玄武巖纖維灰土力學特性及擴寬路堤邊坡穩(wěn)定性分析

劉 華，胡文樂，何朋立，張 超，孫松松，胡鵬飛，谷宏全

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055；3.洛陽理工學院 土木工程學院，河南 洛陽 471023；4.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；5.南京泰克奧科技有限公司，江蘇 南京 210000)

黃土是在當下基礎設施不斷建設和完善的過程中經常遇到的獨特地質載體，具有疏松、多孔等特點，是工程師亟需解決的工程問題之一[1].近年來，隨著黃土地區(qū)經濟的快速發(fā)展和對交通基礎設施的進一步要求，現有的高速公路存在其運載能力達設計極限的狀況，能有效解決問題的高速公路改擴建應運而生，但改擴建作為一種新生工程活動，受到較多約束條件的限制.作為本世紀初公路建設領域所面臨的重要問題，不可避免的涉及到新老路堤的融合穩(wěn)定性等問題，并且新老路基相互作用甚至有可能出現道路橫坡突變、新填路堤的整體垮塌[2]等工程病害，給工程中的構筑物及人民生命財產安全造成極大的危害，因此，有關黃土地區(qū)擴寬路堤處治技術[3-5]的研究備受關注.

黃土地區(qū)有關地基的常見處理方式有很多，玄武巖纖維灰土概念的提出為地基處理提供了新的選擇.前人就此展開了大量研究，楊廣慶等[6-7]對石灰、粉煤灰、二灰及水泥改良土的力學性能進行了研究，得出了滿足高速公路鐵路路基要求的最優(yōu)配比，為石灰改良土的研究提供了理論參考.賀建清等[8]在荷載作用下石灰改良土道路路基的變形進行了研究.胡斌等[9]對纖維類材料進行室內試驗和數值模擬研究，認為纖維類材料能較好地提高土的力學性能.被譽為21世紀綠色環(huán)保的高性能玄武巖纖維[10]，具有優(yōu)良的力學性能且具有價格低、耐腐蝕性強、抗老化等諸多優(yōu)點.但縱觀現有研究[11-12]，針對傳統(tǒng)加固材料和環(huán)保改良材料聯(lián)合應用于改良路基方面的研究較少，尤其是采用玄武巖纖維灰土進行路基處理方面的研究.

鑒于此，本文采用玄武巖纖維、石灰對豫西濕陷性黃土進行改良處理，采用正交設計研究土樣含水率、壓實度、纖維摻量、纖維長度等四個因素對纖維灰土的抗剪強度影響，進行了三軸(CU)試驗；并基于最優(yōu)水平組合進行纖維摻量這一因素對纖維灰土抗剪強度的影響規(guī)律進行研究，開展了一系列直剪試驗，研究纖維摻量、灰土齡期對改良土的抗剪強度指標的影響，并基于試驗結果利用ABAQUS對擴寬路堤新老路堤的拼接進行模擬，對改良處理前后的路堤穩(wěn)定性進行分析，并對擴寬路堤進行不同坡比、坡高等工況下的對比研究，為新老路基的拼接處治對策的選擇和優(yōu)化提供理論數據支撐，并為路堤拼接處理時工程穩(wěn)定性病害問題的防治提供合理防護建議.

1 試驗材料

1.1 供試用土

試驗黃土取自洛陽市某基坑工程現場，土質為黃土狀粉質黏土，取土深度4.5～6.0 m.基本物理指標：液限wp=30.4%；塑限Ip=19.1%；塑性指標為11.7；最優(yōu)含水率為17.0%；最大干密度為1.85 g/cm3；濕陷系數為0.016.顆粒分析曲線見圖1.

1.2 供試纖維和石灰

供試玄武巖纖維為由長度為6 mm纖維絲壓制而成的未處理條狀纖維，如圖2所示.其基本物理力學參數見表1.試驗所用石灰為試驗前已經熟化的新鮮熟石灰，未消化殘渣過2 mm篩去除，其化學成分見表2.

圖1 黃土的顆粒分析曲線Fig.1 Particle analysis curve of loess

圖2 玄武巖纖維(6 mm)Fig.2 Basalt fiber/6 mm

表1 玄武巖纖維物理力學參數

表2 石灰化學成分Tab.2 Chemical composition of lime

2 試驗內容

2.1 試驗方案

按照三七灰土制備土樣，三軸試驗考慮了土樣含水率、壓實度、纖維摻量、纖維長度等四個因素對纖維灰土強度影響，每個因素考慮三個水平，養(yǎng)護7 d齡期再進行試驗，且均在50 kPa圍壓下進行.

玄武巖纖維灰土的抗剪強度指標通常可由直剪試驗快速得出.基于上述正交試驗分析結果，將最優(yōu)長度6 mm的玄武巖纖維按照干土質量百分比分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的摻量摻入土樣，按照三七灰土稱取石灰質量.分別養(yǎng)護3 d和7 d.每組試樣須制備四個平行試樣，分別施加100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa等4個垂直壓力，包括原狀和重塑的8個試樣共計72個試樣.

2.2 土樣制備

本試驗參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)重塑土樣的制備方法.制備試樣時，將所取土料風干后過2 mm篩，放入保濕缸中備用.

在已有的研究資料中，關于石灰和土拌和制樣的方法有兩種[13-16]：一種是將過篩后的土樣與石灰拌和均勻，然后再加入蒸餾水，拌和均勻后密封靜置24 h再在進行制樣；另一種方法是根據目標含水率要求加入適量蒸餾水配置土樣，密封靜置24 h，再摻入石灰，然后立即制備試樣.相關研究資料表明，石灰的性能與其中的活性氧化物有密切關系，活性氧化物的含量越高，其膠結能力越強.此外，灰土試樣拌和均勻后立即制備試樣也較為符合實際工程.關于纖維與土拌和的方法也有兩種[10，17]，綜合前人的研究經驗，本試驗首先在室溫下風干、碾碎、過2 mm篩，放入干燥器中備用，再將稱量好的土與適量纖維拌和均勻，再進行含水率的配置，密封24 h.石灰過2 mm篩，與拌和均勻的纖維土配成三七灰土，并立即進行制樣.

2.3 試驗過程

本文三軸試驗采用TKA-TTS-3S應力路徑三軸試驗儀，在圍壓50 kPa下進行固結不排水三軸試驗.

本文直剪試驗采用的試驗儀器為ZJ-2型等應變直剪儀，將四級垂直壓力對直徑61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀試樣依次進行加載.依據土工試驗方法標準進行試驗，剪切速率為0.6 mm/min.

3 試驗結果與分析

正交試驗采用四因素三水平設計，不考慮試驗誤差造成的影響，不考慮因素間的交互作用，共9組試樣，每組設置兩個平行試樣.試驗所用的正交試驗因素水平見表3.試驗結果見表4.

表3 正交試驗的因素水平表Tab.3 Factor level table for orthogonal test

表4 正交試驗結果Tab.4 Orthogonal test results

通過極差分析可知，A2B2C2D3為正交設計得出的最優(yōu)水平組合.此時，對應的各因素水平為纖維長度6 mm、纖維摻量0.4%、含水率25%、壓實度0.95.方差分析得到的顯著性順序為：壓實度影響>含水率影響>纖維摻量影響>纖維長度影響.

查表知，F0.99(2,9)=8.02，F0.95(2,9)=4.26.對比表5中F值可對顯著性進行判定.其中，S表示離差平方和，df表示自由度，Ms為平均離差平方和.

表5 纖維灰土抗剪強度的極差、方差及影響分析表Tab.5 Analysis of the extreme difference, variance and influence of shear strength of fiber ash soil

通過極差分析和方差分析相結合的分析方法，得出正交設計的最優(yōu)水平組合為A2B2C2D3，即：纖維長度6 mm、纖維摻量0.4%、含水率25%、壓實度0.95.

4 試驗結果與分析

基于正交設計的試驗分析結果，控制含水率、纖維長度和壓實度為最優(yōu)水平，灰土在養(yǎng)護齡期為7 d時不同纖維摻量對抗剪強度指標的影響規(guī)律如圖3所示.

從圖3中可以看出，相同含水率和壓實度條件下，7 d養(yǎng)護齡期的抗剪強度指標明顯均高于3 d齡期，主要原因是土顆粒表面由于石灰水化反應變得粗糙和晶體的生成[18]，進而在土顆粒表面反應生成膠狀CaSiO3，同未反應的Ca(OH)2一起與土顆粒構成團聚體，此時，土孔隙增大，顆粒較為光滑，纖維、石灰及土顆粒間發(fā)生相對位移所需的外力較完全反應時偏小.由于Ca(OH)2反應生成膠體CaSiO3是隨著時間的增加逐步進行反應的，隨著時間增長，水化硅酸鈣占比越來越高，土顆粒間的膠結能力增強，再加上纖維的良好的抗拉強度，纖維灰土顆粒間發(fā)生相對位移需要較大的外力.對于粘聚力而言，在纖維摻量0.6%時達到最大，這是因為正交試驗的最優(yōu)組合為局部最優(yōu)解.

圖3 不同齡期抗剪強度指標隨纖維摻量變化Fig.3 Shear strength indexes at different ages varying with fiber content

5 擴寬路堤邊坡穩(wěn)定性分析

5.1 數值計算模型

路堤擴寬黃土地區(qū)數值計算模型見圖4，取地基土長40 m，高10 m，高速公路路堤填高H，考慮路堤填料的物理力學性質及行車荷載，原路堤26 m寬，兩側各擴寬K斷面，雙側以老路中線為軸對稱加寬，選取單側進行分析，路基及下方地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性本構關系.主要研究纖維摻量C、纖維長度L、灰土齡期D、坡高H、擴寬度K、坡度系數m(坡比1：m)對路堤邊坡的變形和穩(wěn)定性分析，各影響因素具體因子水平見表6.

圖4 有限元計算模型/mFig.4 Finite element calculation model/m

表6 水平因子

5.2 材料力學參數設置

依據前述原狀、重塑素土以及纖維灰土抗剪強度試驗數據，并結合其他相似巖土體的物理力學參數進行取值，綜合確定模型的計算參數，見表7.路堤所受外力荷載等價于路面結構荷載和交通荷載之和，其中，認為路面結構荷載等價于60 cm厚填土荷載，交通荷載簡化為10 kPa均布荷載[18]，綜合取值采用20 kPa的等效均布荷載.其他模型材料力學參數見表8.

表7 土的物理力學性質指標Tab.7 Physical and mechanical properties of soil

表8 新路堤填土相關計算力學參數表Tab.8 New embankment fill calculation related to mechanical parameters table

5.3 模型分析方法

有限元強度折減法邊坡破壞失穩(wěn)的判據主要有三種[19]，并且三種判據在理論上具有統(tǒng)一性[20]，雖然將有限元計算的收斂與否作為判據更直接方便，但安全系數不偏于保守，因此，本文以上述有限元計算的特征點位移拐點為失穩(wěn)判據標準.

6 數值模擬算例結果及分析

6.1 填土材料差異對擴寬路堤穩(wěn)定性的影響

選取在路堤堤高5 m、坡度系數為1.50、路堤擴寬度為5 m、8 m、10 m的模型，就填土材料差異對擴寬路堤的穩(wěn)定性展開研究，分別從纖維摻量、纖維長度、養(yǎng)護齡期等方面進行分析.由上述結果可知，素土填筑擴寬路堤的安全系數為1.063，不能滿足工程安全要求.因此，下文在進行對比分析時，不再考慮素土填筑對擴寬路堤穩(wěn)定性的影響.

6.1.1 纖維摻量的影響

圖5(a)可見，不同摻量的安全系數均大于設計規(guī)范要求的安全系數，且高于素土填筑時的安全系數；安全系數隨纖維摻量增加先增大后減小，在0.6%時取到最大.分析其原因，安全系數主要取決于纖維灰土的抗剪強度特性.因此，纖維摻量對安全系數與黏聚力呈現出較為相似的變化規(guī)律.從圖5(b)中可以看出，隨著折減系數的增加，路堤坡頂的位移逐漸增大.從圖5(c)中可以看出，隨著折減系數的增加，豎向位移增大；在摻量為0.2%～0.6%范圍內，隨著摻量增加，相同折減系數對應的豎向位移減小，在0.8%摻量時的折減系數與0.4%時的基本重合.從圖5(d)中可以發(fā)現，坡頂豎向應力隨折減系數增大至1.4以后的趨勢為先下降再上升，除纖維摻量為0.6%未完成此過程，其余三個摻量均以完成，說明0.6%摻量時的路堤應力上升相對滯后，具有“后強”效應特征，這與前述試驗黏聚力變化規(guī)律相一致.

圖5 纖維摻量與安全系數及特征點位移、應力關系曲線Fig.5 Fiber blending capacity and safety factor, characteristic point displacement and stress curve

6.1.2 養(yǎng)護齡期的影響

圖6可見，7 d養(yǎng)護齡期的安全系數均較同條件下的3 d齡期的大，且都滿足安全系數要求，在纖維摻量為0.6%時齡期的增長使得安全系數提升效果顯著.由前述(圖3)纖維灰土的抗剪強度室內試驗進行分析，黏聚力隨養(yǎng)護齡期的增加表現出增大的特征，使得纖維灰土的抗剪強度得到提高，從而導致路堤邊坡安全系數得到提升.

6.2 不同工況下擴寬路堤安全系數分析

由上述分析可知，填土材料的最優(yōu)情況為：6 mm長度、0.6%摻量、7 d養(yǎng)護齡期，在該組合下，土樣的抗剪強度指標最優(yōu)，且擴寬路堤的穩(wěn)定系數最大.基于上述研究，設置不同坡型對擴寬路堤邊坡穩(wěn)定性進行計算，并基于最不利影響因子進行考察.

圖6 不同養(yǎng)護齡期下安全系數與纖維 摻量關系曲線(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 擴寬寬度對擴寬路堤邊坡穩(wěn)定性的影響

從圖7中可以看出，各擴寬度下的安全系數表現出相似的變化規(guī)律，隨路堤擴寬度的增加出現小幅度的增長，且增長幅度隨坡度系數升高而增大.這說明路堤擴寬度在6～10 m變化對邊坡穩(wěn)定安全系數有影響，擴寬時適當增加寬度有助于提升擴寬路堤穩(wěn)定性.

圖7 不同坡度系數下安全系數與 擴寬度關系曲線(H=5 m)Fig.7 Relationship between safety factor and expansion width under different slope coefficients (H=5 m)

6.2.2 路堤坡度系數對擴寬路堤穩(wěn)定性的影響

從圖8(a)中可以看出，路堤邊坡坡度對路堤邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，增大坡度系數是防止路堤邊坡失穩(wěn)的有效處置措施.從圖8(b)可以看出，安全系數除受坡度系數影響顯著.隨坡度系數增加，安全系數增大；隨路堤高度增加，安全系數顯著性降低.在路堤高度為8 m時，坡度系數應大于1.00；路堤高度為10 m時，坡度系數至少應在1.5附近.

圖8 路堤坡度系數與安全系數關系曲線Fig.8 Curve of embankment slope coefficient and safety factor

6.2.3 路堤高度對擴寬路堤穩(wěn)定性的影響

從圖9中可以看出，安全系數隨路堤高度增大而迅速減小，主要是由于路堤增高，滑移面更易形成貫通.這說明改變路堤高度不失為防治路堤邊坡失穩(wěn)的一種措施；在路堤高度受到約束時，考慮增加坡度系數也是有效的工程對策.

圖9 不同坡度系數下安全系數與路堤高度 關系曲線(K=6 m)Fig.9 Relationship between safety factor and embank ment height under different slope coefficients (K=6m)

7 結論

(1)影響玄武巖纖維灰土抗剪強度的主次因素順序為：壓實度、含水率、纖維摻量、纖維長度.正交試驗最優(yōu)水平組合為A2B2C2D3，即：纖維長度6 mm、纖維摻量0.4%、含水率25%、壓實度0.95.

(2)玄武巖纖維灰土路堤邊坡安全系數隨纖維摻量先增加后減小， 最佳摻量為0.6%，結合直剪試驗結果，工程應用建議纖維摻量為0.4%～0.6%.7 d齡期安全系數較3 d齡期養(yǎng)護時大，且較為顯著.這與纖維灰土黏聚力隨纖維摻量的變化規(guī)律是一致的.

(3)選取最優(yōu)纖維灰土組合作為填土材料進行分析，安全系數隨擴寬路堤的擴寬寬度增加呈現小幅增加，隨擴寬路堤的坡度系數增大呈近似線性增加特征，隨路堤高度增加呈急速降低趨勢.