聚丙烯酰胺改良黏土邊坡穩定性分析

史海平 李中堯 李文煒 趙哲葦 李家歡 王 毅 王保田 王培清

1. 西藏農牧學院水利土木工程學院 西藏 林芝 860099 ；2. 河海大學巖土工程研究所 江蘇 南京 210098

藏東南地區地理位置特殊，冷暖交替明顯，土樣種類復雜多樣，除了分布著廣闊的砂卵石土外，黏土也占有極大的比例。黏土對溫度和水分的變化十分敏感，在反復凍融以后，黏土的宏觀結構和力學行為都會受到影響。目前，國內外學者對黏土的改良主要通過添加固化劑，其中聚丙烯酰胺是一種線性高分子聚合物，本文采用陽離子、1 200萬相對分子質量的聚丙烯酰胺對黏土進行改良，相較于其他外摻劑，該材料具有低碳無毒、綠色環保、用量少的特點，比傳統的水泥、石灰等土壤固化材料有較好的環境和經濟效益，具有獨特的土壤固化效果和廣泛的實用性。近些年，已經被廣泛應用于改良黏土基層及底基層、邊坡防護等工程建設當中。

聚丙烯酰胺（PAM）是一種有機類高分子水溶性聚合材料，具有改善土體持水性、滲透性以及穩定土壤結構等優點。朱燕等[1]利用新型親水性聚丙烯酸酯乳液（ZM）對人工配制含鹽量（質量分數，下同）3%的氯鹽澤土進行改良，通過單杠桿固結儀進行壓縮試驗。研究表明，ZM固化后的鹽澤土壓縮性明顯降低，固化鹽澤土壓縮性隨著齡期的增加而提高；張鵬等[2]利用玄武巖纖維與聚丙烯酰胺對粉土路基進行改良，研究表明，聚丙烯酰胺能改良、改變土體破壞形式，提高剪切剛度與剪切強度；唐朝生等[3]利用聚丙烯纖維改良素土、石灰土和水泥土，通過無側限抗壓強度試驗，表明加入聚丙烯纖維后改良強度、水穩性都有不同程度的提高；薛慧君等[4]對內蒙古陰山北麓水泥紅黏土通過單摻聚丙烯酰胺、復摻聚丙烯酰胺和粉煤灰進行改良，無側限抗壓強度試驗結果表明，隨著聚丙烯酰胺增加，水泥紅黏土強度呈現先增加后減小的趨勢；曾軍等[5]通過無側限抗壓強度試驗，研究聚丙烯纖維對紅黏土抗壓強度的影響，結果表明：在紅黏土中摻入一定比例的聚丙烯纖維可以有效提高無側限抗壓強度。綜上所述，不同改良材料可以在一定程度上提高黏土強度。為了使改良材料更好地應用于工程實踐中，探討加入聚丙烯酰胺對黏土邊坡穩定性影響十分有必要。

本文以西藏林芝市比日神山的黏土為研究對象，配制不同比例單摻PAM和復摻PAM、木質纖維素的改良土試樣進行凍融循環試驗。在不同凍融循環次數下進行直剪試驗，研究PAM和木質纖維素在不同凍融循環次數下對黏土試樣抗剪強度影響。根據試驗結果，利用Abaqus軟件建立邊坡模型，計算不同凍融循環次數下黏聚力與內摩擦角對邊坡安全系數的影響，進一步確定PAM與木質纖維素摻量最優配比。

1 試驗材料

本文試驗土體取自西藏林芝市，是一種廣泛分布于中國高海拔地區的黏土。為更好地了解其特性，進行了液塑限、擊實及比重試驗，其基本性質見表1。

表1 黏土基本性質

2 試驗方法

2.1 試驗流程

按照不同改良劑比例配制改良土試樣，配制的不同改良劑摻量及比例見表2。每種配比基于最優含水率制作改良土快剪試樣72個，直徑61.8 mm，高度20 mm。在標準養護條件下養護7 d后取出進行不同次數的凍融循環試驗，達到規定凍融循環次數后進行直剪試驗，確定抗剪強度指標黏聚力、內摩擦角。

表2 試樣配制情況

2.2 凍融循環

在每次凍融循環過程中，試樣首先在－20 ℃下凍結12 h，然后在20 ℃下解凍12 h，在第0、1、3、5、7、10次循環結束后，分別對各個快剪試樣進行稱重，確定其含水率變化后進行后續試驗。

2.3 快剪試驗

直接剪切試驗按照規范SL237—1999《土工試驗規程》[6]（已被廢止，但無替代標準，因此仍以此標準進行試驗）在ZJ型應變控制直剪儀下進行。試驗中，剪切速率為0.8 mm/min，豎直方向施加的4級荷載分別為：100、200、300、400 kPa，如圖1所示，當剪切位移達到4 mm后停止試驗。基于試驗數據獲取不同垂直壓力下的峰值剪應力，并進行線性擬合，根據式（1）求得剪應力，由摩爾-庫侖定律推算出制備試樣的抗剪強度參數黏聚力、內摩擦角。

圖1 ZJ型應變控制直剪儀

3 凍融循環對抗剪強度參數的影響

3.1 凍融循環對PAM單獨改良黏土抗剪強度參數的影響

圖2、圖3為未改良黏土試樣及PAM單獨改良黏土試樣在凍融循環后的抗剪強度參數變化曲線，未改良黏土內摩擦角與黏聚力較低，經過凍融循環后，其內摩擦角、黏聚力呈緩慢下降趨勢，最終在小幅度范圍內波動，說明凍融循環對未改良黏土的內摩擦角影響不大，因此凍融循環對黏土抗剪強度的影響不容忽視。

圖2 PAM改良土試樣內摩擦角隨凍融循環次數變化關系

圖3 PAM改良土試樣黏聚力隨凍融循環次數變化關系

3.1.1 凍融循環對單摻PAM改良黏土內摩擦角的結果分析從圖2可以看出，凍融循環對PAM改良土的內摩擦角有著提升作用，隨著凍融次數的增加，內摩擦角逐漸上升，總體而言，在經過7次凍融循環后逐漸穩定，或有小幅度下降。PAM摻量為0.4%時，未經過凍融循環內摩擦角為27.9°，在凍融循環1、3、5、7次后，內摩擦角持續上升到37.3°，比未經過凍融循環提升33.4%，隨后進行凍融循環，內摩擦角又開始緩慢降低，經過10次凍融循環，內摩擦角降至33.5°，表明相同PAM摻量下，隨著凍融循環次數的增加對內摩擦角的影響逐漸減弱，經過前5次凍融循環，使土體顆粒之間的密實度迅速降低，后期凍融循環對土體密實度幾乎無影響，導致后期凍融循環土體內摩擦角變化微小。但是當PAM摻量較大時，會減小土體顆粒之間的摩擦，從而降低土體的內摩擦角，盡管隨著凍融循環的進行，內摩擦角會逐漸上升，但這一現象說明PAM摻量不宜過多。

3.1.2 凍融循環對單摻PAM改良黏土黏聚力的結果分析

從圖3可以看出，單摻PAM改良黏土黏聚力先隨著凍融循環次數的增加急劇減小，隨后趨于穩定，未改良黏土隨著凍融循環次數增加緩慢降低。PAM不同比例摻量對黏土黏聚力有不同程度的提高，0次凍融循環下，未改良黏土黏聚力為33.4 kPa，PAM摻量為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%時，黏聚力較未改良黏土黏聚力分別提高34%、147%、230%、269%、322%，其中PAM摻量0.4%時，黏聚力比PAM摻量0.1%、0.2%時有顯著提高，從經濟與作用考慮，選擇PAM摻量0.4%改良更加合理。未改良黏土0次凍融循環較10次凍融循環，黏聚力降低37.7%，未改良黏土凍融循環對黏土強度影響較小。表明凍融循環過程中，土孔隙里的水受凍膨脹，融化后孔隙增大，使得PAM作用于土體顆粒間的膠結作用被削弱，PAM產生的膠體也出現裂紋，導致土體結構發生變化，從而在宏觀上就體現在土體黏聚力的降低。

3.2 凍融循環對PAM及木質纖維素復合改良黏土抗剪強度參數的影響

圖4、圖5匯總了不同凍融循環次數后，PAM和木質纖維素復合改良黏土抗剪強度參數的變化，從圖中可以看出多次凍融循環對復合改良黏土內摩擦角的影響并不大，不同摻量試樣內摩擦角數據也較為接近，隨著凍融循環次數的增加，整體呈現緩慢波動上升的趨勢，比單摻PAM改良黏土內摩擦角有顯著提高。復合改良黏土黏聚力隨著凍融循環次數的增加，總體呈現波動緩慢下降的趨勢，與單摻PAM改良黏土黏聚力相比有較大提高，加入木質纖維素可以提高黏土之間的膠結能力，在土體顆粒之間形成骨架作用，同時黏土填充骨架孔隙，形成骨架密實結構，可提高黏土抗剪強度。

圖4 復合改良土試樣內摩擦角隨凍融循環次數變化關系

圖5 復合改良土試樣黏聚力隨凍融循環次數變化關系

3.2.1 凍融循環對復合改良黏土內摩擦角的結果分析

從圖4可以看出，未改良黏土0次凍融循環內摩擦角為28.3°，經過PAM摻量0.4%、木質纖維素摻量1%、2%、3%、4%的復合改良黏土內摩擦角較未改良黏土分別提高73.1%、90.8%、79.5%、60.9%，PAM摻量0.4%、木質纖維素摻量2%的改良黏土明顯優于其他木質纖維素摻量。不同摻量經過1次凍融循環，PAM摻量0.4%、木質纖維素摻量2%的內摩擦角高于其他比例摻量。PAM摻量0.4%、木質纖維素摻量2%呈現出前3次凍融循環內摩擦角緩慢下降，隨后凍融循環次數增加，內摩擦角緩慢上升，直至10次凍融循環時，該比例摻量比其他比例摻量高出約6.2%，較未改良黏土，內摩擦角增加142.9%，選取PAM摻量0.4%、木質纖維素摻量2%明顯優于其他比例摻量。

3.2.2 凍融循環對復合改良黏土黏聚力的結果分析

圖5表明隨著凍融循環次數的增加，復合改良黏土試樣黏聚力呈波動緩慢下降，僅PAM摻量為0.4%、木質纖維素摻量為2%的改良黏土試樣黏聚力在3次凍融循環前有所上升，明顯高于其他比例摻量的黏聚力，但后來隨著凍融循環次數的增加開始下降，當木質纖維素摻量為2%時，黏聚力的變化波動較小且較未改良黏土黏聚力提高最大。因此，針對藏東南地區黏土，采用PAM及木質纖維素復合改良可以有效提高黏土的抗剪強度，使得改良土在多次凍融循環后仍然保持較高的黏聚力。從成本與抗剪強度角度考慮，可采用摻量0.4%的PAM及摻量2%的木質纖維素進行黏土改良。

4 Abaqus邊坡穩定性模擬

4.1 基于強度折減法的有限元基本原理

強度折減有限元法是目前土坡穩定分析中使用較為廣泛的一種分析方法，將土體實際強度指標c、φ與折減系數關系通過式（2）、式（3）計算，得到相對應的cm、φm，然后在其他參數不變的情況下，將折減后的材料參數黏聚力、內摩擦角代入有限元模型進行仿真模擬計算，當剛好達到邊坡臨界破壞極限時的折減系數即為邊坡安全系數Fs。本文建立邊坡有限元模型，對黏土天然狀態下與利用PAM和木質纖維素改良之后黏聚力、內摩擦角數值變化，通過強度折減法數值仿真模擬，以邊坡有限元數值迭代不收斂為主要判斷依據[7-8]，以邊坡出現塑性貫通區域作為邊坡失穩依據，進而得出黏聚力與內摩擦角這2個因素對邊坡穩定性的影響，為邊坡的合理建設、穩定性預測提供科學依據。

4.2 模型建立

根據取土位置（94.38°E，29.63°N）現場邊坡形狀，建立均質黏土邊坡模型。根據現場實測建立如圖6所示的模型，底部邊（BC）約束水平與豎直方向位移，邊坡左右兩側邊界（AB、CD）約束水平方向位移，根據土工基本試驗取土體容重γ＝26.825 kN/m3，彈性模量E＝98 MPa，泊松比μ＝0.38，黏聚力c＝23.38 kPa，內摩擦角φ＝33.36°，剪脹角φ＝0°，其中黏聚力、內摩擦角隨場變量變化，場變量取折減系數（安全系數FV1），取值范圍在0.5～3.5之間變化，模型中采用4結點平面應變四邊形單元（CPE4），計算區域共劃分為352個單元，394個結點，基于Abaqus模擬計算圖，采用平面應變有限元理論，通過強度折減法對該邊坡在不同黏聚力、內摩擦角進行邊坡穩定性分析。

圖6 邊坡模型尺寸（單位：m）

4.3 未改良黏土邊坡穩定計算結果分析

對未改良黏土邊坡進行穩定性分析，利用特征點確定位移安全系數，選取邊坡頂部E點（節點4）作為特征點，得到位移隨折減系數變化曲線（圖7），當折減系數在0.500～1.025區間變化時，邊坡頂點未發生明顯位移，邊坡處于穩定狀態；當折減系數大于1.025時，邊坡頂點位移急劇增加，此時邊坡即將形成塑性貫通區域，如圖8所示，邊坡面臨失穩。由計算模型E點位移與安全系數關系得出未改良黏土邊坡安全系數值為1.025。

圖7 E點位移與折減系數關系

圖8 未改良黏土折減系數1.025時塑性區

4.4 不同凍融循環次數下PAM改良邊坡穩定性分析

采用控制變量法，在其他條件不變的情況下，對未改良黏土、單摻PAM改良黏土、PAM和木質纖維素改良黏土在凍融循環0、1、3、5、7、10次下不同參數內摩擦角、黏聚力進行邊坡模型安全系數計算，繪制曲線規律，如圖9、圖10所示。

圖9 單摻PAM改良黏土對邊坡安全系數的影響

圖10 復合改良黏土對邊坡安全系數的影響

4.4.1 不同凍融循環次數下單摻PAM改良邊坡穩定性分析

從圖9可以看出，隨著凍融循環次數的增加，邊坡安全系數降低明顯。凍融循環0次，PAM摻量為0.4%時，安全系數為1.869，比未改良黏土安全系數1.025提高了82.3%。隨著凍融循環次數增加，不同PAM摻量安全系數降低，通過對比分析，對黏土改良PAM摻量0.4%更為合理。相同比例的PAM摻量，隨著凍融循環次數增加，邊坡安全系數降低。

4.4.2 不同凍融循環次數下復合改良邊坡穩定性分析

從圖10可以看出，PAM、木質纖維素復合改良的方法能夠顯著提高黏土邊坡的安全系數，隨著凍融循環次數的增加，邊坡安全系數在3.1上下波動變化。

0次凍融循環，復合改良對黏土邊坡安全系數提升約3倍。經過10次凍融循環，在PAM摻量0.4%，木質纖維素摻量1%、2%、3%、4%時計算，邊坡安全系數較未改良黏土安全系數分別提高283%、366%、323%、315%，其中木質纖維素摻量2%時提升最高。表明PAM、木質纖維素對黏土邊坡改良有較好的效果，PAM填充土體孔隙，木質纖維素在土體內部起膠結作用。通過PAM與木質纖維素改良，使邊坡土體從骨架孔隙結構變為骨架密實結構，可有效提高邊坡穩定性。

5 結語

1）未改良黏土在0次凍融循環下黏聚力、內摩擦角較低，隨著凍融循環次數的增加，黏聚力、內摩擦角進一步降低，溫度對未改良黏土強度具有一定的影響。經過PAM改良后的黏土，相比未改良黏土，黏聚力均顯著提高。當PAM的摻量為0.4%時，黏聚力的波動上升比較均勻。和其他摻量相比，在該摻量下，黏土對凍融循環的敏感性較小。

2）選取PAM的摻量為0.4%，另外按摻量1%、2%、3%、4%摻入木質纖維素進行黏土改良試驗。改良后黏土的黏聚力、內摩擦角相較未改良黏土，均有較大程度地提高，隨著凍融循環次數的增加，黏土的黏聚力緩慢下降，內摩擦角緩慢上升。PAM與木質纖維素對黏土邊坡改良有較好的效果，PAM使土體顆粒之間形成團聚，從細小、松散的土體顆粒過渡為團聚的土體顆粒，形成骨架結構且使團聚土體顆粒的抗剪強度提高，隨后加入木質纖維素使團聚土體顆粒之間連接，形成整體，可極大地提高黏土抗剪強度。

3）利用Abaqus有限元分析軟件進行不同凍融循環次數黏聚力、內摩擦角數值模擬分析，當單摻PAM、PAM摻量0.4%與不同比例木質纖維素改良黏土時，邊坡黏聚力、內摩擦角增大，黏土抗剪能力增大，抵抗滑坡能力增大，安全系數增加。