二灰土對邊坡穩定性的影響試驗及數值模擬研究

田毓仁

摘 要：針對建筑工程中邊坡穩定性要求，采用實驗和數值模擬的方式就二灰土對邊坡的穩定性進行研究。首先以石灰、粉煤灰和粘土作為原材料制備混合土，然后通過壓縮試驗計算試件的軸向應力應變曲線;以FLACD作為數值模擬軟件，以試驗中獲取的參數和原材料作為基礎，構建混合土試件模型和邊坡模型，并運用強度系數折減法對邊坡穩定性系數進行計算，最終得到單一粘合和二灰土的邊坡穩定系數。結果表明，基于二灰土的邊坡穩定性系數最大，為5.08，是單一粘土安全系數的4.3倍，說明采用二灰土可有效提高邊坡的穩定性，而結合二灰土形成機理，是因為二灰土與水形成凝膠材料，具有結構強度高和水穩定性好的特點。

關鍵詞：穩定性;數值模擬;強度折減法;邊坡

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0123-05

Abstract：According to the requirements of slope stability in construction engineering， the stability of lime flyash soil on slope is studied by experiment and numerical simulation. Firstly， lime， fly ash and clay are used as raw materials to prepare the mixed soil， and then the axial stress-strain curve of the specimen is calculated through the compression test; with FLACD as the numerical simulation software， based on the parameters and raw materials obtained in the test， the mixed soil specimen model and slope model are constructed， and the strength coefficient reduction method is used to calculate the slope stability coefficient， and finally the slope stability coefficient of single bond and lime-ash soil is obtained. The results show that the maximum stability coefficient of slope based on two lime soil is 5.08， which is 4.3 times the safety coefficient of single clay. It shows that two lime soil can effectively improve the stability of slope， and combined with the formation mechanism of lime-fly-ash soil， it is because lime-ash soil and water form a gel material， which has the characteristics of high structural strength and good water stability.

Key words：stability; numerical simulation; strength reduction method; slope

在該工程地基處理過程中，如何做好軟地基的處理，是當前思考和研究的重點。由于地基中土自身的密度較大，但強度卻比較低，所以很多研究者會在土中加入各種材料。這樣的目的是減少土的重量的同時，也提高土的強度，以此減少路基的沉降。而隨著工程技術的推進，越來越多的材料被應用到工程中，混合土就是其中典型的代表。所謂的混合土是指兩種或者是兩種以上所形成土體，早期比較典型的如三合土，由細砂、石灰和粘土組成。這種三合土經一定比例混合后，具備一定的強度和耐水性，并被廣泛用于路基墊層等方面。此后出于環保等因素的考慮，人們開始將石灰和粉煤灰應用到地基土的穩定性中。而除粉煤灰以外，人們還嘗試將鋼渣、爐渣，以及廢舊輪胎顆粒等橡膠顆粒摻入，以提高軟土的強度。其中，人們之所以研究石灰和粉煤灰，是因為在土中摻入后，石灰、粉煤灰和土三者會產生化學反應，從而形成凝膠材料，進而穩定軟土，提高軟土地基強度。由此，本研究則主要對二灰土對邊坡的穩定性的影響，即在邊坡穩定性處理中摻入石灰和粉煤灰，并通過數值模擬的方式分析邊坡的穩定性。

1 二灰土對強度的影響內在機理

研究認為，當石灰、土和粉煤灰經過一定比例的混合后，會產生化學反應，從而形成硅酸類的化合物。這類化合物的強度與傳統的石灰土相比，在強度方面更高，且水穩定性和板體性更好。在這類反應中，并不是簡單的物質混合，而是各類物理和化學反應的綜合，從而形成強度較高的物質。歸納下來，二灰土強度的形成，可分為以下五類化學反應：

（1）離子反應。當石灰混入土后，其中的鈣離子與土壤中鈉、鉀等離子形成離子交換反應，從而在土壤表面形成穩定的團粒組織。

（2）火山灰反應。在Ph值大于7的情況下，土壤中的鋁礦物和活性硅會與石灰發生反應，從而逐步變硬，具體反應原理為：

由于火山灰反應會消耗水，所以具有水硬效應，進而提高土壤的強度。

3）硅酸化反應。通常認為在粉煤灰與水灰產生復雜的反應，進而形成硅酸化反應，進而形成二灰土強度的基礎。具體反應原理為：

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

基于以上的內在反應原理，本研究首先通過試驗的方式制備二灰土試件，并根據試件性能測試，得到最佳的混合土配比，以此為后續的邊坡穩定性數值模擬奠定基礎。因此本文首先選擇石灰、粉煤灰和粘土，并在以上基礎上，制備不同配比的混合土試件。以上材料具體參數如下表1～表2所示。

另外，本實驗選用的消石灰首先通過2mm篩子進行篩選，且鈣鎂含量為63.5%。

2.2 實驗儀器

本實驗儀器主要選用恒溫養護箱、攪拌機、電子秤、應變控制式無側限壓縮儀、70.7mm×70.7mm×70.7mm三聯立方試模、直尺等。

2.3 試件制備

2.3.1 實驗配比

根據JTJ0342000的相關要求，石灰、粉煤灰在摻入土中的比例一般在1：2～1：4之間，同時，石灰結合粉煤灰與粒土的比例一般在 30：70～90：10之間。因此，基于以上配比含量的要求，將二灰土與土的配比設定為10：20：70、10：30：60、8：32：60。為方便對比，設定石灰和粉煤灰劑量為5%、8%和13%.

2.3.2 試件制備

試件制備主要分為以下3個步驟：①結合制定的配合比，取依據比例的質量放入攪拌機中進行混合，攪拌3～5min;②將攪拌后的混合物放入三聯立方試模，并在振動臺振搗1～2min;③振搗完成后，放入恒溫養護箱養護24h，取出編號，并繼續養護。14d后依次取出，并進行無側限壓縮強度試驗，以確定試件的應力變化，測算公式為：

其中，表示軸向應力大小，單位為MPa;表示校正的試件受壓面積;表示軸向應力，單位kN.

表示初始橫截面積，表示軸向應變比。

2.4 試驗結果

2.4.1 二灰土試驗結果

依據上述的試驗方法，得到圖1所示的結果。

依據上述的結果看出，當二灰土的配合比在10：20：70的時候，得到的二灰土壓縮強度最大，而當比例在8：32：60的時候，得到的壓縮強度最小。造成以上的原因，是因為石灰的含量較多，說明石灰含量增多，有助于提高壓縮強度，也進一步說明相對與粉煤灰來講，石灰對二灰土的強度影響更大。

2.4.2 不同石灰劑量下的應力曲線

依據上述的試驗方案，計算得到在5%、8%和13%石灰劑量下的應力變化曲線。

依據上述統計結果顯示，當石灰劑量在13%時候，得到的壓縮強度最大，為0.37MPa，且此時的應力應變值最小。而結合以上的反應機理看出，石灰與土體通過離子交換和結晶反應，從而提高了土體的強度。

2.4.3 粉煤灰土試驗結果

將石灰土換為粉煤灰，進而得到在不同劑量下的粉煤灰壓縮強度變化。

依據上述結果看出，當粉煤灰產量在13%時，得到的壓縮強度為0.18，且此時的應力應變為0.14.同時在變化曲線方面，壓縮強度隨著應力應變的增加逐步增加，此后小幅度下降后又開始增加。出現以上變化曲線的主要原因，是因為粉煤灰的吸水性差，因而造成應力變大。

由此，綜上看出，當混合土比例在10：20：70的時候，得到的混合土的壓縮強度最高，發揮的效果也最高。

3 二灰土加固邊坡的穩定性模擬

基于以上的最佳配合比例，在構建邊坡穩定方案的情況下，就混合土對邊坡的穩定性進行模擬分析。

3.1 模型建立

在數值模擬研究中，模型建立主要包含兩個方面：①建立混合土試件模型;②建立路基邊坡模型。數值模擬軟件采用FLAC3D軟件。同時為更好的讓模擬實驗結果接近真實值，在本研究中首先對試件力學特性進行數值模擬，然后再對邊坡穩定性進行建模。具體建立模型與參數如下：

在試件模型構架中，剖分單元尺寸取 0.01m，且經網格劃分后，分為41683個節點和 39472個單元。

同時模擬實際邊坡工程，建立圖5所示的邊坡模型。考慮到邊坡實際長度，本文采用壓縮試樣的方法對模型進行構建，剖分單元尺寸為0.1m，計算模型劃分為27832個節點和12791個單元。為方便監測，以A作為監測點。

路基邊坡模型的約束條件為3個：①頂板的水平邊界及左側斜邊界全部為自由邊界;②水平和垂直方向的位移受底部水平邊界的約束;③水平位移也受右側垂直邊界的約束。

3.2 模型材料參數

模型的材料參數如表3所示。

3.3 數值模擬結果

3.3.1 混合土試件模擬結果

數值模擬的結果與實際試驗結果對比數據如表4所示。

根據上述的結果看出，實際值與試驗值相差較小，說明數值模擬的可行性。

3.3.2 邊坡穩定性數值模擬結果

在邊坡穩定性模擬中，將臨界破壞狀態時邊坡的強度指標與巖土體原有的強度指標之比作為邊坡的安全系數，用F表示。同時采用邊坡強度系數折減法來計算邊坡的穩定性。經過模擬計算，得到以下結果：

（1）純粘土邊坡穩定性模擬結果。在純粘土下，得到的邊坡穩定系數見圖6所示。

根據圖6的結果看出，在純粘土下得到的邊坡穩定系數為1.18，邊坡系數較小，說明穩定性較差，必須要提高單一粘土的強度，以此提高邊坡的穩定性。

（2）二灰土邊坡數值模擬結果。將純粘土改為二灰土，并通過上述強度系數折減法計算邊坡穩定系數，得到圖7的結果。

根據圖7的結果看出，在二灰土配合比下，當配比為10：20：70的時候，模擬得到的邊坡穩定性系數為5.08，此時邊坡穩定性系數最大;而配比為8：32：60配比下，邊坡安全系數最小，但安全系數值為3.72，也遠遠高于單一的粘土。

4 結論

根據上述的研究可以得到當二灰土的最佳配比為10：20：70，此時基于混合土的邊坡穩定性安全系數最高，達到5.08，是單一粘土下邊坡穩定性安全系數的4.3倍。由此說明在粘土中摻入粉煤灰和石灰，可有效提高軟基的壓縮強度，并提高邊坡穩定性的作用。

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