透水性混凝土制备及在护坡工程稳定性中的应用

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　　摘要：针对边坡保护工程中的生态需要，文章首先结合相关的技术要求，以粉煤灰、粗骨料、水泥等作为原材料，制备透水性混凝土。结果表明，在设置的12组混凝土配比中，通过抗压强度、抗弯测试和孔隙渗透率测试等，有11组混凝土符合要求。然后以该混凝土配比为基础，设置支护方案，并通过ABAQUS有限元对透水性混凝土的支护方案进行分析，结果表明符合支护要求，该配比和应用与边坡支护实用意义重大。
　　关键词：ABAQUS软件;透水性混凝土：边坡工程;稳定性
　　中图分类号：TU528.1/.7
　　文献标识码：A
　　文章编号：1001-5922（2020）08-0171-04
　　Preparation of Permeable Concrete and Its Application inStability of Slope Protection Works
　　XU Jia-dong
　　（Shandong Yonggu Survev and Construction Engineering Co.，Ltd..Linyi Shandong 276000，China）
　　Abstract ： In view of the ecological needs of slope protection engineenng，firstly，combined with the relevant techni-cal requirements，water permeable concrete is prepared with fly ash，coarse aggregate，cement and other raw materi-als.The results show that，among the 12 sets of concrete ratios set，ll groups of concrete meet the requirementsthrough compressive strength，bending resistance test and pore penneability test.Then.based on the concrete ratio，the supporting scheme is set up，and the supporting scheme of permeable concrete is analyzed by ABAQUS finite el-ement method.The results show that it meets the supporting requirements.and the ratio and application are in linewith the slope support.
　　Key words ： ABAQUS software;permeable concrete;slope engineering;stahility
　　随着对环境保护的重视，在边坡防护工程中需要更多的考虑环保因素，而不是只关注整个工程的稳固性。过去在护坡工程中基本是从稳固性等角度出发进行规划，忽略了对外部环境的影响，容易导致对原有生态环境的破坏。而一旦生态环境遭到破坏，则难以在短时间内得到有效地恢复，长期发展会对周围人群的生活质量造成严重的影响。当前的建筑受到风雨等外部因素的影响，往往会随着时间的增长变得更加脆弱，降低了对生态环境的保护作用。针对此问题有很多学者进行了研究，并提出了不同的改进策略。其中绿色生态混凝土属于一种较为典型的解决方式，其不仅能够在护坡工程中发挥应有的作用，同时具有更强的环保性和耐久性，不会对环境造成不利的影响，便于营造更宜人的居住环境，因此得到了广大用户的认可，体现出较为广阔的应用前景。
　　1试验思路设计
　　文章主要对岩质边坡的防护技术进行研究，结合传统的透水混凝土与锚喷技术形成一种高环保的护坡技术，降低了对环境的不利影响。详细的参数如下所示：透水性混凝土的孔隙率需要保持在20%以上，以保证植物的生长需求;锚喷混凝土需要达到20MPa以上的强度，以保证边坡防护的稳定性。因此，结合以上要求，文章主要从2个方面解决：①制备符合要求的透水性混凝土;②设置合理的边坡支护方案，并通过有限元软件分析支护效果。
　　2混凝土制备及性能测试
　　2.1试验方案
　　2.1.1原材料
　　实验主要采用的原材料包括：水泥（P.O 42.5硅酸盐水泥，四川省川南特种水泥厂生产）、粗细骨料（2mm-15mm不同等级）、Ⅱ级粉煤灰、水等。
　　2.1.2试验配比设计
　　对单位透水混凝土中不同材料的使用量进行计算，具体数据信息为表1中所示。
　　2.1.3试件成型
　　在试件成型阶段，选择100mmx100mmx550mm和150mmx150mmx150mm两种模具制作试件。首先将透水混凝土添加到试模内，然后用铁棒插捣10次，以保证压实。添加完成后对表面进行抹平處理，然后在养护1d后开始进行脱模处理。在设计过程中采用保鲜膜裹住试件，并定期添加适量的水分，通过这种方式使试件保持湿润状态，然后在28d后开始实验。
　　2.1.4性能测试
　　针对以上制备的透水性混凝土试件，采用抗压强度、抗弯强度和孔隙率等试验进行性能测试。其中，抗弯强度ff计算公式为：
　　（1）
　　式（1）中，L、b、h分别表示支座间距大小、试件宽度与高度，单位均为mm;α表示抗弯强度折减系数，这里将其设置为0.85;F表示极限载荷，单位是牛顿（N）。
　　有效孔隙率计算公式为：
　　P= 　　（2）
　　其中，Vw为添加达到饱和后的水量;Vs表示完全干燥前试件的体积。
　　抗压强度测试则采用RFP-03型智能测力仪、DYE-2000型压力试验机，并按照如下的公式进行抗压强度计算。
　　f= P/A
　　（3）
　　其中，P表示试件破坏时的压强;A表示受力面积。
　　2.2透水性混凝土性能测试结果
　　2.2.1抗压强度测试结果
　　表2展示了试件的抗压强度实验结果，在水灰比和孔隙率保持一定的情况下，抗压强度表现出先增加，然后降低的规律。
　　根据表中数据可以看到，在骨料粒径不变，随着粉煤灰替代率的增加，试件的抗压强度也在不断的增加;而随着骨料粒径的增加，整体的抗压强度也一定幅度的增加。
　　2.2.2抗弯强度测试
　　抗弯强度测试选用100mmx100mmx550mm的试件，并通过抗弯强度测试方法，得到表3所示的结果。根据表3可知，在骨料粒径大小不变，并且粉煤灰替代率低于20%时，粉煤灰增加，抗压强度保持增大的趋势，即2者表现出正相关的关系;但是在粉煤灰替代率高于20%时，继续增加粉煤灰会导致其抗弯强度的减小。如果粉煤灰替代率不变，则在不同骨料粒径范围内的抗弯强度表现出较大的差异性，其中在5-10min范围内时能够达到最大的抗弯强度，而在2.5-5mm范围内最低。
　　2.2.3孔隙率测试
　　根据孔隙率测试试验，得到图1的结果。
　　不同骨科粒径孔隙率数随粉煤灰替代率变化曲线
　　根据上图1中的曲线可知：
　　1）骨料粒径不变时，随着粉煤灰替代率的持续增大，混凝土的孔隙率逐步降低，因此二者属于负相关的关系。
　　2）如果粉煤灰替代率不变，则混凝土的孔隙率随着骨料粒径的降低而减小，因此二者属于正相关的关系。
　　2.2.4孔隙率与抗压强度综合统计
　　根据上述的结果，得到图2所示的综合统计结果。
　　根据图2中数据可知，第11编号试件的孔隙率和抗压强度分别是21.3%、21.89MPa，能够达到相关的要求。因此，选择11号作为后续的试验试件。
　　3透水性混凝土支护稳定性试验
　　3.1支护方案设计
　　在支护方案中，以山东某铁路建设T程为例。结合相关的边坡稳定设计要求，将参数设计为如下：坡脚大小是α=30°，坡面锚杆间的纵横间距都是3m，长度是4.5m、。锚杆水灰比设置为0.40，锚固体强度需要保证在M20以上;植生透水混凝土的厚度是20mm，强度不低于C20;钢筋网的规格为Φ6.5@250mmx250mm;选用1Φ14=100mm土钉。其中网喷支护立面图即为图3中所示。
　　3.2边坡防护数值模拟
　　在边坡防护数值分析中，首先要建立合适的模型。因此，在边坡防护设计中需要先对岩石的类型进行分析。其中岩浆岩形成在地表后长期受到多种作用的影响，大部分都是强、中风化砂岩，其边坡岩体可以通过摩尔一库伦理想弹塑性模型进行描述，此时可以将其认为是1个非线性平面应变问题。此外在计算过程采用了强度折减法等来降低计算的难度，具体参数如表4中所示。
　　3.3数值结果分析
　　采用ABAQUS有限元分析软件进行分析，从而得到图4和图5的边坡稳定性分析结果。
　　图4、5分别表示坡体防护前、后安全系数的变化趋势，通过位移拐点、数值进行分析。经过计算可知，体防护后的安全系数从1.028增加到1.23，由此可见通过坡体防护显著增大了安全系数。
　　3结语
　　本次研究中，在实验制备透水性混凝土的基础上，采用了有限元方法对混凝土对边坡的稳定性进行数值模拟，具体利用的模拟工具是ABAQUS软件，实验中采用了锚喷混凝土防护技术，验证了边坡安全系数的变化，分析是否改善了边坡结构的稳定性。根据最终的模拟结果可知，结锚喷植生透水混凝土显著提高了边坡结构的安全性系数，增强了边坡结构的稳定性，其应用效果良好？
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　　收稿日期：2020-03-10
　　作者简介：许家东（1980-），男，汉族，山东沂南人，大学本科，高级工程师，研究方向：工程勘察，地基处理与支护工程。
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