去除，其化学成分见表2.

图1 黄土的颗粒分析曲线Fig.1 Particle analysis curve of loess

图2 玄武岩纤维(6 mm)Fig.2 Basalt fiber/6 mm

表1 玄武岩纤维物理力学参数

表2 石灰化学成分Tab.2 Chemical composition of lime

2 试验内容

2.1 试验方案

按照三七灰土制备土样，三轴试验考虑了土样含水率、压实度、纤维掺量、纤维长度等四个因素对纤维灰土强度影响，每个因素考虑三个水平，养护7 d龄期再进行试验，且均在50 kPa围压下进行.

玄武岩纤维灰土的抗剪强度指标通常可由直剪试验快速得出.基于上述正交试验分析结果，将最优长度6 mm的玄武岩纤维按照干土质量百分比分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的掺量掺入土样，按照三七灰土称取石灰质量.分别养护3 d和7 d.每组试样须制备四个平行试样，分别施加100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa等4个垂直压力，包括原状和重塑的8个试样共计72个试样.

2.2 土样制备

本试验参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)重塑土样的制备方法.制备试样时，将所取土料风干后过2 mm筛，放入保湿缸中备用.

在已有的研究资料中，关于石灰和土拌和制样的方法有两种[13-16]：一种是将过筛后的土样与石灰拌和均匀，然后再加入蒸馏水，拌和均匀后密封静置24 h再在进行制样；另一种方法是根据目标含水率要求加入适量蒸馏水配置土样，密封静置24 h，再掺入石灰，然后立即制备试样.相关研究资料表明，石灰的性能与其中的活性氧化物有密切关系，活性氧化物的含量越高，其胶结能力越强.此外，灰土试样拌和均匀后立即制备试样也较为符合实际工程.关于纤维与土拌和的方法也有两种[10，17]，综合前人的研究经验，本试验首先在室温下风干、碾碎、过2 mm筛，放入干燥器中备用，再将称量好的土与适量纤维拌和均匀，再进行含水率的配置，密封24 h.石灰过2 mm筛，与拌和均匀的纤维土配成三七灰土，并立即进行制样.

2.3 试验过程

本文三轴试验采用TKA-TTS-3S应力路径三轴试验仪，在围压50 kPa下进行固结不排水三轴试验.

本文直剪试验采用的试验仪器为ZJ-2型等应变直剪仪，将四级垂直压力对直径61.8 mm、高20 mm的环刀试样依次进行加载.依据土工试验方法标准进行试验，剪切速率为0.6 mm/min.

3 试验结果与分析

正交试验采用四因素三水平设计，不考虑试验误差造成的影响，不考虑因素间的交互作用，共9组试样，每组设置两个平行试样.试验所用的正交试验因素水平见表3.试验结果见表4.

表3 正交试验的因素水平表Tab.3 Factor level table for orthogonal test

表4 正交试验结果Tab.4 Orthogonal test results

通过极差分析可知，A2B2C2D3为正交设计得出的最优水平组合.此时，对应的各因素水平为纤维长度6 mm、纤维掺量0.4%、含水率25%、压实度0.95.方差分析得到的显著性顺序为：压实度影响>含水率影响>纤维掺量影响>纤维长度影响.

查表知，F0.99(2,9)=8.02，F0.95(2,9)=4.26.对比表5中F值可对显著性进行判定.其中，S表示离差平方和，df表示自由度，Ms为平均离差平方和.

表5 纤维灰土抗剪强度的极差、方差及影响分析表Tab.5 Analysis of the extreme difference, variance and influence of shear strength of fiber ash soil

通过极差分析和方差分析相结合的分析方法，得出正交设计的最优水平组合为A2B2C2D3，即：纤维长度6 mm、纤维掺量0.4%、含水率25%、压实度0.95.

4 试验结果与分析

基于正交设计的试验分析结果，控制含水率、纤维长度和压实度为最优水平，灰土在养护龄期为7 d时不同纤维掺量对抗剪强度指标的影响规律如图3所示.

从图3中可以看出，相同含水率和压实度条件下，7 d养护龄期的抗剪强度指标明显均高于3 d龄期，主要原因是土颗粒表面由于石灰水化反应变得粗糙和晶体的生成[18]，进而在土颗粒表面反应生成胶状CaSiO3，同未反应的Ca(OH)2一起与土颗粒构成团聚体，此时，土孔隙增大，颗粒较为光滑，纤维、石灰及土颗粒间发生相对位移所需的外力较完全反应时偏小.由于Ca(OH)2反应生成胶体CaSiO3是随着时间的增加逐步进行反应的，随着时间增长，水化硅酸钙占比越来越高，土颗粒间的胶结能力增强，再加上纤维的良好的抗拉强度，纤维灰土颗粒间发生相对位移需要较大的外力.对于粘聚力而言，在纤维掺量0.6%时达到最大，这是因为正交试验的最优组合为局部最优解.

图3 不同龄期抗剪强度指标随纤维掺量变化Fig.3 Shear strength indexes at different ages varying with fiber content

5 扩宽路堤边坡稳定性分析

5.1 数值计算模型

路堤扩宽黄土地区数值计算模型见图4，取地基土长40 m，高10 m，高速公路路堤填高H，考虑路堤填料的物理力学性质及行车荷载，原路堤26 m宽，两侧各扩宽K断面，双侧以老路中线为轴对称加宽，选取单侧进行分析，路基及下方地基土采用Mohr-Coulomb弹塑性本构关系.主要研究纤维掺量C、纤维长度L、灰土龄期D、坡高H、扩宽度K、坡度系数m(坡比1：m)对路堤边坡的变形和稳定性分析，各影响因素具体因子水平见表6.

图4 有限元计算模型/mFig.4 Finite element calculation model/m

表6 水平因子

5.2 材料力学参数设置

依据前述原状、重塑素土以及纤维灰土抗剪强度试验数据，并结合其他相似岩土体的物理力学参数进行取值，综合确定模型的计算参数，见表7.路堤所受外力荷载等价于路面结构荷载和交通荷载之和，其中，认为路面结构荷载等价于60 cm厚填土荷载，交通荷载简化为10 kPa均布荷载[18]，综合取值采用20 kPa的等效均布荷载.其他模型材料力学参数见表8.

表7 土的物理力学性质指标Tab.7 Physical and mechanical properties of soil

表8 新路堤填土相关计算力学参数表Tab.8 New embankment fill calculation related to mechanical parameters table

5.3 模型分析方法

有限元强度折减法边坡破坏失稳的判据主要有三种[19]，并且三种判据在理论上具有统一性[20]，虽然将有限元计算的收敛与否作为判据更直接方便，但安全系数不偏于保守，因此，本文以上述有限元计算的特征点位移拐点为失稳判据标准.

6 数值模拟算例结果及分析

6.1 填土材料差异对扩宽路堤稳定性的影响

选取在路堤堤高5 m、坡度系数为1.50、路堤扩宽度为5 m、8 m、10 m的模型，就填土材料差异对扩宽路堤的稳定性展开研究，分别从纤维掺量、纤维长度、养护龄期等方面进行分析.由上述结果可知，素土填筑扩宽路堤的安全系数为1.063，不能满足工程安全要求.因此，下文在进行对比分析时，不再考虑素土填筑对扩宽路堤稳定性的影响.

6.1.1 纤维掺量的影响

图5(a)可见，不同掺量的安全系数均大于设计规范要求的安全系数，且高于素土填筑时的安全系数；安全系数随纤维掺量增加先增大后减小，在0.6%时取到最大.分析其原因，安全系数主要取决于纤维灰土的抗剪强度特性.因此，纤维掺量对安全系数与黏聚力呈现出较为相似的变化规律.从图5(b)中可以看出，随着折减系数的增加，路堤坡顶的位移逐渐增大.从图5(c)中可以看出，随着折减系数的增加，竖向位移增大；在掺量为0.2%～0.6%范围内，随着掺量增加，相同折减系数对应的竖向位移减小，在0.8%掺量时的折减系数与0.4%时的基本重合.从图5(d)中可以发现，坡顶竖向应力随折减系数增大至1.4以后的趋势为先下降再上升，除纤维掺量为0.6%未完成此过程，其余三个掺量均以完成，说明0.6%掺量时的路堤应力上升相对滞后，具有“后强”效应特征，这与前述试验黏聚力变化规律相一致.

图5 纤维掺量与安全系数及特征点位移、应力关系曲线Fig.5 Fiber blending capacity and safety factor, characteristic point displacement and stress curve

6.1.2 养护龄期的影响

图6可见，7 d养护龄期的安全系数均较同条件下的3 d龄期的大，且都满足安全系数要求，在纤维掺量为0.6%时龄期的增长使得安全系数提升效果显著.由前述(图3)纤维灰土的抗剪强度室内试验进行分析，黏聚力随养护龄期的增加表现出增大的特征，使得纤维灰土的抗剪强度得到提高，从而导致路堤边坡安全系数得到提升.

6.2 不同工况下扩宽路堤安全系数分析

由上述分析可知，填土材料的最优情况为：6 mm长度、0.6%掺量、7 d养护龄期，在该组合下，土样的抗剪强度指标最优，且扩宽路堤的稳定系数最大.基于上述研究，设置不同坡型对扩宽路堤边坡稳定性进行计算，并基于最不利影响因子进行考察.

图6 不同养护龄期下安全系数与纤维掺量关系曲线(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 扩宽宽度对扩宽路堤边坡稳定性的影响

从图7中可以看出，各扩宽度下的安全系数表现出相似的变化规律，随路堤扩宽度的增加出现小幅度的增长，且增长幅度随坡度系数升高而增大.这说明路堤扩宽度在6～10 m变化对边坡稳定安全系数有影响，扩宽时适当增加宽度有助于提升扩宽路堤稳定性.

图7 不同坡度系数下安全系数与扩宽度关系曲线(H=5 m)Fig.7 Relationship between safety factor and expansion width under different slope coefficients (H=5 m)

6.2.2 路堤坡度系数对扩宽路堤稳定性的影响

从图8(a)中可以看出，路堤边坡坡度对路堤边坡的稳定性影响显著，增大坡度系数是防止路堤边坡失稳的有效处置措施.从图8(b)可以看出，安全系数除受坡度系数影响显著.随坡度系数增加，安全系数增大；随路堤高度增加，安全系数显著性降低.在路堤高度为8 m时，坡度系数应大于1.00；路堤高度为10 m时，坡度系数至少应在1.5附近.