高分子固化劑加固土質邊坡的穩定性分析

汪 勇，劉 瑾，張 達，馮 巧，亓孝輝，馮嘉馨

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098)

高分子固化劑加固土質邊坡的穩定性分析

汪 勇，劉 瑾，張 達，馮 巧，亓孝輝，馮嘉馨

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098)

分析高分子固化劑的加固機理，并利用室內試驗測得的抗剪強度參數，采用Slide軟件進行數值建模，主要研究在不同邊坡坡比工況下，固化劑的濃度和加固厚度對邊坡穩定性的影響。研究結果表明：高分子固化劑的護坡機理主要為高分子固結成膜加固，植被根系的錨固和加筋作用。高分子固化劑對于不同坡比工況下的邊坡穩定性的提高均具有積極的作用。在同一坡比工況下，加固深度對于穩定性的影響受其他因素相關性小，而固化劑濃度對于穩定性的影響受本身穩定性系數影響，與其他因素相關性較大。當邊坡坡比越小時，即原坡面穩定性系數越小時，加固后穩定性系數增加的比例越小。高分子固化劑應用到工程邊坡上，促進邊坡坡面的植被生長與恢復，根被根系的加固作用將更有利于提高邊坡的穩定性。

高分子固化劑；土質邊坡；加固機理；穩定性；數值模擬

大量修建的城市基礎設施以及大型交通工程和水利工程中天然裸露坡面或開挖造成的新鮮坡面，在降雨等條件的作用下，容易造成坡面及周邊水土流失、植被破壞嚴重等問題。傳統的護坡方式達不到當今社會對于節省人力、追求綠色環保的理念[1-2]。生態護坡的理念已漸漸成為工程首選方案。將高分子固化劑運用在邊坡加固上，對土壤的強度進行改善，同時也有利于植被的恢復，從而達到提高土體穩定和防治水土流失的目的[3-6]。目前的研究主要集中在對高分子固化劑的研發和固化機理的探討階段[7-9]，對于高分子固化劑在工程加固方面的實用效果和工況變化對于加固影響缺少較為全面的研究。本論文利用Slide軟件進行數值模擬，對固化劑濃度、加固深度、邊坡坡比等因素進行較為系統的研究，得出高分子固化劑加固效果的變化情況。本課題組選用了STW型高分子固化劑作為研究對象，室內試驗獲得建立邊坡模型的基本物理性質參數，對不同因素進行定量分析，并分析植被護坡的力學機理，為邊坡生態治理提供指導。

1 加固機理分析

高分子固化劑對土質邊坡的加固機理可以分為兩方面：高分子固結護坡，生態護坡。

在STW型高分子固化劑中，乳膠粒是改善土壤性質的有效成分。乳膠粒的表面在乳液中被大量帶有負電的乳化劑吸附，當把高分子固化劑稀釋液噴灑到土壤表面，稀釋液會慢慢滲透到深處，將表層土都包裹在內。稀釋液中的乳膠粒與土顆粒接觸后，帶負電的乳膠粒由于靜電吸附作用而吸附到土顆粒表面。內部的聚醋酸乙烯酯聚合物的長鏈逐漸展開，聚醋酸乙烯酯聚合物的分子鏈含有大量官能基團，其中就包括羧基和羥基兩類親水基團。由于親水基團與土顆粒發生的這些物理及化學作用，這樣就會使得高分子鏈上的親水基團朝向土顆粒，緊密結合；疏水性的碳碳高分子長鏈在土顆粒表面及空隙內，構建出牢固的網狀膜結構，將土體包含在內，成為一個有機的整體，起到穩定固化土壤的作用。

在邊坡表面噴灑高分子固化劑時，可以添加適當比例的植被種子與營養液，營養液有助于種子的生長，加速植被的形成。植被根系的加固作用，主要有兩部分：深根錨固作用和淺根增加強度作用。無植被土體的粘聚力c、最大主應力σ1和最小主應力σ3均較小，摩爾—庫倫圓的破壞線的值較小，而有植被的土體的粘聚力增加Δc，最大和最小主應力分別增加Δσ1和Δσ3，摩爾—庫倫圓的破壞線的值較大。

植被的主根一般會扎入到加深的土層中，將植被種植在邊坡表面，主根會穿過邊坡表面發生風化或侵蝕后而比較松散的表層土，類似于邊坡工程治理中常用的預應力錨桿。植被的須根纖細且多，一般生長較淺，在邊坡表層土中會相互交叉，使邊坡表層土層在橫向上連接起來，把它們變成一個混合整體。植被根系在很大程度上相當于土體的加筋材料，對土體進行物理加固，提供土體的穩定性。植被根系在土體中交錯生長，容易形成網狀的加筋網，在很大程度上減少了土體的變形，提高了土顆粒間的粘聚力和摩擦角。

2 參數選取

2.1固化劑參數

為了獲得建立模型進行數值分析的基本物理性質參數，課題組選用了STW型高分子固化劑進行室內評價。STW型高分子固化劑是一種質地細膩，無可見顆粒物的可與水任意比例互溶的有機高分子材料。它的基本參數如表1。

2.2強度參數

在自然狀態下，將現場取得的膨脹土邊坡表層土風干，破碎后用2 mm標準篩進行篩選。取清水作對比樣，再將高分子固化劑稀釋成3種不同濃度10%、20%和30%的稀釋液，試樣制備完成后，然后分別噴灑相同量的水和稀釋液到土體上攪拌均勻。試驗中將土的含水率調至17.8%，測得干容重為1.7 g/cm3。土樣攪拌均勻后采用靜力壓實法壓實制成相應的土樣，在養護箱分別養護48 h后進行抗剪切試驗。抗剪切試驗所采用的試驗儀器是應變控制式直剪儀，試驗過程中設計了四級荷載，分別為50、100、200和300 kPa，剪切的應變速率為0.8 mm/min。得到的改性土的抗剪切強度參數見表2。

表1 STW型高分子固化劑基本參數

表 2 抗剪切強度參數

3 數值模擬分析

3.1邊坡模型

在本章建立的模型中，假設邊坡為一理想狀態下的均勻土質邊坡，邊坡高度為10m，整個坡面裂隙均勻分布，設置為10cm深。根據《江蘇省地下水監測年報》，蘇南地區的地下水位為1～3m，故該模型設置的地下水位為3m。邊坡模型示意圖見圖1。

3.2穩定性分析

根據室內土工試驗測得的抗剪強度參數，對上述邊坡模型設置參數，對邊坡進行了穩定性評價。

本文主要建立三組邊坡模型，取邊坡坡比分別為1:1.5、1:1和1:0.8，在各組邊坡模型上改變坡面加固土的厚度(10、20、30、40、50cm)和固化劑濃度(10%、20%、30%)對應的抗剪強度參數，從而得到以下不同狀況下的穩定性系數。

將參數代入模型計算分析得到不同條件下的穩定性系數，將所得數據制成折線圖2-圖4。

由圖2-圖4可知，高分子固化劑會在一定程度上增加邊坡的穩定性系數，提高邊坡的穩定性。從整體上來看，在相同邊坡坡比的工況下，加固后的穩定性系數均比未加固的大，當固化劑濃度越大時，穩定性系數越大；根據折線圖的變化趨勢，當固化劑濃度為10%和20%時，邊坡穩定性系數增加的幅度較大，當濃度為30%時，穩定性系數的增加幅度明顯較小，20%的濃度是發揮高分子固化劑加固作用的較理想的濃度。

在任一邊坡坡比工況下，固化劑濃度不改變，隨著加固深度的增加，邊坡的穩定性系數逐漸增加，并且呈線性增加的趨勢，可以得出加固深度對于穩定性系數的影響與其他因素的相關性較小。

根據以上分析，為了了解濃度為20%的固化劑在添加前后對于穩定系數的影響，選取了加固深度為30cm，比較在三種坡比模型中穩定性系數的增加比例。

表3 穩定性系數增加比例

由表3可以看出，當坡比為1:1.5時，增加比例為0.406%；當坡比為1:0.8時，增加比例為0.500%；當坡比為1:1時，增加比例為0.464%，由此可見，當邊坡坡比越小時，即原坡面穩定性系數越小時，加固后穩定性系數增加的比例越小。

4 結論

1)高分子固化劑的加固機理是高分子在坡面固結成膜，植被根系的加固作用將更有利于提高邊坡的穩定性。

2)高分子固化劑對土質邊坡加固后，會一定程度地提高邊坡的穩定性，對于提高邊坡穩定性具有積極作用。

3)在相同邊坡坡比的情況下，相同的加固深度，固化劑濃度越大，邊坡的穩定性系數越大；相同的固化劑濃度，隨著加固深度不斷增加，穩定性系數呈線性增加。

4)加固深度對于穩定性的影響受其他因素相關性小，而固化劑濃度對于穩定性的影響受本身穩定性系數影響，與其他因素相關性較大。

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(責任編輯 李軍)

Simulation of average effective saturation distribution in unsaturated soil slope

WANG Yong,LIU Jin,ZHANG Da,FENG Qiao,QI Xiaohui,FENG Jiaxin

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 210098, China)

As a new type of soil reinforcement material，polymer curing agent plays an important role in slope greening and slope stability． The polymeric solidified agent reinforcement mechanism was analyzed， and the laboratory test of shear strength parameters was carried out． The aim of these works is to analyze the influence of the curing agent concentration and reinforcement thickness on slope stability under different slope conditions． The results show that the slope protection mechanism of the polymer curing agent is mainly for the consolidation of the polymer and the anchoring and reinforcement of the vegetation root system． The slope stability of polymer curing agent for different slope under the condition of the increase has a positive effect． In the same slope conditions，reinforced depth for stability is more affected by other factors than the curing agent concentration． Application of polymer curing agent to the slope engineering can promote the growth and restoration of vegetation on the slope surface，and the root reinforcement effect will be more conducive to improve the stability of the slope．

polymer curing agent; slope; strengthening mechanism; stability; numerical simulation

1673-9469(2016)04-0014-03

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.004

2016-07-06

國家自然科學基金資助項目(41472241，41202208)

汪勇(1993-)，男，安徽蕪湖人，碩士，主要研究方向為邊坡穩定性分析。

TU43

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