二灰土对边坡稳定性的影响试验及数值模拟研究

田毓仁

摘 要：针对建筑工程中边坡稳定性要求，采用实验和数值模拟的方式就二灰土对边坡的稳定性进行研究。首先以石灰、粉煤灰和粘土作为原材料制备混合土，然后通过压缩试验计算试件的轴向应力应变曲线;以FLACD作为数值模拟软件，以试验中获取的参数和原材料作为基础，构建混合土试件模型和边坡模型，并运用强度系数折减法对边坡稳定性系数进行计算，最终得到单一粘合和二灰土的边坡稳定系数。结果表明，基于二灰土的边坡稳定性系数最大，为5.08，是单一粘土安全系数的4.3倍，说明采用二灰土可有效提高边坡的稳定性，而结合二灰土形成机理，是因为二灰土与水形成凝胶材料，具有结构强度高和水稳定性好的特点。

关键词：稳定性;数值模拟;强度折减法;边坡

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：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

在該工程地基处理过程中，如何做好软地基的处理，是当前思考和研究的重点。由于地基中土自身的密度较大，但强度却比较低，所以很多研究者会在土中加入各种材料。这样的目的是减少土的重量的同时，也提高土的强度，以此减少路基的沉降。而随着工程技术的推进，越来越多的材料被应用到工程中，混合土就是其中典型的代表。所谓的混合土是指两种或者是两种以上所形成土体，早期比较典型的如三合土，由细砂、石灰和粘土组成。这种三合土经一定比例混合后，具备一定的强度和耐水性，并被广泛用于路基垫层等方面。此后出于环保等因素的考虑，人们开始将石灰和粉煤灰应用到地基土的稳定性中。而除粉煤灰以外，人们还尝试将钢渣、炉渣，以及废旧轮胎颗粒等橡胶颗粒掺入，以提高软土的强度。其中，人们之所以研究石灰和粉煤灰，是因为在土中掺入后，石灰、粉煤灰和土三者会产生化学反应，从而形成凝胶材料，进而稳定软土，提高软土地基强度。由此，本研究则主要对二灰土对边坡的稳定性的影响，即在边坡稳定性处理中掺入石灰和粉煤灰，并通过数值模拟的方式分析边坡的稳定性。

1 二灰土对强度的影响内在机理

研究认为，当石灰、土和粉煤灰经过一定比例的混合后，会产生化学反应，从而形成硅酸类的化合物。这类化合物的强度与传统的石灰土相比，在强度方面更高，且水稳定性和板体性更好。在这类反应中，并不是简单的物质混合，而是各类物理和化学反应的综合，从而形成强度较高的物质。归纳下来，二灰土强度的形成，可分为以下五类化学反应：

（1）离子反应。当石灰混入土后，其中的钙离子与土壤中钠、钾等离子形成离子交换反应，从而在土壤表面形成稳定的团粒组织。

（2）火山灰反应。在Ph值大于7的情况下，土壤中的铝矿物和活性硅会与石灰发生反应，从而逐步变硬，具体反应原理为：

由于火山灰反应会消耗水，所以具有水硬效应，进而提高土壤的强度。

3）硅酸化反应。通常认为在粉煤灰与水灰产生复杂的反应，进而形成硅酸化反应，进而形成二灰土强度的基础。具体反应原理为：

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

基于以上的内在反应原理，本研究首先通过试验的方式制备二灰土试件，并根据试件性能测试，得到最佳的混合土配比，以此为后续的边坡稳定性数值模拟奠定基础。因此本文首先选择石灰、粉煤灰和粘土，并在以上基础上，制备不同配比的混合土试件。以上材料具体参数如下表1～表2所示。

另外，本实验选用的消石灰首先通过2mm筛子进行筛选，且钙镁含量为63.5%。

2.2 实验仪器

本实验仪器主要选用恒温养护箱、搅拌机、电子秤、应变控制式无侧限压缩仪、70.7mm×70.7mm×70.7mm三联立方试模、直尺等。

2.3 试件制备

2.3.1 实验配比

根据JTJ0342000的相关要求，石灰、粉煤灰在掺入土中的比例一般在1：2～1：4之间，同时，石灰结合粉煤灰与粒土的比例一般在 30：70～90：10之间。因此，基于以上配比含量的要求，将二灰土与土的配比设定为10：20：70、10：30：60、8：32：60。为方便对比，设定石灰和粉煤灰剂量为5%、8%和13%.

2.3.2 试件制备

试件制备主要分为以下3个步骤：①结合制定的配合比，取依据比例的质量放入搅拌机中进行混合，搅拌3～5min;②将搅拌后的混合物放入三联立方试模，并在振动台振捣1～2min;③振捣完成后，放入恒温养护箱养护24h，取出编号，并继续养护。14d后依次取出，并進行无侧限压缩强度试验，以确定试件的应力变化，测算公式为：

其中，表示轴向应力大小，单位为MPa;表示校正的试件受压面积;表示轴向应力，单位kN.

表示初始横截面积，表示轴向应变比。

2.4 试验结果

2.4.1 二灰土试验结果

依据上述的试验方法，得到图1所示的结果。

依据上述的结果看出，当二灰土的配合比在10：20：70的时候，得到的二灰土压缩强度最大，而当比例在8：32：60的时候，得到的压缩强度最小。造成以上的原因，是因为石灰的含量较多，说明石灰含量增多，有助于提高压缩强度，也进一步说明相对与粉煤灰来讲，石灰对二灰土的强度影响更大。

2.4.2 不同石灰剂量下的应力曲线

依据上述的试验方案，计算得到在5%、8%和13%石灰剂量下的应力变化曲线。

依据上述统计结果显示，当石灰剂量在13%时候，得到的压缩强度最大，为0.37MPa，且此时的应力应变值最小。而结合以上的反应机理看出，石灰与土体通过离子交换和结晶反应，从而提高了土体的强度。

2.4.3 粉煤灰土试验结果

将石灰土换为粉煤灰，进而得到在不同剂量下的粉煤灰压缩强度变化。

依据上述结果看出，当粉煤灰产量在13%时，得到的压缩强度为0.18，且此时的应力应变为0.14.同时在变化曲线方面，压缩强度随着应力应变的增加逐步增加，此后小幅度下降后又开始增加。出现以上变化曲线的主要原因，是因为粉煤灰的吸水性差，因而造成应力变大。

由此，综上看出，当混合土比例在10：20：70的时候，得到的混合土的压缩强度最高，发挥的效果也最高。

3 二灰土加固边坡的稳定性模拟

基于以上的最佳配合比例，在构建边坡稳定方案的情况下，就混合土对边坡的稳定性进行模拟分析。

3.1 模型建立

在数值模拟研究中，模型建立主要包含两个方面：①建立混合土试件模型;②建立路基边坡模型。数值模拟软件采用FLAC3D软件。同时为更好的让模拟实验结果接近真实值，在本研究中首先对试件力学特性进行数值模拟，然后再对边坡稳定性进行建模。具体建立模型与参数如下：

在试件模型构架中，剖分单元尺寸取 0.01m，且经网格划分后，分为41683个节点和 39472个单元。

同时模拟实际边坡工程，建立图5所示的边坡模型。考虑到边坡实际长度，本文采用压缩试样的方法对模型进行构建，剖分单元尺寸为0.1m，计算模型划分为27832个节点和12791个单元。为方便监测，以A作为监测点。

路基边坡模型的约束条件为3个：①顶板的水平边界及左侧斜边界全部为自由边界;②水平和垂直方向的位移受底部水平边界的约束;③水平位移也受右侧垂直边界的约束。

3.2 模型材料参数

模型的材料参数如表3所示。

3.3 数值模拟结果

3.3.1 混合土试件模拟结果

数值模拟的结果与实际试验结果对比数据如表4所示。

根据上述的结果看出，实际值与试验值相差较小，说明数值模拟的可行性。

3.3.2 边坡稳定性数值模拟结果

在边坡稳定性模拟中，将临界破坏状态时边坡的强度指标与岩土体原有的强度指标之比作为边坡的安全系数，用F表示。同时采用边坡强度系数折减法来计算边坡的稳定性。经过模拟计算，得到以下结果：

（1）纯粘土边坡稳定性模拟结果。在纯粘土下，得到的边坡稳定系数见图6所示。

根据图6的结果看出，在纯粘土下得到的边坡稳定系数为1.18，边坡系数较小，说明稳定性较差，必须要提高单一粘土的强度，以此提高边坡的稳定性。

（2）二灰土边坡数值模拟结果。将纯粘土改为二灰土，并通过上述强度系数折减法计算边坡稳定系数，得到图7的结果。

根据图7的结果看出，在二灰土配合比下，当配比为10：20：70的时候，模拟得到的边坡稳定性系数为5.08，此时边坡稳定性系数最大;而配比为8：32：60配比下，边坡安全系数最小，但安全系数值为3.72，也远远高于单一的粘土。

4 结论

根据上述的研究可以得到当二灰土的最佳配比为10：20：70，此时基于混合土的边坡稳定性安全系数最高，达到5.08，是单一粘土下边坡稳定性安全系数的4.3倍。由此说明在粘土中掺入粉煤灰和石灰，可有效提高软基的压缩强度，并提高边坡稳定性的作用。

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