新型护坡结构骨料配比试验研究及数值分析

2023-01-09张国祥孙爱斌王亚坤钱任

铁道建筑 2022年11期

张国祥孙爱斌王亚坤钱任

中国铁路设计集团有限公司，天津 300142

伴随各个地区交通网络的逐步完善，为保证道路边坡质量，格构式护坡已经成为一种普遍的边坡防护手段。针对装配式护坡结构的优化及支护特性，秦宇、曹以灿、黄帆、徐化新、曹尤格等［1-5］通过改变装配式护坡构造研究了新型构造下支护及功能性的优化设计。刘妮娜等［6］结合实际工程滑坡的治理，探讨了格构式锚杆框架结构支护松散堆积边坡的设计全过程。王猛等［7］结合路基工程实例总结格梁锚索在路堑边坡防护中应用的施工技术要点。禹建文［8］结合武英高速公路探究了预应力锚杆框架梁在边坡中的加固作用与机理。Galli等［9］定量地讨论了桩土力学相互作用以及桩基行为中可能存在的非线性位移。Abdi等［10］使用有限元方法数值模拟并充分评估方框和土工格栅的支护效应。Stocker等［11］指出土钉支护时在边坡冻结期间土钉轴力明显提高，而解冻之后土钉轴力开始衰减。Mosallanezhad等［12］通过数值模拟和试验方法研究了一种新型抗拔阻力系统，用于测量加筋土系统中土与钢筋之间的相互作用参数。梁明学等［13］对预应力锚索加固的一个典型边坡工点进行非线性有限元分析，探讨了边坡的位移及安全系数。朱大鹏等［14］通过现场试验分析了格构梁在边坡治理过程中的内力变化情况，重点讨论了格构梁在纵梁和横梁中的锚固力分配问题。朱宝龙等［15］通过现场试验，研究了预应力锚索框架在土质边坡支护中的内力分布规律。韩冬冬等［16］通过大型物理模型试验，分析了土质格构锚杆在坡顶荷载作用下的位移与受力情况。

在北方寒冷地区地层复杂，环境温度多变，格构式边坡防护极易产生涨缩变形导致边坡失稳［17-19］。因此，考虑在格构式骨架中嵌固浆砌片石结构形成一种新型格构式护坡结构。相较于传统格构式边坡防护，新型护坡结构在经济节能前提下能够很大程度提高边坡防护结构的整体稳定性，浆砌片石结构在低温条件下仍可保持较高的力学特性，能够与格构梁共同承担坡顶与边坡土体的荷载，从而优化支护效果。新型结构的选材配比以及支护效果还有待进一步探究。首先，内嵌浆砌片石结构最优选材及配比有待进一步商榷，不同结构在冻融效应下的力学特性以及冻胀损伤表现尚不明确。其次，新型护坡结构的位移应力分布及其与传统格构式护坡结构的差异仍需进一步研究。最后，北方地区特殊气候环境下，护坡结构普遍存在冻融效应，分析格构式护坡结构在温度影响下的力学响应变化规律变得尤为重要。

本文通过室内模型试验以及数值模拟研究冻融效应下浆砌片石结构的最优材质与配合比，从实际工程出发探讨新型护坡结构与传统格构式护坡结构的力学响应规律。分析不同护坡结构的变化差异，验证新型护坡结构的适用性。

1 室内模型试验

1.1 试件的制备

选用西北地区多产的三种石材（多孔玄武岩、花岗岩、石英砂岩）作为浆砌片石结构的骨料，由于现场实际浆砌片石护坡结构尺寸较大，骨料粒径均大于150 mm，室内仪器很难对其力学性能进行检测分析，故本文根据相似理论对浆砌片石结构进行缩尺设计，石材粒径控制在40～70 mm，具体尺寸分别为200 mm×200 mm×200 mm与100 mm×100 mm×400 mm，将立方体试件用于抗压强度测定，条形试件用于砂浆-片石界面黏结强度测定。骨料筛分结果见表1。砂浆中细集料为中砂，水泥选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，基本性能参数见表2。

表1 骨料筛分结果

表2 P·O 42.5水泥的基本性能参数

1.2 试验仪器与设备

本次试验主要使用仪器设备为泰斯特高低温交变湿热试验箱，由工作室、制冷系统、TK6071智能温控仪和PID自协调平衡系统组成，通过可编程温湿度控制器设定试验箱内的环境条件。其中工作室温度在-50～150℃，湿度在20%～98%RH，内胆材质为高级不透钢板。

该高低温交变湿热试验箱的特点为：①通过设备控制系统调节工作室内温湿度，能稳定温度偏差±2℃，湿度偏差+2-3%RH范围内。②能够设定温湿度变化速率，模拟实际冻融循环过程。③可以自由控制各温度区间循环试验时间，实测各循环周期下试件的性能。④可配合静态应变仪，利用粘贴在试件表面的应变片，测定分析各温度区间下试件的应变情况。

试件的力学性能通过骨料-砂浆界面黏结强度与抗压强度反映，分别采用万能试验机WAW-600与Rfp-03智能测力仪测定，见图1。其中万能试验机WAW-600测量精度为±1%，控制加载速率为50 mm/min；Rfp-03智能测力仪加载速率控制在0.5～1.2 MPa/s。

图1 试验仪器

1.3 试验方案

为综合探究浆砌片石结构在冻融后的力学特性及潜在影响因素，本次试验将从冻融周期、结构材质及配比、黏结强度与抗压强度出发设计多种工况。对比各组试件的试验结果，综合评估各材质配比条件下试件的力学特性，具体试验方案见表3与表4。

表3 条形试件配比

具体实施步骤为：①试件初凝后将应变片通过砂浆粘贴在试件侧表面，在标准养护条件下完成终凝成型。②用于强度试验的试件可直接砌筑成型，冻融试件需先放入高低温交变湿热试验箱进行冻融循环处理，依据工程现场所在地春冬季平均昼夜环境温度（-30～15℃），按正弦规律变化对试件进行温度设定，冻融周期为24 h。③将养护7 d与28 d的条形试件放入万能试验机WAW-600的工作台上，使其荷载方向与试件成型时的压力方向保持一致，上下压块应处于试件三分点位置。加载时保持均匀连续，直至试件破坏。④将经过冻融后的立方体试件放入Rfp-03智能测力仪承压板面中心，对准上支撑面确保受力均匀。打开输油阀，当测力仪压力值显示为负数或骤降时，表示试件已被破坏。⑤测定试件温度收缩性能时，通过应变片导线连接静态应变仪，实时观测试件在不同温度区间应变的变化。

表4 立方体试件配合比

2 试验结果及分析

2.1 骨料-砂浆界面黏结强度

按照上述试验方案进行试验后，得出常温下各组试件的抗折强度。通过试件的抗折强度反映结构中骨料-砂浆界面的黏结强度，结果见表5。

表5 骨料-砂浆界面黏结强度

由表5可知：①纯砂浆条形试件的抗折强度远远大于各材质骨料-砂浆界面黏结强度，其次各组试件随着骨料配比的增大其抗折强度都有一定程度的衰减趋势。充分说明了在浆砌片石结构中，首先发生破坏的是骨料与砂浆的交界面处，侧面反映了提高骨料与砂浆的黏结强度能够有效提高浆砌片石结构的整体力学性能。其中多孔玄武岩骨料-砂浆界面黏结强度略高，其28 d养护龄期下平均强度可达2.31 MPa，比7 d养护龄期下强度增强了125%；花岗岩骨料-砂浆界面强度次之，其28 d养护龄期下平均强度可达1.95 MPa，比7 d养护龄期下强度增强了138%；石英砂岩骨料-砂浆界面强度最低，其28 d养护龄期下平均强度可达1.55 MPa，比7 d养护龄期下强度增强了154%。②在试件养护后期，多孔玄武岩骨料-砂浆界面黏结强度略高，分析原因为多孔玄武岩石材表面开口孔隙多，相较于其他两种骨料，其与砂浆的交界面面积更大，能够提供更大的界面黏结强度，提高多孔玄武岩片石结构的抗折强度。而随着养护龄期的增长，界面黏结强度增长最快的是石英砂岩浆砌片石，分析原因是其与砂浆交界面面积小，在养护初期交界面所能提供的黏结强度较低，而在养护后期砂浆强度的提高使得石英砂岩骨料-砂浆界面的黏结强度有所提升。

综上，浆砌片石结构如果出现界面破坏，各骨料与砂浆的黏结强度即为破坏的强度极限值，并可以根据工程现场具体情况除以1.1～1.3的安全系数。三种材质骨料-砂浆界面中多孔玄武岩骨料-砂浆界面最优，石英砂岩骨料-砂浆界面最不利。

2.2 冻融效应

通过对各组试件在不同冻融循环次数下的测定，可得三类骨料材质浆砌片石结构抗压强度及损失率与冻融循环次数的关系曲线，分别见图2、图3。

图2 浆砌片石结构抗压强度与冻融循环次数关系曲线

由图2、图3可知：三类浆砌片石结构中以花岗岩为骨料的试件抗压强度明显较高，在常温下的最大抗压强度可达26.76 MPa，相较多孔玄武岩组及石英砂岩组试件分别增长了4.19、9.25 MPa。随着冻融循环次数的增加，各组试件的抗压强度均有不同程度的衰减。从冻融影响来看，石英砂岩试件衰减幅度最大，150次冻融循环后最小抗压强度为6.34 MPa，损失率达到53%。花岗岩试件衰减幅度最小，150次冻融循环后最小抗压强度为18.56 MPa，损失率为26.37%。无论从抗压强度还是从冻融后损失率来看，三类骨料石材试件中均是砂浆与骨料配合比为1∶2的试件最优，其力学性能更稳定。说明浆砌片石结构抗压强度存在最优配合比，当砂浆与骨料的配比靠近1∶2时其抗压强度与耐久性表现较好。

图3 浆砌片石结构抗压强度损失率与冻融循环次数关系曲线

为了更好地分析浆砌片石的力学特性，利用泰斯特高低温交变湿热试验箱对三类砂浆与骨料的配合比为1∶2的试件进行温缩系数的测定。通过导线连接试件表面应变片与静态应变仪，实时观测三类试件在不同温度区间下的温缩系数，每组试件由三个平行试件组成，取其平均值作为结果，试验结果见表6。

表6 三类浆砌片石的温缩系数

坡顶荷载与温度应力都是边坡防护结构产生破坏的重要原因，其中温度应力与温缩系数成制约关系。由表6可知，三种骨料浆砌片石结构在30～40℃内的温缩系数普遍最大；在0～10℃内的温缩系数最低；温度在0℃以下时，部分温度区间的温缩系数大于正温部分的温缩系数。这是因为浆砌片石在高温时，骨料与砂浆之间的空隙较大，温度降低后骨料与砂浆之间的空隙逐渐缩小，此时的温度收缩很大一部分是由于空隙的收缩闭合。温度在0～10℃时，浆砌片石内的空隙随着温度的降低收缩变大，此时浆砌片石的温度系数比其他温度阶段的温缩系数都要小。随着温度进一步降低，由于水的膨胀系数在不同温度差异较大，在冰点以下温度区间中，浆砌片石结构中水分因冻结体积增大，故其在0℃以下温度区间中温缩系数有所提高，但其平均温缩系数要小于正温部分。其中多孔玄武岩浆砌片石的平均温缩系数明显高于其余两种浆砌片石，表面收缩性能受温度影响较大，分析原因为结构开口孔隙率较大温度变形更严重。其中花岗岩浆砌片石平均温缩系数最小，其在温度效应下抵抗收缩变形的能力最强。

2.3 微观结构分析

通过上述分析可知，在冻融作用下浆砌片石结构强度发生明显衰退，结构内部产生温度应力发生形变。为分析在冻融作用下结构微观的破坏机理，采用高倍显微镜XPV-203E对试件5冻融前后的状态进行微观测定，其微观表现见图4。

图4 试件5冻融前后微观表现

由图4可知：在冻融前砂浆与骨料之间的结合较密实，结构纹理平滑无明显开口孔隙。在冻融后浆砌片石结构内部水分凝结成冰，产生体积膨胀，使得结构中微小毛细孔贯通，砂浆-骨料交界面处产生空隙，对结构造成冻融损伤，影响结构整体力学性能。

3 数值分析

3.1 模型建立及参数

选取传统格构式骨架护坡结构与新型格构式骨架护坡结构（简称为传统结构与新型结构）两种结构进行研究。两种结构骨架尺寸完全一致，边坡实体模型尺寸为22 m×15 m×11 m，斜坡坡长为10 m，预设滑体的高度为4.4 m，滑动面为圆弧形。其中格构梁截面为0.15 m×0.20 m的矩形，格构梁长度为1.6 m；格构节点为边长0.3 m的正方形，厚度为0.3 m，节点四边设有格构搭接凹槽，搭接长度为130 mm，在节点中心预留半径35 mm的锚杆孔。新型结构骨架中嵌固厚40 cm花岗岩浆砌片石，传统结构骨架中填充厚20 cm原土植被。

在数值模型中边坡防护结构包括混凝土与浆砌片石两种材料，混凝土和浆砌片石材料的本构均采用塑性损伤模型模拟。设置边界条件时考虑格构梁在锚杆固定下的作用效果，对每个节点的底部设置了x、y、z三个方向的位移约束。格构梁与节点之间接触设置为hard contact，此时格构梁与节点之间只传递压力而不传递拉力。在模型加载方面，对坡顶施加130 kPa均布荷载、设置浆砌片石的导热系数1.53 W/m·k、锚具施加120 kN的锚固力，将多种荷载传递至格构梁与边坡上。数值模型网格划分见图5。

图5 数值模型网格划分

边坡土体和滑动结构采用Mohr-Coulomb本构关系模型进行数值模拟，建立相应的三维实体单元。格构梁与锚杆采用线弹性本构关系进行模拟，锚杆为钢材，格构梁为混凝土结构。格构梁采用梁单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟。具体模型力学参数按照物理模型试验测得结果选取，见表7。

表7 数值模型力学参数

3.2 模拟结果及分析

输入上述参数建模并加载，得出两种护坡结构支护下的边坡与格构梁位移云图，见图6。

由图6（a）、图6（b）可知：在两种护坡结构支护下边坡的最大位移均出现在坡脚处，且在有支护结构部位的边坡位移明显小于两侧无支护结构部位。其中传统结构支护下边坡最大位移为7.42 mm，新型结构支护下边坡最大位移为8.55 mm。

图6 边坡与格构梁位移结果（单位：cm）

由图6（c）、图6（d）可知：格构梁整体最大位移均在靠近坡底的格构梁中跨部位，并随着靠近坡顶，格构梁位移逐渐减小。传统结构中格构梁整体最大位移为4.15 mm，新型结构中格构梁整体最大位移为5.65 mm。

边坡应力云图见图7。可知，传统结构最大应力为141.73 kPa，新型结构最大应力为129.94 kPa。两种结构支护下边坡应力分布规律基本相同，在格构梁处边坡应力较大，向边坡滑动带四周逐渐减小，在滑动带边缘无格构支护部位应力变大，且在滑动带上部应力较小，下部应力较大。分析原因为边坡中的格构锚固体系对边坡位移产生约束，边坡土体的应力分布规律发生了改变，边坡土体与格构梁直接接触部位的应力提升。