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使用回收塑料管脚的边坡稳定

穆罕默德萨迪克汗，P.E.，A.M.ASCE1;沙汉达特·霍塞恩，P.E.，M.ASCE2;以及戈尔姆·基布里亚，A.M.ASCE3

摘要：

德克萨斯州北部地区的公路路堤浅层边坡失稳是很常见的，为德克萨斯交通运输局（TxDOT）造成了重大维修问题。作为一种具有成本效益的替代方案，可以利用回收塑料管脚（RPP）来稳定边坡并防止浅坡失效。 RPP由回收的塑料和废料（即聚合物，锯屑和飞灰）制成。它是一种轻质材料，比替代增强元件不易受化学和生物降解的影响。 RPP被驱动到斜面上，其沿着滑动面提供额外的阻力，从而增加了对边坡失稳的安全系数。目前的研究提出了用RPP加固公路边坡现场示范项目。该边坡位于美国高速公路287号的南行，靠近得克萨斯州的米德洛斯安的圣保罗立交桥。斜坡上发生了表面运动，导致桥台附近的肩部裂缝。在裂纹部分上的三个15.25米（50英尺）部分用RPP加固。此外，在加强部分之间提供了两个15.25米（50英尺）的未加强的控制段，以比较性能。斜坡北侧没有加固，也被视为对照坡。在安装RPP后，通过使用仪器RPP，倾斜仪和地形测量来监测斜坡的性能。表现监测结果表明，所有加固段的表现均优于南行斜坡的控制段。监测期间北行控制斜坡两个地点失稳。RPPS提供支持和抵抗南行边坡的失稳。此外，峰顶的RPP间距在抵抗位移方面发挥了重要作用。

DOI：10.1061 /（ASCE）CF.1943-5509.0000809。 2015美国土木工程师学会。

介绍

在强烈和长时间的降雨事件中，膨胀粘土土壤下塌坡的陡坡和堤坝易受浅层滑坡的影响。 通常，由于近地表土的逐渐润湿，孔隙水压力的增加和土壤强度的降低导致其失效。这种情况由于季节性气候变化的水分变化而进一步加剧，这导致上层土壤的周期性收缩和膨胀。 收缩裂缝作为降雨期间入侵水面的渠道（McCormick和Short 2006）。 在湿润和干燥周期，德克萨斯州北部地区主要出现塌陷和浅坡失稳,并且对德克萨斯交通运输局（TxDOT）产生了重大的维护问题（Wright 2005）。浅坡坡度的深度随土壤类型和坡度几何变化而变化，但一般范围为0.9米（3英尺）至1.8米（6英尺)。( Loehr等人，2007）。 浅层故障通常会对护栏，路肩和路面造成严重危害，如果不妥善维护，可能需要大量和昂贵的维修。

加固是相对较浅的边坡破坏条件的有效补救技术用于稳定斜坡和堤防的现场加固方法包括土钉，钻墩，微桩和RPP（Thompson等2006)。在可用的方法中，RPP被认为是一种用于边坡稳定的经济有效的解决方案（Loehr和Bowders 2007; Khan等人，2013）。 RPP首先在密苏里州和爱荷华州利用，作为稳定公路斜坡的可持续选择，进行了少量实地研究。 该研究总结说，在使用RPP固定斜坡后，并没有发现进一步的失稳，稳定区域的表现是有保证的（Loehr和Bowders 2007）。

通常，RPP由再生塑料和废料（聚合物，锯屑和粉煤灰）制成（Chen等人, 2007）。它是一种轻质材料，比其他增强材料不易受化学和生物降解的影响。使用RPP可以减少进入垃圾填埋场的废物量，并为回收塑料提供额外的需求（Loehr等人，2000年）。典型的RPP由高密度聚乙烯（HDPE）（55-70％）组成;低密度聚乙烯（LDPE）（5-10％）;聚苯乙烯（PS）（2-10％）;聚丙烯（PP）（2-7％）;聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）（1- 5％）;和不同量的添加剂，即锯屑，粉煤灰（0-5％）（McLaren 1995）。使用玻璃纤维和木纤维添加剂显着提高了塑料木材的弹性模量（Breslin等1998）。驱动到斜面中的RPP可以沿着滑动平面提供额外的阻力，其限制滑动表面的进展并且增加安全系数。然而，对边坡稳定的潜在用途只进行了有限的实地研究。

目前的研究提出了使用RPP稳定的公路边坡现场示范项目。 在德克萨斯州美国高速公路287号的高速公路边坡上观察到由于降雨导致的表面运动和破裂的路肩。 2011年3月，美国287号南行两个15.25米（50英尺）段用RPP加固。 另外一个裂缝区是在次年的287号的路肩上形成的，在另外一个新的15.25米（50英尺）的区段，使用RPP，加强了南行斜坡稳定性。 此外，两个15.25m（50英尺）的控制段保留在加固段之间以比较性能。 在安装后对斜坡的加固和控制段进行监测，以使用仪器RPP，倾斜仪和测量设备来评估坡度的性能。

1名土木工程系博士后研究员 得克萨斯州阿灵顿，417 Yates St.，NH 119 C，Arlington，TX 76019（相应的作者）。 电子信箱：mdskhan@uta.edu

2名土木工程系教授。德克萨斯州阿灵顿，417 Yates St.，NH 404，阿灵顿，TX 76019.电子 邮件：hossain@uta.edu

3名高级工程师，Drash Consultants，LLC，1045 Central Parkway North，Suite 103，San Antonio，TX 78232.电子信箱：gkibria @ drashconsultants.com

注意。 该手稿于2014年9月2日提交; 2015年5月15日批准; 2015年7月6日在线发布。讨论期至2015年12月6日。 必须为个人文件提交单独的讨论。 本文是“结构化设施绩效杂志”的一部分，copy;ASCE，ISSN 0887-3828 / 04015054（10）/ $ 25.00。

项目背景

研究的斜坡由3H：1V填充斜坡组成，高度为9.15 m（30英尺），位于美国公路287号南行线附近，靠近德克萨斯州梅德洛斯的圣保罗立交桥。 2010年9月，观察到边坡的坡面运动，以及斜坡附近的肩部裂缝。 图1显示斜坡的位置和裂纹肩膀的图示。

该地理位置的特点是鹰浅滩的形成这种形成由残留土壤，粘土和风化页岩组成。以前的研究表明，土壤的主要矿物是蒙脱石，它具有收缩/膨胀特性（Kibria和Hossain 2012）。

采用三种土壤钻孔方式对斜坡进行了研究，表明该斜坡采用高塑性粘土（CH）土，土壤液面（LL）和塑性指数（PI）在48-79和25-51之间 ，此外，观察到水分在1.5米（5英尺）以下的增加，其范围可达6米（20英尺）。

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图1（a）现场位置; （b）破碎路肩

含有蒙脱石的高塑性粘土使得土壤在湿润和干燥循环时容易膨胀和收缩,应该注意的是，在暴露于润湿/干燥循环之后，通常在田间条件下，高度塑性粘土可能会发生完全软化的强度，并为挖掘和填充坡度的首次滑动提供控制强度（Wright 2005）。 此外，土壤的凝聚力在完全软化状态下几乎消失（Wright 2005; Zornberg等，2007）。 润湿和干燥循环可能导致近地表土软化，导致斜坡运动并引起肩部裂缝。 这些裂缝可能会让水容易地流入边坡，最终在降雨期间饱和了顶峰附近的土壤。 结果，斜坡的失效可能遵循任何可能的滑动表面，如图1所示。 选择RPP作为抵抗坡度失效的稳定选择。

使用RPP的坡度稳定

在等式 （1）坡度的安全系数（FS）的定义是抗力矩（MR）与驱动力矩（MD）的比值。 在等式 （2）安装在斜坡上的RPP沿着滑动面提供了额外的阻力（MR），从而增加了抗力矩和安全系数。 图3显示了RPP作为斜坡加固的示意图,其中MR =沿滑动面的抗力矩; MD =滑动面的驱动力矩; MR =来自RPP的额外抵抗力矩。

图2可能的坡面失效的示意图

图3。RPP斜坡加固示意图

图4使用Plaxis 2D的坡度稳定性分析：（a）土壤模型;（b）安全系数的关键滑动面= 1.05

斜坡稳定方案设计

坡度稳定性分析

边坡稳定性分析和斜坡加固设计采用有限元程序PLAXIS 2D进行。在边坡稳定性分析中，确定斜率运动的发生在FS等于1.0时发生。为了评估斜坡运动开始期间的土壤参数，用PLAXIS 2D进行回归分析，使用剪切强度降低法获得FS等于1的均值。图4（a）显示了研究斜坡的土壤剖面。顶部2.13 m（7 英尺）的土壤被认为是破坏带，具有完全软化的强度，类似于图2中的滑动面2。不同土层的其他土壤参数由实地调查结果确定。莫尔库仑土壤模型用于使用15个节点三角形元素的稳定性分析。此外，在FE分析期间，采用标准固定度作为边界条件。选择初始过程尺寸网格进行试验FE分析，容忍误差为1％。然而，在几次迭代之后，基于模型的准确性和计算时间在整个分析中选择了中等网格大小。在数值分析中进行了几次迭代，以评估失效时的土壤参数，如表1所示。基于有限元分析，图4（b）显示安全系数为1.05。

表1.背面分析的土壤参数

图5 RPP在不同加载速率下的应力 - 应变响应

材料选择

RPP可以以不同的长度，尺寸和形状商购。 此外，RPP的组成也不同，因为它是由从不同来源获得的再生塑料制成的。 由于弹性模量和抗蠕变性能优于传统RPP，选择了100times;100 mm（4times;4 in）纤维增强型RPP， 测试所选择的RPP样品以确定美国287坡的补救设计的弯曲强度。

使用根据ASTM D790（ASTM 2010b）的3点弯曲试验，共测试9个RPP样品以评价弯曲强度。Loehr和Bowders（2007）认为，RPP的强度和刚度对装载率敏感。 Bowders等人（2003）对斜坡稳定性的RPP进行了实验研究，其中变形率比ASTM D6109（ASTM 2010a）中的建议值低5-10倍。 由于根据ASTM D790（ASTM 2010b），坡度稳定性的载荷率远远低于建议的载荷率，所以三点弯曲试验以三种不同的载荷速率进行：2.2千牛每分（0.5磅每分），12千牛每分（2.7磅每分）和21.8 千牛每分（磅每分），其范围在ASTM D790（ASTM 2010b）之间和在边坡稳定期间从土壤的负载率。 另外，对于每个加载速率测试总共三个样品以验证测试结果。

图5显示了不同加载速率下的应力应变响应。 基于实验研究，不同负载率下RPPs的抗弯强度和弹性模量分别为21.4-32.4MPa（3.1-4.7千磅力每平方英寸）和1,310-1,380MPa（190-200千磅力每平方英寸）。 实验结果进一步用于斜坡修复设计。

加固斜坡设计

美国287号南坡斜坡上共有三个部分被指定为加固第一节，加固第二节和加固第三节，用于稳定边坡。 每段的宽度为15.25米（50英尺）。 南坡斜坡两个未加强的控制段被视为控制区，以评估其性能。 斜坡北行边没有增强。

加固部分1考虑了不同长度和间距的RPP的组合。或者，对于加强段2和3考虑了具有单位间距的RPP。根据现场调查，显然裂纹带是起始点 美国287坡度的关键滑移面。因此，为了抵抗斜坡的运动并提供额外的支持在斜坡顶部需要较近间距的RPP。因此，在强化部分1的斜坡顶部附近安装了0.9米（3英尺），3.05米（10英尺）长的RPP。在1.8米（6英尺）的RPP 在中间设置了长度为3.05米（10英尺）的间距，考虑到1.5米（5英尺）间距，在加强第1节的脚趾附近有2.44米（8英尺）长的RPP。

采用不同长度的RPP，峰顶3.05米（10英尺），趾附近为2.44米（8英尺）被用于加固第2节; 而对于整个坡度，加固部分3被认为采用恒定长度的RPP3.05m（10英尺）。对于加强段2和3，均采用1.2米（4英尺)的RPP间距。

加强段上的交错网格用于放置RPP。 基于RPP的分布，采用PLAXIS 2D进行边坡稳定性分析，以评估每个加固段的安全系数。 在背部分析中校准的几何和土壤性质被用于斜坡加固的设计。 RPP被认为是弹性材料，并被模拟为板元件，其提供了针对浅坡失效的侧向支撑。 如图5所示，RPP的实验结果用于有限元分析。 对于加固段1,2和3，安全系数分别计算为1.43,1.48和1.54。 图6显示了每个加强部分的临界滑动面。 基于边坡稳定性分析， 图7显示了美国287南坡斜坡的RPP布局

图6使用RPP的坡度稳定性分析：（a）加强第1节FS = 1.43; （b）加强第2节，FS = 1.48; （c）加强第3节，FS = 1.54

图7。在美国287号公路南行坡RPP布局

现场安装

RPP安装在2011年3月的强化部分1和2中。加强部分3在2012年3月稳定下来。Sommers等人（2000年）对现场规模安装RPP进行了不同施工技术研究。研究总结说，桅杆安装的假振动锤系统在现场安装中运行良好，因为它在RPP驱动过程中保持了锤的对准和限制了额外的侧向载荷（Bowders等人2003）。因此，在本研究期间，使用具有桅杆式振动锤（型号：Klemm 802钻机以及KD 1011冲击头漂流器）的类似履带式钻机来安装RPP。履带式钻机适用于斜坡上的安装过程，因为不需要额外的锚固来维护设备的稳定性，降低人员，成本和安装过程所涉及的时间。图8显示了RPP安装照片。

在安装过程中测量了每个RPP的驱动时间、驱动速率和平均安装时间，并在表2中进行了总结。应该注意的是，每个RPP的安装时间是安装RPP所需的时间和操纵钻机到下一个位置的时间总和。在加强的第一节中，驾驶速率被观察为0.87米每分(2.85英尺每分）。在边坡中部，驾驶率下降到0.64米每分(2英尺每分），RPP间距增加了1.82米(6英尺)。驾驶速度的恢复是由于在更大的RPP间距之间操纵设备所需的时间更长。与此相反，最高的驱动速率(0

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