聚丙烯纖維加固膨脹土邊坡穩定性分析

任浩 張紫怡 黨芳 郝晨曦 張宇航 南亞林 郭鴻 楊奎斌

（1.陜西理工大學土木工程與建筑學院，陜西漢中 723001；2.陜西理工大學人居環境科研學社，陜西漢中 723001；3.信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西西安 710054；4.陜西省土體工程技術研究中心，陜西西安 710054；5.陜西理工大學秦巴山地巖土環境與災害防治研究中心，陜西漢中 723001）

0 引言

膨脹土為高塑性黏土，富含親水性物質，具有吸水膨脹，失水收縮特性，對環境的濕熱變化極其敏感，性質極不穩定[1]，易發生滑坡等地質災害。膨脹土邊坡不穩定問題一直是工程實踐亟待解決的難題，發生不穩定問題的主要原因是裂隙作用，膨脹土為裂隙結構體，裂隙的存在極大降低了土體抗剪強度。當裂隙附近應力集中程度超過膨脹土極限強度時，裂隙周圍土體開始軟化[2]，從而產生滑坡。故開展膨脹土力學特征研究對加固膨脹土邊坡有著重要借鑒意義。

為提高膨脹土邊坡穩定性，眾多學者針對加固膨脹土邊坡開展了大量的試驗研究。鄒維列等[3]描述了膨脹土滑坡的一般原理，并提出加固膨脹土邊坡采用經濟成本低的土工合成材料。鄧銘江等[4]對北疆膨脹土渠道邊坡的多層破壞機理和加固方法進行研究，并建議采用抗滑支擋加固膨脹土邊坡。杜兆萌[5]采用極限平衡法驗證了抗滑樁加固膨脹土邊坡方法的合理性。吳繼玲等[6]提出聚丙烯纖維可以增強膨脹土的抗剪強度,且膨脹土抗剪強度不隨干濕循環次數的增加而發生變化。陳 翔等[7]開展了大量的干濕循環和直剪試驗，得出摻量0.3%的纖維土在干濕循環試驗中抗剪強度最大。

自20 世紀60 年代纖維加筋法被提出以來，采用聚丙烯纖維加固素土，因其具有抗剪強度提高幅度大、成本低等優點，逐漸被應用于土木工程。纖維加筋法通常向土體中均勻加入絲狀聚丙烯纖維，故可以增強土體各個方向的強度。本研究選擇質地堅韌聚丙烯纖維作為試驗材料，研究不同聚丙烯纖維摻量膨脹土抗剪強度變化規律，并利用Geostudio 中極限平衡法建立邊坡模型，對加固前后膨脹土邊坡穩定系數進行分析。研究可為膨脹土邊坡加固提供借鑒。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 材料參數

試驗所用膨脹土取自陜西省漢中市城固縣的柳林機場，土體呈黃褐色，土質堅硬，土中的裂隙較發育。將取回的膨脹土進行自然風干、碾碎，過2 mm 篩。通過液塑限試驗、擊實試驗測得膨脹土的一些基本物理指標（見表1）。試驗所用膨脹土蒙脫石含量不高，自由膨脹率為55%，參考《膨脹土地區建筑技術規范》（GBJ 112-87），土樣具有弱膨脹性。

表1 膨脹土物理性質指標

試驗所用聚丙烯纖維呈白色絲狀，其長度約為17 mm，平均直徑45 μm，此種纖維材料具有強度高、韌性大、彈性好等特點，所用的聚丙烯纖維的基本物理力學參數見表2。

表2 聚丙烯纖維基本物理力學性質

1.2 試驗方案

試驗采用最優含水率為16.8%、干密度為1.75 g/cm3的膨脹土試樣，通過添加不同摻量的聚丙烯纖維對其進行改良，并測試其抗剪強度指標的變化。采用底面積30 cm2、高2 cm 的環刀分別切取聚丙烯含量為0%、0.04%、0.10%、0.14%、0.18%膨脹土試樣各3 組，共15 個膨脹土試樣。

2 膨脹土直剪試驗結果分析

通過直剪試驗得出不同圍壓、不同聚丙烯纖維摻量的改性膨脹土的剪切應力隨剪切位移變化曲線。圖1 為不同纖維摻量試樣剪切應力隨剪切位移變化曲線?？梢钥闯霎敿羟形灰菩∮? mm 時，剪切應力均隨剪切位移快速上升，到達一定限度后曲線增長緩慢并逐漸趨于穩定。原因為膨脹土受剪時，由于土體受壓后排列緊密，一部分土體顆粒與另一部分顆粒碰撞擠壓，產生了相對摩擦力，因而抗剪強度在前期表現為逐漸增大的趨勢，但當顆粒與顆粒、顆粒與纖維的間隙越來越小時，土中隨機分布的聚丙烯纖維會有效抑制土顆粒之間的滑動，從而阻止其發生咬合。

圖1 不同纖維摻量試樣剪切應力隨剪切位移變化曲線

通過圖1（a）、圖1（b）可以看出，剪切位移小于1 mm 時，0.14%纖維土剪切應力隨位移增長較慢，而當剪切位移大于2 mm 時，0.14%纖維土曲線較其他摻量纖維土曲線急劇增長。另外，從圖1（c）曲線可以看出，膨脹土曲線在剪切位移分別增長到1 mm、3 mm 時,其剪切應力數值分別增長至9.3kPa、15.5kPa。0.14%纖維土曲線在剪切位移增長到1mm、3mm時，其剪切應力數值分別增長至9.6kPa、28.9 kPa。纖維土抗剪能力較素土有較大提升，這是因為采用纖維改良后的膨脹土，纖維被周圍土體包裹，纖維和土顆粒之間的摩擦力能夠有效地阻止土顆粒間的錯動與重排，在一定程度上能夠延緩微裂隙的形成與發展，減小裂隙數量與裂隙寬度，降低裂隙貫通率，從而提高了土體抗剪能力。

圖2 為不同圍壓試樣剪切應力隨剪切位移變化曲線。分析圖2 可得，不同聚丙烯纖維摻量的纖維土的抗剪能力隨圍壓的增大而提高。其中，纖維含量0.14%的膨脹土試樣在300 kPa 圍壓條件下，剪切位移為2.9 mm 時，剪切應力達到最大值48.3 kPa。

圖2 不同圍壓試樣剪切應力隨剪切位移變化曲線

圖3 為300 kPa 下抗剪強度與聚丙纖維摻量關系曲線。分析圖3 可得，當聚丙烯纖維含量超過0.14%時，剪切應力曲線呈現下降趨勢。摻0.14%聚丙烯纖維能顯著提高膨脹土的峰值抗剪性能。

圖3 圍壓300 kPa 抗剪強度與聚丙烯纖維摻量關系

纖維加筋法體現在將聚丙烯纖維均勻摻入膨脹土，素土顆粒與纖維絲交錯在一起形成無數的“交錯點”，任意區域纖維受壓將牽動各個區域的纖維受力，從而在土體內部形成網狀結構。纖維含量越多，交錯點越多其纖維土抗剪強度越強。然而并不是纖維含量越多膨脹土抗剪能力指標越大[8]，當聚丙烯纖維含量超過0.14%時，剪切應力曲線呈現下降趨勢。本次直剪試驗得出的各材料抗剪強度由高到低依次為0.14%纖維土、0.18%纖維土、0.10%纖維土、0.04%纖維土和素膨脹土，其中0.14%纖維土改良效果最為顯著。

3 邊坡穩定性分析方法和結果

3.1 分析方法

極限平衡法是假設邊坡處于不穩定條件下，忽略邊坡內部變形對邊坡穩定性產生影響，簡化之后導出其受外力作用并分析邊坡受外力作用安全系數。Morgenstern-Price 法（M-P 法）、Fellenius 法是目前主要的極限平衡法。

Geostudio 軟件SLOPE/W 模塊中M-P 法使用半正弦函數，半正弦函數趨向于條間剪力朝向滑體的中部并在頂部減小，M-P 方法不僅考慮條間剪力和法向力，也滿足力矩平衡和力平衡條件，其穩定性以安全系數為標準。

極限平衡法使用抗滑應力和滑動應力之比表示邊坡穩定程度，圖4 列舉出土條作用力分布狀況，土條兩側剪切應力不能超過土條作用面的抗剪強度[9]，即

圖4 素膨脹土邊坡模型

式中:Fv為 穩定系數；E′為 法向垂直壓力；X′為剪切應力；為摩擦系數；為土條黏聚力；y為滑坡斷裂面的縱坐標值；z為邊坡表層的縱坐標值。

3.2 分析結果

根據直剪試驗數據，分別計算出不同纖維摻量膨脹土土樣在100 kPa、200 kPa、300 kPa 圍壓條件下的抗剪強度，利用庫侖定律計算出不同纖維摻量土樣的內摩擦角和黏聚力參數（見表3）。

表3 不同纖維摻量土樣的主要力學指標

采用表3 中不同纖維試樣的主要力學參數，使用Geostudio 中SLOPE/W 模塊對邊坡穩定性研究，并得出各邊坡安全系數及力學性能參數。

選取高為7.5 m、寬20 m 的剖面，纖維土天然重度γ=18 kN/m3，內摩擦角φ=13.539°，黏聚力c=19.695 kPa。利用Geostudio 中SLOPE/W 模塊，采用極限平衡法對膨脹土滑坡剖面進行穩定性研究，計算得0%纖維土邊坡模型如圖4 所示。

選取高為7.5 m、寬20 m 的剖面，纖維土天然重度γ=18 kN/m3，內摩擦角φ=23.590°，黏聚力c=24.223 kPa。利用Geostudio 中剖面進行穩定性研究，計算得0.10%纖維土邊坡模型如圖5 所示。

圖5 0.10%纖維土邊坡模型

選取高為7.5 m、寬20 m 的剖面，纖維土天然重度γ=18 kN/m3，內摩擦角φ=27.857°，黏聚力c=27.823 kPa。利用Geostudio 中SLOPE/W 模塊，采用極限平衡法對膨脹土滑坡剖面進行穩定性研究，計算得0.14%纖維土邊坡模型如圖6 所示。

選取高為7.5 m、寬20 m 的剖面，纖維土天然重度γ=18 kN/m3，內摩擦角φ=18.753°，黏聚力c=25.823 kPa。利用Geostudio 中SLOPE/W 模塊，采用極限平衡法對膨脹土滑坡剖面進行穩定性研究，計算得0.18%纖維土邊坡模型如圖7 所示。

圖8 為邊坡安全系數隨纖維含量變化曲線。由圖8 可知，安全系數隨著纖維含量增加而呈現先增加后衰減的趨勢且擬合直線斜率約為2.5751。安全系數在該擬合直線附近波動，0.14%聚丙烯纖維邊坡安全系數為2.413，較素膨脹土邊坡安全系數增長0.591。這是因為纖維土的剪切應力會在一定范圍內隨聚丙烯纖維含量的增加而增加，當聚丙烯纖維極限應變達到峰值之前，邊坡安全系數都在穩步上升[10]。

圖8 安全系數隨纖維含量變化曲線

3.3 力學參數分析

利用Geostudio 中SLOPE/W 模塊得到素膨脹土邊坡模型、0.10%纖維土邊坡模型、0.14%纖維土邊坡模型參數、0.18%纖維土邊坡模型參數，導出總抗滑應力與纖維含量關系如圖9 所示。

圖9 總抗滑應力與纖維含量關系

由圖9 可知，邊坡總抗滑應力與纖維含量曲線依然呈現正態分布趨勢，0.14%纖維土邊坡總抗滑應力較素膨脹土邊坡總抗滑應力增長42.48 kPa，0.10%纖維土邊坡總抗滑應力較素膨脹土邊坡總抗滑應力增長17.98 kPa。由此可見，摻入聚丙烯纖維可顯著增強邊坡抗滑應力，聚丙烯纖維還可以增強纖維土邊坡的峰值抗剪強度、減少其殘余強度的損失、延長試樣破壞的時間[11]。漢中市柳林機場的膨脹土邊坡建議采用0.14%摻量的聚丙烯纖維加固。

4 結論

（1）各摻量纖維土直剪試驗結果表明，聚丙烯摻量小于等于0.14%時，抗剪強度隨纖維含量增加而增大，聚丙烯摻量大于0.14%時，抗剪強度開始下降；聚丙烯摻量為0.14%時加固效果最為顯著，其抗剪強度較同條件下的素膨脹土提高11.3 kPa。

（2）Geostudio 軟件SLOPE/W 模塊的分析結果表明，采用聚丙烯纖維加固后膨脹土邊坡穩定性系數顯著提高，聚丙烯摻量為0.14%時邊坡穩定性提高提高幅度最大，與同條件下的素膨脹土邊坡相比，穩定性系數提高0.591，總抗滑應力提高42.48 kPa。

（3）對于漢中市柳林機場膨脹土邊坡，建議采用0.14%摻量的聚丙纖維進行加固。