土體參數對改良黃土邊坡變形的影響

朱雪芳王紅肖　王銀梅苗世超

摘要：為了探討固化劑SH改良黃土邊坡的物理力學參數對邊坡變形的影響，以山西太原的濕陷性黃土為研究對象，進行了直剪試驗，測得了不同含水率下改良黃土的內摩擦角和黏聚力；并以此試驗數據為依據，基于有限元ABAQUS軟件分析了不同含水率、彈性模量和泊松比對邊坡變形的影響。研究結論顯示：固化劑SH能明顯提高黃土的抗剪強度；含水率對改良黃土邊坡變形的影響較大，但泊松比對改良黃土邊坡變形幾乎沒有影響。研究結論為固化劑SH在黃土地區的推廣使用提供了一定的參考價值，并對實際邊坡工程的設計、治理提供了理論依據。

關鍵詞：改良黃土；內摩擦角；黏聚力；變形

中圖分類號：TU444 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05016706

Effects of soil parameters on deformation of improved loess slope

ZHU Xuefang1，WANG Hongxiao1，2，WANG Yinmei1，MIAO Shichao1

（1.College of Water Resource Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China2.Water conservancy and hydropower survey design institute，Shijiazhuang City，Shijiazhuang 050011，China）

Abstract：This work aimed to study the physical and mechanical parameters which influence the deformation of improved Loess slope.Using the collapsible loess taken from Shanxi Taiyuan as the object of study，direct shear test was carried out，cohesion and the internal friction angle of improved loess were obtained under different water contents；and then based on the testing data，the finite element software ABAQUS was used to discuss the effect of different moisture content，elastic modulus and Poisson′s ratio on slope deformation.The result of the study showed that：The solidified agent SH could improve the shear strength of loess；The water content had great effect on deformation of improved loess slope，Poisson ratio had almost no effect on deformation of improved loess slope.The research results provide certain reference value for the promotion of solidified agent SH in the loess area，and also give theoretical references for the design and management of the actual slope engineering.

Key words：loess improvement；internal friction angle；cohesion；deformation

近年來，隨著西部大開發戰略的實施，我國經濟發展和基礎設施的建設正在向甘肅、陜西、寧夏、西藏等地區進軍。而山西、甘肅、寧夏、陜西等地黃土分布較廣，且發育完整、厚度較大。黃土的特點是強度高、孔隙大、壓縮性小、遇水后極易崩解且強度明顯降低。由于黃土特有的水敏性的存在，黃土地區邊坡在水和荷載的作用下極易出現崩塌、滑坡、錯落等現象，給人民的生產、生活埋下了隱患。因此，在黃土地區邊坡、路基等基礎設施建設過程中，應首先進行黃土改良，使其能夠滿足工程建設的要求。王銀梅等[12]研究發現固化劑[HJ2.08mm]SH摻入到黃土中，其無側限抗壓強度增加，濕陷性消失，抗凍性、抗滲性、抗老化性及水穩定性較好，本文采用固化劑SH對邊坡進行改良。

目前，邊坡問題研究的重點是求解安全系數[35]、邊坡穩定的敏感性分析[68]、搜索滑裂面[910]等。一些學者還對物理、力學參數對邊坡變形的影響進行了研究。李靖等[11]通過改進Bishop法得到了黃土邊坡穩定性分析圖表，在工程領域得到了廣泛的應用。劉志偉[12]研究發現土體力學參數是影響邊坡可靠性的主要因素，且隨著黏聚力和內摩擦角增加，邊坡的最大隆起位移和最大下滑位移均有所減小。杜太亮[13]等基于有限差分軟件FLAC，進行了物理參數、力學參數、邊坡形狀對邊坡水平位移和豎向位移的影響，研究發現，黏聚力和內摩擦角對邊坡位移的影響是相互依存的。李春忠和陳國興等[14]用ABAQUS軟件分析邊坡的穩定性，并定義了最小穩定安全系數。但是國內外對改良土體的變形的研究比較匱乏，因此，對改良黃土的水平位移、豎向位移的研究具有一定的學術價值和實際意義。本文對取自山西太原濕陷性黃土進行了直接剪切試驗，得到了不同含水率下改良黃土的內摩擦角和黏聚力，并以此為基礎，基于大型數值分析軟件ABAQUS進行了改良黃土邊坡變形研究，并且分析了彈性模量、泊松比、含水率對變形的影響。研究結論為固化劑SH在黃土地區的推廣使用提供了一定的參考價值，并對實際邊坡工程的設計、治理提供了理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 黃土的物理力學性質

黃土取自山西省太原市汾河二庫，屬于低液限粉質黏土。按照土工試驗規程（SL237-1999）[15]該黃土的顆粒組成成分：2～005 mm顆粒占228%，005～0005 mm顆粒占648%，小于0005 mm顆粒占228%，不均勻系數為875，曲率系數231。物理性質指標是：含水率為89%，密度14 5g/cm3，最優含水率182%，液限301%，塑限192%，黏聚力1564 kPa，內摩擦角1091°。

1.2 固化劑的改良機理

固化劑SH主要成分為聚乙烯醇，質量分數為5%，密度為127～131 g/cm3， 可無限稀釋；無毒無刺激性；常溫下即可加固，具有高效性、持久性。SH對沙、土顆粒有包裹、填充和膠結的作用，其大分子鏈上含有的-COOH、-OH會與土顆粒發生吸附、絡合、離子交換等物理化學反應，使土體變成堅固且富有彈性的網狀凝膠體，主鏈C-C具有憎水性，且反應具有不可逆性，故可廣泛用于固土、治沙[16]。

1.3 試驗方法

通過直接剪切試驗可以獲得試樣的兩個重要指標：內摩擦角和黏聚力，可為后面邊坡的穩定性分析提供試驗數據。試驗前首先應將取回來的黃土進行粉碎，并過2 mm篩，按照試驗設計取量。繼而將固化劑SH摻量（溶質含量5%）摻加到定量的黃土中，最后加入一定量的水，使得土樣的含水量（固化劑SH的溶劑水含量與最后加入的水量之和）達到設計含水率。拌合均勻，并用黑色塑料袋密封，靜置12 h，分三次將土料裝入6×4 cm環刀中制樣，其中前兩次要對土樣的接觸面進行刮毛，以使得后加入的土料與前面壓實的土料充分接觸，最后將制成的土樣脫模，放置與室內自然風干到一定的時間。每組4個試樣，取平行樣4～5個。最后采用的是EDJ1型電動等應變直剪儀，對直剪盒內的土樣分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向應力，然后記錄量力環的讀數，最后計算出抗剪強度的內摩擦角和黏聚力。

1.4 試驗結果

本文選取10%摻量SH來探究含水率對改良黃土抗剪強度的影響，圖1、圖2給出了不同含水率對改良黃土內摩擦角和黏聚力的關系曲線。

由圖2可知，隨著含水率的增加，黏聚力呈急劇減小的趨勢；相對于內摩擦角，含水率對黏聚力的影響較大；當含水率為2134%時，黏聚力為678，較648%含水率的改良黃土減小964%，可見含水率對改良黃土的抗剪強度影響顯著。

當黃土中加入固化劑SH后，遇水大分子鏈上的親水羧基（COOH）通過強電荷的作用生成氫鍵，從而膠結成一個穩定的整體。土的內摩擦角主要是由顆粒間的滑動摩擦和咬合摩擦兩部分組成，黏聚力主要由顆粒膠結力和水膜連接力構成。水是一種潤滑劑，當含水率較小時，由于顆粒表層接觸面不平整，相鄰顆粒間相對位移阻礙較大，故土體摩擦角較大；而顆粒間的水膜連接力較大，從而黏聚力較大。隨著含水率的增加，顆粒表層接觸面開始變得光滑平整，相鄰顆粒的相對位移阻力開始變小，所以內摩擦角變??；但水膜厚度增加，其連接力開始變小，顆粒間的膠結作用被消弱，當土體完全飽和時，水膜連接力消失，僅剩少許的顆粒膠結力，因此黏聚力較小。

2 強度折減法的基本原理

Zienkiewicz[17]等提出抗剪強度折減系數SSR（shear strength reduction factor）：當外界荷載保持不變時，土質邊坡提供的最大抗剪強度與外荷載作用下邊坡所能承受的最大剪應力的比值。而1955年bishop認為安全系數是整體滑裂面的抗滑強度與實際產生剪應力的比值。Matsui和San[18]又結合有限元強度折減法來分析人工填筑邊坡和開挖邊坡的穩定性?？梢?，若假設邊坡內的所有土體抗剪強度相同，抗剪強度折減系數與極限平衡法定義的安全系數的定義是吻合的。

基本原理：逐步折減土質邊坡的基本物理參數內摩擦角φ和黏聚力c，當模型單元應力超出屈服強度，將把其不能承受的應力轉移到周圍土體單元，如果屈服點貫通成連續滑動面，土體則失穩。數值計算時，不斷增加折減系數Fr，當計算不收斂時，即達到了臨空破壞，此時的折減系數稱為安全系數。折減系數的基本方程如下：

3 模型的建立及結果分析

3.1 有限元模型的建立

建立高20 m，寬50 m的均質黃土邊坡，見圖3。將固化劑SH摻入黃土的厚度取為10 cm。實際工程中將固化劑摻入到邊坡時，應首先挖除坡面表層01 m后的土體，按照室內試驗的方法，首先將土體碾碎，并加入固化劑SH進行表層土體固化，最后將固化后的土體置于原位壓實即可。

3.2 屈服準則和流動準則

ABAQUS中的MohrCoulomb模型是改進版的MohrCoulomb模型，材料各項同性，且光滑沒有尖角，保證了流動方向的單一性[19]。本文在采用強度折減法求解邊坡穩定性時，采用理想的彈塑性模型MohrCoulomb，它是基于土體破壞時應力莫爾圓提出的，其屈服準則假設： 當作用在土體上的剪應力等于該處的抗剪強度時，土體破壞。其公式為：

3.3 結果分析

邊坡模型選用前面的均質黃土邊坡，由于固化劑SH摻入邊坡的厚度較小，因而忽略固化劑對邊坡土體容重和彈性模量及泊松比的影響，即改良黃土邊坡容重γ=145 kPa/m3，彈性模量E=350 MPa，泊松比μ=03[20]，不同含水率下的內摩擦角和黏聚力取自上面直剪試驗，經固化劑SH改良后的內摩擦角取2176°，黏聚力取19797 kPa[2]。采用關聯流動準則，剪脹角Ψ=φ（內摩擦角）。

3.3.1 彈性模量對邊坡變形的影響

當改良黃土邊坡在自然條件下，邊坡的形狀不變，即坡角、坡高不變，抗剪強度的力學參數內摩擦角和黏聚力不變，也不考慮土體材料泊松比的變化，單一的改變土體的彈性模量，而進行的邊坡水平位移、豎向位移變化分析，稱為彈性模量對改良黃土邊坡變形的影響。

由圖4可以看出，隨著彈性模量的增加，改良黃土的變形呈減小的趨勢。當彈性模量為1e+6Pa、1e+7Pa時，邊坡的最大水平位移、最大隆起位移和最大下滑位移變化較??；當彈性模量為1e+8Pa時，邊坡的最大水平位移和最大下滑位移均減小了約1 cm，最大隆起位移減小了06 cm，有了一定的變化，但變化較小，可以忽略；而當彈性模量為1e+10Pa時，邊坡的最大水平位移為0137 cm、最大隆起位移為0063 cm、最大下滑位移為0115 cm，可見各項變形均很??；但考慮到黃土的彈性模量單位一般為MPa，而在1e+9Pa時，各項變形是比較小的，因此彈性模量是可以取經驗值的。

3.3.2 泊松比對邊坡變形的影響

從圖5可以看出，隨著泊松比的增加，邊坡的各項變形很小，基本成水平直線；邊坡水平位移較大，其次是最大下滑位移，最大隆起位移較??；當泊松比為02～04時，邊坡水平位移為3946～3905，最大隆位移為1831～1819，最大下滑位移則為3306～3271，相對泊松比的變化來說，各項位移均變化較小，可見，泊松比對邊坡變形影響較小，因此，本文采用經驗值是比較合理的。

4 結論

（1） 將固化劑SH摻入到黃土后，其抗剪強度明顯提高，內摩擦角和黏聚力增加。

（2） 隨著彈性模量、泊松比和含水率的增加，改良黃土邊坡水平位移、隆起位移和下滑位移均有不同程度的增加，其中水平位移變化最大。

（3） 對比彈性模量、泊松比和含水率對改良黃土邊坡變形的影響，發現含水率對邊坡變形的影響較大，彈性模量次之，泊松比對邊坡變形的幾乎沒有影響。因此，需格外重視含水率的變化對邊坡變形的檢測，防止事故發生。

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