透水性混凝土制備及在護坡工程穩定性中的應用

摘要：針對邊坡保護工程中的生態需要，文章首先結合相關的技術要求，以粉煤灰、粗骨料、水泥等作為原材料，制備透水性混凝土。結果表明，在設置的12組混凝土配比中，通過抗壓強度、抗彎測試和孔隙滲透率測試等，有11組混凝土符合要求。然后以該混凝土配比為基礎，設置支護方案，并通過ABAQUS有限元對透水性混凝土的支護方案進行分析，結果表明符合支護要求，該配比和應用與邊坡支護實用意義重大。

關鍵詞：ABAQUS軟件;透水性混凝土：邊坡工程;穩定性

中圖分類號：TU528.1/.7

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0171-04

Preparation of Permeable Concrete and Its Application inStability of Slope Protection Works

XU Jia-dong

（Shandong Yonggu Survev and Construction Engineering Co.，Ltd..Linyi Shandong 276000，China）

Abstract ： In view of the ecological needs of slope protection engineenng，firstly，combined with the relevant techni-cal requirements，water permeable concrete is prepared with fly ash，coarse aggregate，cement and other raw materi-als.The results show that，among the 12 sets of concrete ratios set，ll groups of concrete meet the requirementsthrough compressive strength，bending resistance test and pore penneability test.Then.based on the concrete ratio，the supporting scheme is set up，and the supporting scheme of permeable concrete is analyzed by ABAQUS finite el-ement method.The results show that it meets the supporting requirements.and the ratio and application are in linewith the slope support.

Key words ： ABAQUS software;permeable concrete;slope engineering;stahility

隨著對環境保護的重視，在邊坡防護工程中需要更多的考慮環保因素，而不是只關注整個工程的穩固性。過去在護坡工程中基本是從穩固性等角度出發進行規劃，忽略了對外部環境的影響，容易導致對原有生態環境的破壞。而一旦生態環境遭到破壞，則難以在短時間內得到有效地恢復，長期發展會對周圍人群的生活質量造成嚴重的影響。當前的建筑受到風雨等外部因素的影響，往往會隨著時間的增長變得更加脆弱，降低了對生態環境的保護作用。針對此問題有很多學者進行了研究，并提出了不同的改進策略。其中綠色生態混凝土屬于一種較為典型的解決方式，其不僅能夠在護坡工程中發揮應有的作用，同時具有更強的環保性和耐久性，不會對環境造成不利的影響，便于營造更宜人的居住環境，因此得到了廣大用戶的認可，體現出較為廣闊的應用前景。

1試驗思路設計

文章主要對巖質邊坡的防護技術進行研究，結合傳統的透水混凝土與錨噴技術形成一種高環保的護坡技術，降低了對環境的不利影響。詳細的參數如下所示：透水性混凝土的孔隙率需要保持在20%以上，以保證植物的生長需求;錨噴混凝土需要達到20MPa以上的強度，以保證邊坡防護的穩定性。因此，結合以上要求，文章主要從2個方面解決：①制備符合要求的透水性混凝土;②設置合理的邊坡支護方案，并通過有限元軟件分析支護效果。

2混凝土制備及性能測試

2.1試驗方案

2.1.1原材料

實驗主要采用的原材料包括：水泥（P.O 42.5硅酸鹽水泥，四川省川南特種水泥廠生產）、粗細骨料（2mm-15mm不同等級）、Ⅱ級粉煤灰、水等。

2.1.2試驗配比設計

對單位透水混凝土中不同材料的使用量進行計算，具體數據信息為表1中所示。

2.1.3試件成型

在試件成型階段，選擇100mmx100mmx550mm和150mmx150mmx150mm兩種模具制作試件。首先將透水混凝土添加到試模內，然后用鐵棒插搗10次，以保證壓實。添加完成后對表面進行抹平處理，然后在養護1d后開始進行脫模處理。在設計過程中采用保鮮膜裹住試件，并定期添加適量的水分，通過這種方式使試件保持濕潤狀態，然后在28d后開始實驗。

2.1.4性能測試

針對以上制備的透水性混凝土試件，采用抗壓強度、抗彎強度和孔隙率等試驗進行性能測試。其中，抗彎強度ff計算公式為：

（1）

式（1）中，L、b、h分別表示支座間距大小、試件寬度與高度，單位均為mm;α表示抗彎強度折減系數，這里將其設置為0.85;F表示極限載荷，單位是牛頓（N）。

有效孔隙率計算公式為：

P=

（2）

其中，Vw為添加達到飽和后的水量;Vs表示完全干燥前試件的體積。

抗壓強度測試則采用RFP-03型智能測力儀、DYE-2000型壓力試驗機，并按照如下的公式進行抗壓強度計算。

f= P/A

（3）

其中，P表示試件破壞時的壓強;A表示受力面積。

2.2透水性混凝土性能測試結果

2.2.1抗壓強度測試結果

表2展示了試件的抗壓強度實驗結果，在水灰比和孔隙率保持一定的情況下，抗壓強度表現出先增加，然后降低的規律。

根據表中數據可以看到，在骨料粒徑不變，隨著粉煤灰替代率的增加，試件的抗壓強度也在不斷的增加;而隨著骨料粒徑的增加，整體的抗壓強度也一定幅度的增加。

2.2.2抗彎強度測試

抗彎強度測試選用100mmx100mmx550mm的試件，并通過抗彎強度測試方法，得到表3所示的結果。根據表3可知，在骨料粒徑大小不變，并且粉煤灰替代率低于20%時，粉煤灰增加，抗壓強度保持增大的趨勢，即2者表現出正相關的關系;但是在粉煤灰替代率高于20%時，繼續增加粉煤灰會導致其抗彎強度的減小。如果粉煤灰替代率不變，則在不同骨料粒徑范圍內的抗彎強度表現出較大的差異性，其中在5-10min范圍內時能夠達到最大的抗彎強度，而在2.5-5mm范圍內最低。

2.2.3孔隙率測試

根據孔隙率測試試驗，得到圖1的結果。

不同骨科粒徑孔隙率數隨粉煤灰替代率變化曲線

根據上圖1中的曲線可知：

1）骨料粒徑不變時，隨著粉煤灰替代率的持續增大，混凝土的孔隙率逐步降低，因此二者屬于負相關的關系。

2）如果粉煤灰替代率不變，則混凝土的孔隙率隨著骨料粒徑的降低而減小，因此二者屬于正相關的關系。

2.2.4孔隙率與抗壓強度綜合統計

根據上述的結果，得到圖2所示的綜合統計結果。

根據圖2中數據可知，第11編號試件的孔隙率和抗壓強度分別是21.3%、21.89MPa，能夠達到相關的要求。因此，選擇11號作為后續的試驗試件。

3透水性混凝土支護穩定性試驗

3.1支護方案設計

在支護方案中，以山東某鐵路建設T程為例。結合相關的邊坡穩定設計要求，將參數設計為如下：坡腳大小是α=30°，坡面錨桿間的縱橫間距都是3m，長度是4.5m、。錨桿水灰比設置為0.40，錨固體強度需要保證在M20以上;植生透水混凝土的厚度是20mm，強度不低于C20;鋼筋網的規格為Φ6.5@250mmx250mm;選用1Φ14=100mm土釘。其中網噴支護立面圖即為圖3中所示。

3.2邊坡防護數值模擬

在邊坡防護數值分析中，首先要建立合適的模型。因此，在邊坡防護設計中需要先對巖石的類型進行分析。其中巖漿巖形成在地表后長期受到多種作用的影響，大部分都是強、中風化砂巖，其邊坡巖體可以通過摩爾一庫倫理想彈塑性模型進行描述，此時可以將其認為是1個非線性平面應變問題。此外在計算過程采用了強度折減法等來降低計算的難度，具體參數如表4中所示。

3.3數值結果分析

采用ABAQUS有限元分析軟件進行分析，從而得到圖4和圖5的邊坡穩定性分析結果。

圖4、5分別表示坡體防護前、后安全系數的變化趨勢，通過位移拐點、數值進行分析。經過計算可知，體防護后的安全系數從1.028增加到1.23，由此可見通過坡體防護顯著增大了安全系數。

3結語

本次研究中，在實驗制備透水性混凝土的基礎上，采用了有限元方法對混凝土對邊坡的穩定性進行數值模擬，具體利用的模擬工具是ABAQUS軟件，實驗中采用了錨噴混凝土防護技術，驗證了邊坡安全系數的變化，分析是否改善了邊坡結構的穩定性。根據最終的模擬結果可知，結錨噴植生透水混凝土顯著提高了邊坡結構的安全性系數，增強了邊坡結構的穩定性，其應用效果良好？

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收稿日期：2020-03-10

作者簡介：許家東（1980-），男，漢族，山東沂南人，大學本科，高級工程師，研究方向：工程勘察，地基處理與支護工程。