聚丙烯酰胺改良黏土边坡稳定性分析

史海平 李中尧 李文炜 赵哲苇 李家欢 王 毅 王保田 王培清

1. 西藏农牧学院水利土木工程学院 西藏 林芝 860099 ；2. 河海大学岩土工程研究所 江苏 南京 210098

藏东南地区地理位置特殊，冷暖交替明显，土样种类复杂多样，除了分布着广阔的砂卵石土外，黏土也占有极大的比例。黏土对温度和水分的变化十分敏感，在反复冻融以后，黏土的宏观结构和力学行为都会受到影响。目前，国内外学者对黏土的改良主要通过添加固化剂，其中聚丙烯酰胺是一种线性高分子聚合物，本文采用阳离子、1 200万相对分子质量的聚丙烯酰胺对黏土进行改良，相较于其他外掺剂，该材料具有低碳无毒、绿色环保、用量少的特点，比传统的水泥、石灰等土壤固化材料有较好的环境和经济效益，具有独特的土壤固化效果和广泛的实用性。近些年，已经被广泛应用于改良黏土基层及底基层、边坡防护等工程建设当中。

聚丙烯酰胺（PAM）是一种有机类高分子水溶性聚合材料，具有改善土体持水性、渗透性以及稳定土壤结构等优点。朱燕等[1]利用新型亲水性聚丙烯酸酯乳液（ZM）对人工配制含盐量（质量分数，下同）3%的氯盐泽土进行改良，通过单杠杆固结仪进行压缩试验。研究表明，ZM固化后的盐泽土压缩性明显降低，固化盐泽土压缩性随着龄期的增加而提高；张鹏等[2]利用玄武岩纤维与聚丙烯酰胺对粉土路基进行改良，研究表明，聚丙烯酰胺能改良、改变土体破坏形式，提高剪切刚度与剪切强度；唐朝生等[3]利用聚丙烯纤维改良素土、石灰土和水泥土，通过无侧限抗压强度试验，表明加入聚丙烯纤维后改良强度、水稳性都有不同程度的提高；薛慧君等[4]对内蒙古阴山北麓水泥红黏土通过单掺聚丙烯酰胺、复掺聚丙烯酰胺和粉煤灰进行改良，无侧限抗压强度试验结果表明，随着聚丙烯酰胺增加，水泥红黏土强度呈现先增加后减小的趋势；曾军等[5]通过无侧限抗压强度试验，研究聚丙烯纤维对红黏土抗压强度的影响，结果表明：在红黏土中掺入一定比例的聚丙烯纤维可以有效提高无侧限抗压强度。综上所述，不同改良材料可以在一定程度上提高黏土强度。为了使改良材料更好地应用于工程实践中，探讨加入聚丙烯酰胺对黏土边坡稳定性影响十分有必要。

本文以西藏林芝市比日神山的黏土为研究对象，配制不同比例单掺PAM和复掺PAM、木质纤维素的改良土试样进行冻融循环试验。在不同冻融循环次数下进行直剪试验，研究PAM和木质纤维素在不同冻融循环次数下对黏土试样抗剪强度影响。根据试验结果，利用Abaqus软件建立边坡模型，计算不同冻融循环次数下黏聚力与内摩擦角对边坡安全系数的影响，进一步确定PAM与木质纤维素掺量最优配比。

1 试验材料

本文试验土体取自西藏林芝市，是一种广泛分布于中国高海拔地区的黏土。为更好地了解其特性，进行了液塑限、击实及比重试验，其基本性质见表1。

表1 黏土基本性质

2 试验方法

2.1 试验流程

按照不同改良剂比例配制改良土试样，配制的不同改良剂掺量及比例见表2。每种配比基于最优含水率制作改良土快剪试样72个，直径61.8 mm，高度20 mm。在标准养护条件下养护7 d后取出进行不同次数的冻融循环试验，达到规定冻融循环次数后进行直剪试验，确定抗剪强度指标黏聚力、内摩擦角。

表2 试样配制情况

2.2 冻融循环

在每次冻融循环过程中，试样首先在－20 ℃下冻结12 h，然后在20 ℃下解冻12 h，在第0、1、3、5、7、10次循环结束后，分别对各个快剪试样进行称重，确定其含水率变化后进行后续试验。

2.3 快剪试验

直接剪切试验按照规范SL237—1999《土工试验规程》[6]（已被废止，但无替代标准，因此仍以此标准进行试验）在ZJ型应变控制直剪仪下进行。试验中，剪切速率为0.8 mm/min，竖直方向施加的4级荷载分别为：100、200、300、400 kPa，如图1所示，当剪切位移达到4 mm后停止试验。基于试验数据获取不同垂直压力下的峰值剪应力，并进行线性拟合，根据式（1）求得剪应力，由摩尔-库仑定律推算出制备试样的抗剪强度参数黏聚力、内摩擦角。

图1 ZJ型应变控制直剪仪

3 冻融循环对抗剪强度参数的影响

3.1 冻融循环对PAM单独改良黏土抗剪强度参数的影响

图2、图3为未改良黏土试样及PAM单独改良黏土试样在冻融循环后的抗剪强度参数变化曲线，未改良黏土内摩擦角与黏聚力较低，经过冻融循环后，其内摩擦角、黏聚力呈缓慢下降趋势，最终在小幅度范围内波动，说明冻融循环对未改良黏土的内摩擦角影响不大，因此冻融循环对黏土抗剪强度的影响不容忽视。

图2 PAM改良土试样内摩擦角随冻融循环次数变化关系

图3 PAM改良土试样黏聚力随冻融循环次数变化关系

3.1.1 冻融循环对单掺PAM改良黏土内摩擦角的结果分析从图2可以看出，冻融循环对PAM改良土的内摩擦角有着提升作用，随着冻融次数的增加，内摩擦角逐渐上升，总体而言，在经过7次冻融循环后逐渐稳定，或有小幅度下降。PAM掺量为0.4%时，未经过冻融循环内摩擦角为27.9°，在冻融循环1、3、5、7次后，内摩擦角持续上升到37.3°，比未经过冻融循环提升33.4%，随后进行冻融循环，内摩擦角又开始缓慢降低，经过10次冻融循环，内摩擦角降至33.5°，表明相同PAM掺量下，随着冻融循环次数的增加对内摩擦角的影响逐渐减弱，经过前5次冻融循环，使土体颗粒之间的密实度迅速降低，后期冻融循环对土体密实度几乎无影响，导致后期冻融循环土体内摩擦角变化微小。但是当PAM掺量较大时，会减小土体颗粒之间的摩擦，从而降低土体的内摩擦角，尽管随着冻融循环的进行，内摩擦角会逐渐上升，但这一现象说明PAM掺量不宜过多。

3.1.2 冻融循环对单掺PAM改良黏土黏聚力的结果分析

从图3可以看出，单掺PAM改良黏土黏聚力先随着冻融循环次数的增加急剧减小，随后趋于稳定，未改良黏土随着冻融循环次数增加缓慢降低。PAM不同比例掺量对黏土黏聚力有不同程度的提高，0次冻融循环下，未改良黏土黏聚力为33.4 kPa，PAM掺量为0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%时，黏聚力较未改良黏土黏聚力分别提高34%、147%、230%、269%、322%，其中PAM掺量0.4%时，黏聚力比PAM掺量0.1%、0.2%时有显著提高，从经济与作用考虑，选择PAM掺量0.4%改良更加合理。未改良黏土0次冻融循环较10次冻融循环，黏聚力降低37.7%，未改良黏土冻融循环对黏土强度影响较小。表明冻融循环过程中，土孔隙里的水受冻膨胀，融化后孔隙增大，使得PAM作用于土体颗粒间的胶结作用被削弱，PAM产生的胶体也出现裂纹，导致土体结构发生变化，从而在宏观上就体现在土体黏聚力的降低。

3.2 冻融循环对PAM及木质纤维素复合改良黏土抗剪强度参数的影响

图4、图5汇总了不同冻融循环次数后，PAM和木质纤维素复合改良黏土抗剪强度参数的变化，从图中可以看出多次冻融循环对复合改良黏土内摩擦角的影响并不大，不同掺量试样内摩擦角数据也较为接近，随着冻融循环次数的增加，整体呈现缓慢波动上升的趋势，比单掺PAM改良黏土内摩擦角有显著提高。复合改良黏土黏聚力随着冻融循环次数的增加，总体呈现波动缓慢下降的趋势，与单掺PAM改良黏土黏聚力相比有较大提高，加入木质纤维素可以提高黏土之间的胶结能力，在土体颗粒之间形成骨架作用，同时黏土填充骨架孔隙，形成骨架密实结构，可提高黏土抗剪强度。

图4 复合改良土试样内摩擦角随冻融循环次数变化关系

图5 复合改良土试样黏聚力随冻融循环次数变化关系

3.2.1 冻融循环对复合改良黏土内摩擦角的结果分析

从图4可以看出，未改良黏土0次冻融循环内摩擦角为28.3°，经过PAM掺量0.4%、木质纤维素掺量1%、2%、3%、4%的复合改良黏土内摩擦角较未改良黏土分别提高73.1%、90.8%、79.5%、60.9%，PAM掺量0.4%、木质纤维素掺量2%的改良黏土明显优于其他木质纤维素掺量。不同掺量经过1次冻融循环，PAM掺量0.4%、木质纤维素掺量2%的内摩擦角高于其他比例掺量。PAM掺量0.4%、木质纤维素掺量2%呈现出前3次冻融循环内摩擦角缓慢下降，随后冻融循环次数增加，内摩擦角缓慢上升，直至10次冻融循环时，该比例掺量比其他比例掺量高出约6.2%，较未改良黏土，内摩擦角增加142.9%，选取PAM掺量0.4%、木质纤维素掺量2%明显优于其他比例掺量。

3.2.2 冻融循环对复合改良黏土黏聚力的结果分析

图5表明随着冻融循环次数的增加，复合改良黏土试样黏聚力呈波动缓慢下降，仅PAM掺量为0.4%、木质纤维素掺量为2%的改良黏土试样黏聚力在3次冻融循环前有所上升，明显高于其他比例掺量的黏聚力，但后来随着冻融循环次数的增加开始下降，当木质纤维素掺量为2%时，黏聚力的变化波动较小且较未改良黏土黏聚力提高最大。因此，针对藏东南地区黏土，采用PAM及木质纤维素复合改良可以有效提高黏土的抗剪强度，使得改良土在多次冻融循环后仍然保持较高的黏聚力。从成本与抗剪强度角度考虑，可采用掺量0.4%的PAM及掺量2%的木质纤维素进行黏土改良。

4 Abaqus边坡稳定性模拟

4.1 基于强度折减法的有限元基本原理

强度折减有限元法是目前土坡稳定分析中使用较为广泛的一种分析方法，将土体实际强度指标c、φ与折减系数关系通过式（2）、式（3）计算，得到相对应的cm、φm，然后在其他参数不变的情况下，将折减后的材料参数黏聚力、内摩擦角代入有限元模型进行仿真模拟计算，当刚好达到边坡临界破坏极限时的折减系数即为边坡安全系数Fs。本文建立边坡有限元模型，对黏土天然状态下与利用PAM和木质纤维素改良之后黏聚力、内摩擦角数值变化，通过强度折减法数值仿真模拟，以边坡有限元数值迭代不收敛为主要判断依据[7-8]，以边坡出现塑性贯通区域作为边坡失稳依据，进而得出黏聚力与内摩擦角这2个因素对边坡稳定性的影响，为边坡的合理建设、稳定性预测提供科学依据。

4.2 模型建立

根据取土位置（94.38°E，29.63°N）现场边坡形状，建立均质黏土边坡模型。根据现场实测建立如图6所示的模型，底部边（BC）约束水平与竖直方向位移，边坡左右两侧边界（AB、CD）约束水平方向位移，根据土工基本试验取土体容重γ＝26.825 kN/m3，弹性模量E＝98 MPa，泊松比μ＝0.38，黏聚力c＝23.38 kPa，内摩擦角φ＝33.36°，剪胀角φ＝0°，其中黏聚力、内摩擦角随场变量变化，场变量取折减系数（安全系数FV1），取值范围在0.5～3.5之间变化，模型中采用4结点平面应变四边形单元（CPE4），计算区域共划分为352个单元，394个结点，基于Abaqus模拟计算图，采用平面应变有限元理论，通过强度折减法对该边坡在不同黏聚力、内摩擦角进行边坡稳定性分析。

图6 边坡模型尺寸（单位：m）

4.3 未改良黏土边坡稳定计算结果分析

对未改良黏土边坡进行稳定性分析，利用特征点确定位移安全系数，选取边坡顶部E点（节点4）作为特征点，得到位移随折减系数变化曲线（图7），当折减系数在0.500～1.025区间变化时，边坡顶点未发生明显位移，边坡处于稳定状态；当折减系数大于1.025时，边坡顶点位移急剧增加，此时边坡即将形成塑性贯通区域，如图8所示，边坡面临失稳。由计算模型E点位移与安全系数关系得出未改良黏土边坡安全系数值为1.025。

图7 E点位移与折减系数关系

图8 未改良黏土折减系数1.025时塑性区

4.4 不同冻融循环次数下PAM改良边坡稳定性分析

采用控制变量法，在其他条件不变的情况下，对未改良黏土、单掺PAM改良黏土、PAM和木质纤维素改良黏土在冻融循环0、1、3、5、7、10次下不同参数内摩擦角、黏聚力进行边坡模型安全系数计算，绘制曲线规律，如图9、图10所示。

图9 单掺PAM改良黏土对边坡安全系数的影响

图10 复合改良黏土对边坡安全系数的影响

4.4.1 不同冻融循环次数下单掺PAM改良边坡稳定性分析

从图9可以看出，随着冻融循环次数的增加，边坡安全系数降低明显。冻融循环0次，PAM掺量为0.4%时，安全系数为1.869，比未改良黏土安全系数1.025提高了82.3%。随着冻融循环次数增加，不同PAM掺量安全系数降低，通过对比分析，对黏土改良PAM掺量0.4%更为合理。相同比例的PAM掺量，随着冻融循环次数增加，边坡安全系数降低。

4.4.2 不同冻融循环次数下复合改良边坡稳定性分析

从图10可以看出，PAM、木质纤维素复合改良的方法能够显著提高黏土边坡的安全系数，随着冻融循环次数的增加，边坡安全系数在3.1上下波动变化。

0次冻融循环，复合改良对黏土边坡安全系数提升约3倍。经过10次冻融循环，在PAM掺量0.4%，木质纤维素掺量1%、2%、3%、4%时计算，边坡安全系数较未改良黏土安全系数分别提高283%、366%、323%、315%，其中木质纤维素掺量2%时提升最高。表明PAM、木质纤维素对黏土边坡改良有较好的效果，PAM填充土体孔隙，木质纤维素在土体内部起胶结作用。通过PAM与木质纤维素改良，使边坡土体从骨架孔隙结构变为骨架密实结构，可有效提高边坡稳定性。

5 结语

1）未改良黏土在0次冻融循环下黏聚力、内摩擦角较低，随着冻融循环次数的增加，黏聚力、内摩擦角进一步降低，温度对未改良黏土强度具有一定的影响。经过PAM改良后的黏土，相比未改良黏土，黏聚力均显著提高。当PAM的掺量为0.4%时，黏聚力的波动上升比较均匀。和其他掺量相比，在该掺量下，黏土对冻融循环的敏感性较小。

2）选取PAM的掺量为0.4%，另外按掺量1%、2%、3%、4%掺入木质纤维素进行黏土改良试验。改良后黏土的黏聚力、内摩擦角相较未改良黏土，均有较大程度地提高，随着冻融循环次数的增加，黏土的黏聚力缓慢下降，内摩擦角缓慢上升。PAM与木质纤维素对黏土边坡改良有较好的效果，PAM使土体颗粒之间形成团聚，从细小、松散的土体颗粒过渡为团聚的土体颗粒，形成骨架结构且使团聚土体颗粒的抗剪强度提高，随后加入木质纤维素使团聚土体颗粒之间连接，形成整体，可极大地提高黏土抗剪强度。

3）利用Abaqus有限元分析软件进行不同冻融循环次数黏聚力、内摩擦角数值模拟分析，当单掺PAM、PAM掺量0.4%与不同比例木质纤维素改良黏土时，边坡黏聚力、内摩擦角增大，黏土抗剪能力增大，抵抗滑坡能力增大，安全系数增加。