生態混凝土技術在紅黏土邊坡治理中的數值模擬研究

郭 琦

（山西省高速公路集團有限責任公司，山西太原 030006）

0 引言

我國紅黏土分布廣泛，其邊坡土壤層出露地表，降雨吸水膨脹后水分難以下滲，形成地表徑流，造成水土流失，嚴重時會發生滑坡、瀉溜和崩塌等重力侵蝕，威脅臨近道路通行安全。

針對紅黏土邊坡的防護與加固研究有很多，周云艷[1]認為植被護坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上莖葉的作用來達到固土護坡；陳波等[2]在校內建立了紅黏土邊坡現場監測系統，監測紅黏土邊坡含水率和溫度的變化規律，認為土體含水率和溫度隨季節的變化呈正弦波動變化。周遠忠等[3-4]提出了紅黏土微觀“集?！苯Y構模型，并通過該模型對紅黏土的工程物理力學特性進行了理論分析、解釋和推測；陶高梁等[5]以湖南邵陽紅黏土為例，采用壓力板儀測量其土-水特征曲線，得到了紅黏土的基質吸力；張瑤丹[6]采用堿液加固紅黏土，分析了不同溫度、干密度和加固方式下的堿液加固效果。

生態混凝土是指由集料、水泥、活性劑和水組成的，具有一定孔隙結構和強度，并且適宜植物生長的多孔混凝土[7-9]。林志光[10]認為生態混凝土護坡既能防護災害又能讓植被生長，可以有效解決護砌工程的劣勢生態環境問題；張師琴[11]依托工程項目對某邊坡采取了生態混凝土防護加固的措施，很大程度上改善了環境；黎永健[12]依托廣西河池某山區高速公路邊坡綠化工程，闡述了山區生態混凝土護坡的現狀及應用前景，為后續類似的項目建設提供一定的參考。

鑒于國內外在生態加固紅黏土邊坡的研究較少，本文利用有限元分析手段分別建立了化學改良邊坡土體模型和生態混凝土加固邊坡模型，對比了化學改良與生態混凝土加固對紅黏土邊坡的處治效果，以期為紅黏土邊坡實體工程處治提供參考。

1 工程實例

1.1 工程概述

呂梁環城高速公路位于山西省呂梁市所轄離石區及方山縣境內，起點位于方山縣大武鎮閻家山村北，采用大武樞紐連接臨離高速公路，終點位于離石區田家會街道辦上樓橋居委會西，采用田家會樞紐連接青銀高速公路汾陽至離石段，路線全長38.188 km，路基寬度為24.5 m，設計速度80 km∕h，采用雙向四車道高速公路標準建設。呂梁環城高速公路沿線紅黏土邊坡分布廣泛，部分邊坡由于強烈水土流失切割，覆蓋于其上的黃土層被侵蝕殆盡，紅黏土土壤層出露地表。

1.2 邊坡支護方案

針對呂梁環城高速紅黏土不良邊坡現狀，采用了化學改良土與生態混凝土加固兩種方法進行協同護坡。工程用化學改良劑采用聚乙烯醇飽和石灰水，具體組成為聚乙烯醇∶石灰∶水=1.7%∶4%∶95.3%；工程用生態混凝土根據正交試驗法所得最優配合比（目標孔隙率20%，水灰比0.3，外加劑摻量0.3%）進行制備生產，實測孔隙率為20.6%，28 d 抗壓強度為16.9 MPa。

選取離石東服務區加油站后一級邊坡進行施工，該紅黏土邊坡坡高8 m，邊坡坡度1∶0.75。具體護坡方案如下：距坡底2 m 高的范圍內采用化學改良結合生態混凝土加固的方式護坡；邊坡2 m 高度以上部分采用化學改良方式護坡；改良后坡面鋪設一層土工網。

紅黏土邊坡的護坡效果如圖1所示。結合圖1 原狀邊坡和改良邊坡的坡面效果圖可以看出，原狀邊坡紅黏土裸露，當受到降雨影響時，邊坡表面容易發生水土流失，嚴重時影響公路通行安全；當采用化學改良結合生態混凝土加固協同護坡后，上方采用改良劑使得紅黏土的土體脹縮性、承載能力及穩定性得以改善，下方采用生態混凝土加固有效地抑制了邊坡變形，能夠有效減少溜塌、滑坡等坡體病害發生。

圖1 路基邊坡生態混凝土支護

2 邊坡模型構建

2.1 建立模型

基于工程實際防護形式進行模型構建：邊坡坡高為8 m，坡度為1∶0.75，上下邊界距離為16 m，坡頂與右側邊界距離為20 m，坡腳與左側邊界距離為12 m，化學改良影響邊坡表面深度為1.2 m；在化學改良的基礎上，坡腳位置沿著坡面2 m 距離澆筑厚度為10 cm 的生態混凝土。改良前、改良后及生態混凝土加固后的邊坡模型如圖2所示。

圖2 邊坡模型（單位：m）

2.2 網格劃分

為保證模擬計算結果的準確性，選擇混合網格。在單元格劃分時，與坡面距離近的位置單元格密集，與坡面遠的位置單元格稀疏。改良前、改良后及生態混凝土加固后邊坡模型的網格劃分如圖3所示，改良前后紅黏土邊坡土體與生態混凝土的材料參數如表1所示。

圖3 邊坡模型網格劃分

3 結果分析

3.1 邊坡穩定性

利用強度折減法分別對改良前、改良后及生態混凝土加固后的紅黏土邊坡進行強度折減，求解邊坡穩定性系數，結果如表2所示。

表2 邊坡穩定性系數

從表2 可以看出，生態混凝土加固后的紅黏土邊坡穩定性最好，其次為化學改良后的邊坡，原生態邊坡最差。由此可見，從邊坡穩定性角度來看，化學改良與生態混凝土加固均可以有效提升邊坡穩定性，且化學改良結合生態混凝土加固的防護方式效果最佳。

3.2 水平位移變化

邊坡在自重應力的作用下會在水平方向產生位移，將表1 材料參數賦值后運行可得到紅黏土邊坡在水平方向的位移云圖，如圖4所示。

圖4 邊坡在水平方向位移云圖

從圖4 可以看出，在自重應力下，紅黏土邊坡在水平方向上的位移表現出相似特征：坡面水平位移大于邊坡內部，坡腳水平位移大于坡頂，邊坡最大水平位移均出現在坡腳范圍內。

提取邊坡水平方向位移數據，繪制邊坡水平方向位移變化曲線圖，如圖5所示。

圖5 距離與水平方向位移的關系

從圖5 可以看出，改良前紅黏土邊坡水平方向位移隨著與坡腳距離的增大表現出先增大后減小趨勢，改良后紅黏土邊坡、生態混凝土加固后邊坡的水平方向位移均隨著與坡腳距離的增大而減小?；瘜W改良前紅黏土邊坡水平方向最大位移為1.05 m；改良后坡面水平位移最大值為0.44 m，相較于改良前降低了58.1%；生態混凝土加固后坡面水平位移最大值為0.18 m，相較于改良前降低了82.9%，相較于改良后降低了59.1%。從紅黏土邊坡水平位移變化角度來看，化學改良及生態混凝土加固均具有顯著作用，且化學改良結合生態混凝土加固的防護方式效果最佳。

3.3 剪應變變化

在剪切帶土的強度是逐漸發展的，邊坡土體失穩發生在剪應變最大部位，從而可通過邊坡最大剪應變云圖來明確邊坡失穩滑動范圍。紅黏土邊坡的剪應變云圖如圖6所示。從圖6 可以看出，紅黏土邊坡的剪應變表現出相似特征：坡腳處產生的剪應變最大，由剪應變形成剪切面為圓弧形，且從坡腳向坡頂延伸。但是，邊坡失穩滑動范圍（剪切面范圍）表現出很大差異，改良前的紅黏土邊坡最大剪應變為1.547，剪切面范圍較大，幾乎貫穿至坡頂；改良后最大剪應變減小為0.008，相較于改良前降低99.6%，剪切面范圍減小，且未貫通至坡頂；生態混凝土加固后，邊坡最大剪應變減小為0.006，與改良后相當，但其剪切面顯著縮小，僅表現在坡腳局部處。由此可見，從紅黏土邊坡剪應變變化角度來看，化學改良與生態混凝土加固均對減小紅黏土邊坡最大剪應變及剪切面范圍具有顯著作用，且化學改良結合生態混凝土加固的防護方式效果最佳。

圖6 邊坡剪應變云圖

4 結論

a）在自重應力下，改良前、改良后及生態混凝土加固后紅黏土邊坡的最大水平位移和最大剪應變均處于坡腳附近，坡腳位置處屬于邊坡最不穩定的區域，應加強對坡腳的防護加固。

b）綜合從邊坡穩定性、水平方向位移及剪切面范圍3 個角度來看，原生態紅黏土邊坡的穩定性最差，化學改良后防護效果提升，生態混凝土加固后防護效果最佳，建議紅黏土邊坡采用化學改良結合生態混凝土加固坡腳的形式進行防護加固。