王學(xué)廣 李震 康楠 郭子騰

摘要：為選擇合適的膨脹土邊坡加固方法，針對(duì)改良土換填法與石灰樁法加固膨脹土邊坡的效果開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，并以南京某膨脹土邊坡為例，采用FLAC軟件建立邊坡模型，對(duì)加固前后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：石灰摻量為3%、5%、7%的改良土加固后邊坡穩(wěn)定性相同，其受換填深度、坡比影響較大：石灰樁法加固后邊坡穩(wěn)定系數(shù)與樁體強(qiáng)度和置換率成良好的線性關(guān)系，推導(dǎo)建立的加固邊坡安全系數(shù)公式的計(jì)算值和程序求解值吻合較好。綜合考慮各種影響因素，對(duì)兩種邊坡加固方法進(jìn)行了比較，認(rèn)為石灰樁法加固膨脹土邊坡具有工序簡(jiǎn)單、工期短、對(duì)原生環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：膨脹土;改良土換填;石灰樁;FLAC;邊坡穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TV223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000 - 1379.2019.05.028

滑坡[1]是膨脹土地區(qū)最普遍的一種斜坡變形現(xiàn)象和最主要的工程地質(zhì)問(wèn)題之一。淺層膨脹土裂隙特別發(fā)育，土質(zhì)干濕效應(yīng)明顯，吸水時(shí)土體膨脹、軟化、強(qiáng)度下降，失水后土體收縮并隨之產(chǎn)生裂隙，在反復(fù)的干濕作用下，膨脹土裂隙愈發(fā)發(fā)育，土體強(qiáng)度大幅下降。目前，處理膨脹土的方法有換填法、濕度控制法、樁基礎(chǔ)和化學(xué)改良法[2]。石灰來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，試驗(yàn)證明用其處理膨脹土效果很好。本研究選取石灰改良換填法和石灰樁擠密法這兩種方法，對(duì)南京某膨脹土邊坡的加固效果進(jìn)行比較，為選取合適的邊坡加固方法提供參考。

1 機(jī)理

（1）石灰改良換填法機(jī)理[2]。石灰改良膨脹土通過(guò)陽(yáng)離子交換、絮凝或團(tuán)聚、碳化、膠結(jié)作用改善土體結(jié)構(gòu)，從而使土體強(qiáng)度大幅度提高。

（2）石灰樁加固機(jī)理[3]。石灰樁的擠密作用：樁間的擠密主要包括成孔擠密、脫水?dāng)D密和膨脹擠密，分別在不同的階段提高膨脹土的強(qiáng)度并改良其膨脹性。生石灰與樁間土的化學(xué)反應(yīng)：包括離子化及離子交換作用、固結(jié)作用以及置換作用（復(fù)合地基作用），通過(guò)以上化學(xué)反應(yīng)可有效提高膨脹土的抗變形能力和強(qiáng)度。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)步驟

參考“二次摻灰”[2]方法制備石灰改良膨脹土試樣。首先，對(duì)破碎后的土樣摻人2%的生石灰燜料3d，以降低土樣含水率，使土樣易于砂化;然后，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到最大干密度和最優(yōu)含水率，按壓實(shí)度92%制得生石灰與消石灰摻量之和為3%（2%生+1%消）、5%（2%生+3%消）和7%（2%生+5%消）的試樣，把試樣埋于相同摻量的改良膨脹土中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7、14、28 d后抽氣飽和（養(yǎng)護(hù)14 d的照片見(jiàn)圖1）;最后，進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測(cè)其飽和直剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2. 2試驗(yàn)結(jié)果

養(yǎng)護(hù)7、14、28 d后不同石灰摻量（生石灰與消石灰摻量之和）的改良土樣飽和直剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1。

3 加固效果分析

3.1 邊坡模型及加固前穩(wěn)定性

選取南京市上壩河一九鄉(xiāng)河開(kāi)挖段的典型地質(zhì)剖面進(jìn)行分析，邊坡坡比取1/2.0、1/2.5、1/3.0。

1/2.0邊坡的基本形狀如圖2所示，土層①②③為不同裂隙發(fā)育程度的弱膨脹性膨脹土（厚度為10 m），土層④⑤為基巖。其中：土層①為強(qiáng)風(fēng)化作用下的膨脹土層，強(qiáng)度指標(biāo)采用8次干濕循環(huán)穩(wěn)定后的飽和快剪強(qiáng)度參數(shù);土層③為不受大氣影響的未風(fēng)化層，強(qiáng)度指標(biāo)采用未經(jīng)干濕作用的飽和快剪強(qiáng)度參數(shù)：土層②為弱風(fēng)化層，采用土層①③強(qiáng)度參數(shù)的均值。各土層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

采用FLAC軟件內(nèi)置的邊坡穩(wěn)定性求解模塊[4-5]進(jìn)行分析，計(jì)算加固前的邊坡穩(wěn)定系數(shù)F_s，結(jié)果見(jiàn)表3。研究區(qū)堤防工程的等級(jí)為2級(jí)，《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]要求F_s≥1.25，顯然加固前的邊坡穩(wěn)定性不滿足要求。

FLAC輸出的最大剪應(yīng)變速率（SSR）等值線見(jiàn)圖3.可以看出邊坡發(fā)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)滑動(dòng)面大體位于強(qiáng)風(fēng)化層和弱風(fēng)化層的交界面上，滑面深度為1-2 m.滑坡具有淺層性的特點(diǎn)。

3.2 石灰改良換填法加固效果

取用齡期為7、14、28 d和石灰摻量為3%、5%、7%的改良土的強(qiáng)度指標(biāo)分析加固后的邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果顯示，相同換填深度、相同坡比的邊坡，摻量為3%、5%、7%的改良土加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)是一樣的。但是，摻量相同而換填深度和坡比不同時(shí)，加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)差別較大，見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，換填深度小于1 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)受換填深度的影響不大：當(dāng)換填深度介于1 m與3m之間時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨換填深度的增加迅速增大，且很快達(dá)到規(guī)范要求值1.25，坡度越緩邊坡穩(wěn)定系數(shù)增速越快、增幅越大;當(dāng)換填深度超過(guò)3m之后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)增長(zhǎng)趨緩。坡頂位移與換填深度的關(guān)系見(jiàn)圖5，可以看出，隨換填深度增大，當(dāng)換填深度小于1 m時(shí)坡頂位移迅速衰減，衰減至7.5 cm左右后關(guān)系曲線出現(xiàn)第一個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)寬度對(duì)應(yīng)的換填深度為1.0 - 1.5 m;當(dāng)換填深度大于1.5 m后，坡頂位移繼續(xù)衰減至換填深度2m處達(dá)到穩(wěn)定，之后位移不再減小。

以坡比為1/2.0的邊坡為例，根據(jù)FLAC輸出的不同換填深度的SSR圖像（見(jiàn)圖6）分析上述結(jié)果產(chǎn)生的原因。換填深度^換≤Im時(shí)，危險(xiǎn)滑面（圖中綠、黃、紫色及漸變的區(qū)域）的位置不變，分布深度范圍為1～2 m.滑面呈直線形態(tài)，切至軟弱巖層，滑面土質(zhì)主要為未經(jīng)改良的強(qiáng)風(fēng)化土層;當(dāng)1 m

當(dāng)改良土強(qiáng)度較大并超出未改良土層的強(qiáng)度時(shí)，危險(xiǎn)滑面主要位于未改良土層，因此邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨改良土層強(qiáng)度的繼續(xù)增長(zhǎng)幾乎不變，但隨著換填深度的加大，危險(xiǎn)滑面繞開(kāi)換填層向更深處移動(dòng)，滑面的土質(zhì)經(jīng)過(guò)強(qiáng)、弱風(fēng)化層到未風(fēng)化層，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著土質(zhì)變好而提高，坡頂位移隨之減小。

基于上述分析，建議改良土的換填深度取3m左右，即將強(qiáng)弱風(fēng)化層完全換填為改良土，此時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于2，坡頂位移為1 cm左右。當(dāng)石灰摻量不小于3%時(shí)邊坡穩(wěn)定性不受石灰摻量改變的影響，據(jù)此判定石灰摻量為3%的改良土可滿足邊坡加固要求。

3.3 石灰樁法加固效果

工程中石灰樁的樁位一般采用等邊三角形布置[3].此時(shí)的復(fù)合地基置換率m計(jì)算公式為

m= 0.906 9 d³/L³2（1）式中：d為樁孔直徑，由當(dāng)?shù)厥┕l件決定，一般為150-400 mm;L為樁孔中心距，一般取樁孔直徑的2.5 -3.5倍。

生石灰樁在吸水膨脹后將引起樁徑增大，膨脹后的置換率為m'=εm，其中ε為石灰樁的膨脹率。

石灰樁復(fù)合地基屬于柔性復(fù)合地基，置換率是復(fù)合地基的重要參數(shù)，可以根據(jù)復(fù)合地基的置換率計(jì)算加固區(qū)的等效密度和強(qiáng)度參數(shù)[7]：

石灰樁的抗剪強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的提高而提高，一般為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的20% - 30%，其內(nèi)摩擦角變化范圍為20°～ 30°.石灰樁樁體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值常取350 -500 kPa。本研究中，石灰樁的黏聚力取無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的20%，內(nèi)摩擦角取20°，重度取13 kN/m³，石灰樁樁長(zhǎng)按穿過(guò)強(qiáng)弱風(fēng)化層考慮取3m，石灰樁材料火山灰與生石灰的配比取3：7.膨脹率取1.05.再取常見(jiàn)的樁距樁徑比值和石灰樁樁體強(qiáng)度，進(jìn)行石灰樁加固后的邊坡穩(wěn)定分析。其中：樁距樁徑比值代表了相應(yīng)的置換率，石灰樁樁體強(qiáng)度則反映了生石灰及其施工的質(zhì)量。當(dāng)樁孔中心距是樁孔直徑的2.5倍時(shí)，m=14.5%;樁孔中心距是樁孔直徑的3倍時(shí)，m=10.1%;樁孔中心距是樁孔直徑的3.5倍時(shí)，m=7.4%。膨脹后置換率等于相應(yīng)值乘以膨脹率1.05。

不同置換率和樁體強(qiáng)度加固后的土層強(qiáng)度及相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表4，加固后的危險(xiǎn)滑面位置如圖7所示，滑面深度為1-2 m。根據(jù)表4繪制加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)與樁體強(qiáng)度和置換率之間的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖8、圖9，可以看出，加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)與樁體強(qiáng)度和置換率成良好的線性關(guān)系。

基于加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)與樁體強(qiáng)度和置換率成良好的線性關(guān)系，試推導(dǎo)加固后邊坡穩(wěn)定系數(shù)的理論計(jì)算公式。依據(jù)極限平衡法[8]求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)的相關(guān)理論，推導(dǎo)如下：

應(yīng)用式（12）求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算值和程序求解值的關(guān)系見(jiàn)圖10，可以看出二者基本一致（誤差為3%左右），公式計(jì)算值在一定程度上可以反映邊坡穩(wěn)定的實(shí)際情況，可以通過(guò)該公式粗略分析常用的置換率m、石灰樁樁體強(qiáng)度q_u加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，從而制定合適的加固方案，其在工程上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3.4 加固方法比較

（1）石灰用量。改良土換填法加固邊坡時(shí)，石灰摻量為3%、換填深度為3m時(shí)穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定值。石灰樁法加固時(shí)，建議1/2.0邊坡置換率采用10.1%，1/2.5和1/3.0邊坡置換率采用7.4%。由于置換率為置換面積占總面積之比，換算成摻量分別為5.6%和5.2%，因此石灰樁所用石灰量要多于改良土換填用量。

（2）施工工序。改良土換填加固時(shí)，如采用場(chǎng)拌法，需用推土機(jī)將在料場(chǎng)晾曬一段時(shí)間的土推至灰土攪拌場(chǎng)，與石灰拌和燜料一周，燜料期間至少翻拌一次，再將改良土運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，填土碾壓，施工時(shí)需要大型攪拌機(jī)械、兩次運(yùn)輸，費(fèi)用較高;如采用路拌法，需要將膨脹土挖出堆放、自然瀝水，再將土料運(yùn)卸在施工地段，攤平、碾壓，撒布機(jī)攤鋪石灰，再采用大功率的攪拌機(jī)拌和，最后由壓路機(jī)靜壓壓實(shí)。石灰樁法施工時(shí)，分為無(wú)管成樁和有管成樁兩大類，無(wú)管成樁利用人工或機(jī)械在土中成孔以后，分段填料、分段夯實(shí)，最后封頂而成：有管成樁是用各類打樁機(jī)在土中沉入鋼管，往管內(nèi)填料，然后用心管壓實(shí)或在施工時(shí)振動(dòng)、壓縮空氣等作用的同時(shí)，拔管形成樁身，再用盲板封管將樁頂段反壓密實(shí)，封頂成樁。與改良土換填法相比，石灰樁法施工工序簡(jiǎn)單、效率較高。

（3）環(huán)境影響程度。改良土換填加固時(shí)，需要將換填部分的膨脹土挖出，將未風(fēng)化的新鮮土層暴露在大氣環(huán)境中，在挖除土體晾曬、燜料、改良期間，暴露在空氣中的新鮮土層在減荷和大氣營(yíng)力的作用下，發(fā)育形成減荷裂隙和風(fēng)化裂隙，強(qiáng)度發(fā)生明顯的衰減。根據(jù)前述分析，當(dāng)上層改良土回填后，危險(xiǎn)滑面位于改良土以下的未處理土層，開(kāi)挖期間形成的減荷和風(fēng)化裂隙的存在顯然對(duì)滑面的安全是不利的。而石灰樁法加固邊坡時(shí)產(chǎn)生的擠密作用，會(huì)使風(fēng)化層原有的裂隙愈合，并抑制土體的脹縮變形，從而限制裂隙的開(kāi)展，因此對(duì)邊坡環(huán)境的影響較小。

綜合比較石灰用量、施工工序和環(huán)境影響程度，認(rèn)為在南京地區(qū)膨脹土邊坡的加固處理中，石灰樁法與改良土換填法相比，具有工序簡(jiǎn)單、節(jié)省工期、對(duì)邊坡原生環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。4結(jié)論

（1）相同換填深度、相同坡比的邊坡，對(duì)于石灰摻量為3%、5%、7%而不同強(qiáng)度改良土加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)是相同的，加固后的邊坡穩(wěn)定性受換填深度、邊坡坡比的影響較大。當(dāng)換填深度為1-3 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨換填深度的增加迅速增大，且很快達(dá)到規(guī)范要求值1.25;當(dāng)換填深度<1 m或>3 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨換填深度的增加變化緩慢。

（2）由于改良土強(qiáng)度較高，危險(xiǎn)滑面主要位于未改良土層，因此邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨改良土層強(qiáng)度的繼續(xù)提高幾乎不變，但隨著換填深度的增加，危險(xiǎn)滑面繞開(kāi)換填層向更深處移動(dòng)，滑面的土質(zhì)經(jīng)過(guò)強(qiáng)、弱風(fēng)化層到未風(fēng)化層，隨著土質(zhì)的變好從而引起危險(xiǎn)滑面穩(wěn)定系數(shù)的增大，坡頂位移隨之減小。

（3）石灰樁法加固邊坡時(shí)，滑面深度為1-2 m，加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)與樁體強(qiáng)度和置換率成良好的線性關(guān)系。依據(jù)極限平衡法推導(dǎo)的石灰樁加固后膨脹土邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算值與程序求解值吻合較好，對(duì)于工程實(shí)踐中選取合適的置換率和樁體設(shè)計(jì)強(qiáng)度具有一定的參考價(jià)值。

（4）在南京地區(qū)膨脹土邊坡的加固中，改良土換填加固時(shí)建議換填深度取3m.石灰摻量取3%：石灰樁加固時(shí)，邊坡坡比為1/2.0時(shí)建議置換率取10.1%，邊坡坡比為1/2.5、1/3.0時(shí)建議置換率取7.4%，樁長(zhǎng)穿透風(fēng)化層（3 m）。

（5）綜合考慮石灰用量、施工工序和環(huán)境影響程度等因素，比較改良土換填法和石灰樁法的優(yōu)劣，認(rèn)為在南京地區(qū)膨脹土邊坡的加固處理中，后者與前者相比，具有工序簡(jiǎn)單、節(jié)省工期、對(duì)邊坡原生環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖世文，膨脹土與鐵路工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1984：273-285.

[2] 王保田，張福海，膨脹土的改良技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008：151-210.

[3]牛志榮，地基處理技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004：232-237.

[4] 殷宗澤，徐彬，反映裂隙影響的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，2011，33（3）：454-459.

[5] 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：42-67.

[6]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范：CB50286-2013[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014：25-27.

[7]

BENCT B Broms，唐念慈，用石灰及水泥土柱穩(wěn)定邊坡和深開(kāi)挖[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1986，8（6）：18-25.

[8] 盧廷浩，土力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2002：144-160.

【責(zé)任編輯張智民】