生态混凝土技术在红黏土边坡治理中的数值模拟研究

郭 琦

（山西省高速公路集团有限责任公司，山西太原 030006）

0 引言

我国红黏土分布广泛，其边坡土壤层出露地表，降雨吸水膨胀后水分难以下渗，形成地表径流，造成水土流失，严重时会发生滑坡、泻溜和崩塌等重力侵蚀，威胁临近道路通行安全。

针对红黏土边坡的防护与加固研究有很多，周云艳[1]认为植被护坡主要依靠坡面植物的地下根系及地上茎叶的作用来达到固土护坡；陈波等[2]在校内建立了红黏土边坡现场监测系统，监测红黏土边坡含水率和温度的变化规律，认为土体含水率和温度随季节的变化呈正弦波动变化。周远忠等[3-4]提出了红黏土微观“集粒”结构模型，并通过该模型对红黏土的工程物理力学特性进行了理论分析、解释和推测；陶高梁等[5]以湖南邵阳红黏土为例，采用压力板仪测量其土-水特征曲线，得到了红黏土的基质吸力；张瑶丹[6]采用碱液加固红黏土，分析了不同温度、干密度和加固方式下的碱液加固效果。

生态混凝土是指由集料、水泥、活性剂和水组成的，具有一定孔隙结构和强度，并且适宜植物生长的多孔混凝土[7-9]。林志光[10]认为生态混凝土护坡既能防护灾害又能让植被生长，可以有效解决护砌工程的劣势生态环境问题；张师琴[11]依托工程项目对某边坡采取了生态混凝土防护加固的措施，很大程度上改善了环境；黎永健[12]依托广西河池某山区高速公路边坡绿化工程，阐述了山区生态混凝土护坡的现状及应用前景，为后续类似的项目建设提供一定的参考。

鉴于国内外在生态加固红黏土边坡的研究较少，本文利用有限元分析手段分别建立了化学改良边坡土体模型和生态混凝土加固边坡模型，对比了化学改良与生态混凝土加固对红黏土边坡的处治效果，以期为红黏土边坡实体工程处治提供参考。

1 工程实例

1.1 工程概述

吕梁环城高速公路位于山西省吕梁市所辖离石区及方山县境内，起点位于方山县大武镇阎家山村北，采用大武枢纽连接临离高速公路，终点位于离石区田家会街道办上楼桥居委会西，采用田家会枢纽连接青银高速公路汾阳至离石段，路线全长38.188 km，路基宽度为24.5 m，设计速度80 km∕h，采用双向四车道高速公路标准建设。吕梁环城高速公路沿线红黏土边坡分布广泛，部分边坡由于强烈水土流失切割，覆盖于其上的黄土层被侵蚀殆尽，红黏土土壤层出露地表。

1.2 边坡支护方案

针对吕梁环城高速红黏土不良边坡现状，采用了化学改良土与生态混凝土加固两种方法进行协同护坡。工程用化学改良剂采用聚乙烯醇饱和石灰水，具体组成为聚乙烯醇∶石灰∶水=1.7%∶4%∶95.3%；工程用生态混凝土根据正交试验法所得最优配合比（目标孔隙率20%，水灰比0.3，外加剂掺量0.3%）进行制备生产，实测孔隙率为20.6%，28 d 抗压强度为16.9 MPa。

选取离石东服务区加油站后一级边坡进行施工，该红黏土边坡坡高8 m，边坡坡度1∶0.75。具体护坡方案如下：距坡底2 m 高的范围内采用化学改良结合生态混凝土加固的方式护坡；边坡2 m 高度以上部分采用化学改良方式护坡；改良后坡面铺设一层土工网。

红黏土边坡的护坡效果如图1所示。结合图1 原状边坡和改良边坡的坡面效果图可以看出，原状边坡红黏土裸露，当受到降雨影响时，边坡表面容易发生水土流失，严重时影响公路通行安全；当采用化学改良结合生态混凝土加固协同护坡后，上方采用改良剂使得红黏土的土体胀缩性、承载能力及稳定性得以改善，下方采用生态混凝土加固有效地抑制了边坡变形，能够有效减少溜塌、滑坡等坡体病害发生。

图1 路基边坡生态混凝土支护

2 边坡模型构建

2.1 建立模型

基于工程实际防护形式进行模型构建：边坡坡高为8 m，坡度为1∶0.75，上下边界距离为16 m，坡顶与右侧边界距离为20 m，坡脚与左侧边界距离为12 m，化学改良影响边坡表面深度为1.2 m；在化学改良的基础上，坡脚位置沿着坡面2 m 距离浇筑厚度为10 cm 的生态混凝土。改良前、改良后及生态混凝土加固后的边坡模型如图2所示。

图2 边坡模型（单位：m）

2.2 网格划分

为保证模拟计算结果的准确性，选择混合网格。在单元格划分时，与坡面距离近的位置单元格密集，与坡面远的位置单元格稀疏。改良前、改良后及生态混凝土加固后边坡模型的网格划分如图3所示，改良前后红黏土边坡土体与生态混凝土的材料参数如表1所示。

图3 边坡模型网格划分

3 结果分析

3.1 边坡稳定性

利用强度折减法分别对改良前、改良后及生态混凝土加固后的红黏土边坡进行强度折减，求解边坡稳定性系数，结果如表2所示。

表2 边坡稳定性系数

从表2 可以看出，生态混凝土加固后的红黏土边坡稳定性最好，其次为化学改良后的边坡，原生态边坡最差。由此可见，从边坡稳定性角度来看，化学改良与生态混凝土加固均可以有效提升边坡稳定性，且化学改良结合生态混凝土加固的防护方式效果最佳。

3.2 水平位移变化

边坡在自重应力的作用下会在水平方向产生位移，将表1 材料参数赋值后运行可得到红黏土边坡在水平方向的位移云图，如图4所示。

图4 边坡在水平方向位移云图

从图4 可以看出，在自重应力下，红黏土边坡在水平方向上的位移表现出相似特征：坡面水平位移大于边坡内部，坡脚水平位移大于坡顶，边坡最大水平位移均出现在坡脚范围内。

提取边坡水平方向位移数据，绘制边坡水平方向位移变化曲线图，如图5所示。

图5 距离与水平方向位移的关系

从图5 可以看出，改良前红黏土边坡水平方向位移随着与坡脚距离的增大表现出先增大后减小趋势，改良后红黏土边坡、生态混凝土加固后边坡的水平方向位移均随着与坡脚距离的增大而减小。化学改良前红黏土边坡水平方向最大位移为1.05 m；改良后坡面水平位移最大值为0.44 m，相较于改良前降低了58.1%；生态混凝土加固后坡面水平位移最大值为0.18 m，相较于改良前降低了82.9%，相较于改良后降低了59.1%。从红黏土边坡水平位移变化角度来看，化学改良及生态混凝土加固均具有显著作用，且化学改良结合生态混凝土加固的防护方式效果最佳。

3.3 剪应变变化

在剪切带土的强度是逐渐发展的，边坡土体失稳发生在剪应变最大部位，从而可通过边坡最大剪应变云图来明确边坡失稳滑动范围。红黏土边坡的剪应变云图如图6所示。从图6 可以看出，红黏土边坡的剪应变表现出相似特征：坡脚处产生的剪应变最大，由剪应变形成剪切面为圆弧形，且从坡脚向坡顶延伸。但是，边坡失稳滑动范围（剪切面范围）表现出很大差异，改良前的红黏土边坡最大剪应变为1.547，剪切面范围较大，几乎贯穿至坡顶；改良后最大剪应变减小为0.008，相较于改良前降低99.6%，剪切面范围减小，且未贯通至坡顶；生态混凝土加固后，边坡最大剪应变减小为0.006，与改良后相当，但其剪切面显著缩小，仅表现在坡脚局部处。由此可见，从红黏土边坡剪应变变化角度来看，化学改良与生态混凝土加固均对减小红黏土边坡最大剪应变及剪切面范围具有显著作用，且化学改良结合生态混凝土加固的防护方式效果最佳。

图6 边坡剪应变云图

4 结论

a）在自重应力下，改良前、改良后及生态混凝土加固后红黏土边坡的最大水平位移和最大剪应变均处于坡脚附近，坡脚位置处属于边坡最不稳定的区域，应加强对坡脚的防护加固。

b）综合从边坡稳定性、水平方向位移及剪切面范围3 个角度来看，原生态红黏土边坡的稳定性最差，化学改良后防护效果提升，生态混凝土加固后防护效果最佳，建议红黏土边坡采用化学改良结合生态混凝土加固坡脚的形式进行防护加固。