基于水泥改良土對高填方邊坡穩定性影響分析

朱家劍

（甘肅路橋第三公路工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

高填方邊坡穩定性是巖土工程領域的技術難點。近年來在高填方邊坡建設中，水泥改良土作為一種廉價改良材料，在確保高填方邊坡穩定性上得到了廣泛應用。

1 水泥改良土影響因素

1.1 土質類型的影響

在不同自然條件下形成的土層結構截然不同，土層的顆粒大小不一，土層所含礦物成分和滲透性參數也不同。這些土質與水泥混合成水泥改良土，在強度上也各有特點。

細沙和粉砂屬于無粘性土，由于土層是單粒結構，顆粒大、空隙大，與水泥混合后水泥顆粒容易滲透到土顆粒空隙中，形成的水泥改良土強度較大。另外，由于細沙和粉砂的礦物質成分是石英等原生礦物，與水泥化合物發生化學反應，提升了水泥改良土的強度。與非粘土的特性相反，粘性土礦物成分是高嶺石等次生礦物，由于受風化作用，結構疏松，呈絮狀多孔，導致滲透性較低，當水泥化合物與粘性土發生化學反應時，由于水泥化合物的鈣離子數難以滿足粘性土的強吸收作用，生成的膠結物較少，導致水泥改良土的強度增加有限。

1.2 含水率和壓實度的影響

無論是改良土與水泥的拌和，還是水泥的水化反應和水化合物的形成，水的參與都至關重要。由于不同改良土的顆粒結構不同，性能不同，使得不同改良土對應的含水率也不一樣，在與水泥拌和時，每種改良土都有其最優含水率，而含水率越大，壓實度就越大。在一定范圍內，壓實度和水泥改良土強度成正比，當壓實度超過了一定范圍后，水泥改良土的強度增長速度會放緩。從生產效率角度看，每種水泥改良土都有其最優含水率，都有其最佳壓實度，這對于提高水泥改良土強度、降低成本有重要意義[1]。

1.3 養護方法的影響

水泥和改良土加水拌和會產生一系列物理反應和化學反應，反應時間的長短對水泥改良土的強度有很大影響。隨時間推移，反應結束后水泥改良土的強度會趨于穩定。但在反應過程中，如養護方法不同，短齡期的水泥改良土的強度差異會較大，隨著反應趨于結束，養護方法造成的差異性會越來越小。由此可見，對于短齡期的水泥改良土，養護方法的選擇對于水泥改良土的強度影響較大，而對后期的水泥改良土強度影響較小。從這個角度考慮，選擇最佳養護方法，科學制定養護規范，對于短齡期水泥改良土質量提升有重要意義。

1.4 水泥型號和劑量的影響

水泥根據所含成分和劑量不同有多種型號，標號越高，強度越大。不同型號的水泥與同類改良土混合，其強度隨著水泥標號的提高而增大。在其他參數值不變的條件下，水泥摻入量越大，水泥改良土的強度越大。研究發現，處在養護期的水泥改良土在不同時間摻入同等水泥量，對強度的影響也不一樣；而且，根據水泥改良土的強度要求，水泥摻入量應大于5%，從經濟效益的角度考慮，水泥摻入量保持在7%-15%較為適宜。

2 高填方邊坡失穩的破壞形式

2.1 雨水坡面沖刷破壞

高填方邊坡失穩與水的作用密切相關。在環境干燥條件下，邊坡的自身穩定性良好，巖土體保持在高強度狀態。但在雨季，雨水的沖刷和浸泡會破壞邊坡穩定狀態，雨水滲入巖土體內部，巖土體容重增加，產生靜水壓力和動水壓力，從而抵消巖土體結構的粘聚力，導致邊坡強度降低，造成坡面出現侵蝕現象，引發坡面破壞，出現失穩。

2.2 坡面剝落掉塊

高填方邊坡施工結束后，其應力強度會保持在一定的穩定狀態，但隨時間推移，其內部的應力狀態會發生變化，當下滑力小于抗滑力時，邊坡會保持在穩定狀態，當下滑力大于抗滑力時，邊坡會發生失穩現象。從自然條件看，受風化的影響，坡面會出現干裂等現象，加上雨水的沖刷，雨水滲入會導致巖土體內部結構破壞，輕則引發巖土體濕陷變形，坡體原貌遭到破壞，出現坡面剝落掉塊現象，重則造成內部結構失穩，出現滑坡等現象。

2.3 滑坡破壞

由于邊坡有一定的坡率，斜坡面巖體會因自重產生自上而下的下滑趨勢。受自然環境變化和內部結構下滑力的影響，邊坡會出現坡角水平剪應力集中，產生剪切破壞，引發滑坡現象。滑坡過程具有漸進性，首先是局部軟弱結構發生形變，逐漸向周圍巖體擴展，最后導致斜坡整體出現滑動破壞。一般來說，坡率越大，坡角越高，產生的剪應力越強。根據土質的不同，滑坡發生概率也不同，通常土質邊坡容易形成拉應力帶，滑坡現象較常見。

2.4 泥石流破壞

在惡劣的自然條件下，泥石流現象時有發生，特別是暴雨、暴雪、地震等自然災害很容易導致高填方邊坡依附的山體發生滑坡。滑坡具有突發性，且夾帶大量的泥沙和巖石，破壞性和危險性極大。一般來說，邊坡周邊有地下水暴露部位或者邊坡處于地勢險要處，需采取有效保護措施防范泥石流。

2.5 人類活動造成的破壞

在工程建設中，施工設計和技術等原因也會對邊坡的穩定性產生影響，一是在邊坡坡角處施工操作不當，過渡開挖，會導致邊坡下滑力增大，出現邊坡失穩，二是現場管理失當，在坡面上過渡堆積棄土或其他材料，導致下滑力大于抗滑力，邊坡發生失穩，三是施工過程中忽視機械設備的振動和爆破影響，導致邊坡內部結構遭到破壞，引發失穩現象[2]。

3 高填方邊坡穩定性影響因素

3.1 地質因素

邊坡巖土體的斜面角度對邊坡穩定性影響很大，一般來說，邊坡巖層結構面與坡面呈直角，邊坡穩定性最大，結構面與邊坡呈水平狀態，則邊坡穩定性最差[6]。

3.2 邊坡形態

邊坡形態決定了邊坡結構的穩定性。邊坡形態可分為穩定趨勢形態和失穩趨勢形態。一般情況下，通過影響坡面形態的三要素，即坡面長寬高、邊坡平面和坡腳臨空角度來判斷。坡面長則坡面結構易于穩定，坡面高則坡面失穩可能性加大；邊坡平面處于凹形，其穩定性高于凸形的邊坡平面。邊坡形態失穩是一個漸進過程，當邊坡局部出現軟弱結構，產生張力作用，使軟弱的巖土體出現裂縫，引發坡角剪應力增強，造成邊坡穩定性降低[3]。

3.3 動力作用

當邊坡受到強動力荷載，會導致結構穩定狀態被破壞，內部應力平衡系統發生改變，進而造成失穩現象。一般來說，地震和大型爆破等動力荷載是主要原因。

作為強動力荷載，地震對邊坡穩定性造成的破壞是巨大的：一是引發邊坡失去應力支撐，巖土體局部下滑力增大，而抗滑力不變，導致邊坡失穩；二是地震的沖擊力使邊坡坡面出現重組，新的結構面對原有結構面產生擠壓、張拉等，使原有結構面出現裂縫甚至崩塌；三是邊坡在地震引發的山體泥石流等沖擊下會發生強烈的位移或變形，造成邊坡失穩。

和地震相比，爆破的動力影響相對較小，主要有以下方面：一是大型爆破引發的山體或邊坡振動會產生慣性力，使邊坡巖土體局部滑力失衡，導致邊坡失穩；二是爆破的振動沖力會對巖土體內部結構造成破壞，加大巖土體縫隙，打破巖土體結構應力平衡，引發剪切應力增大，使邊坡失穩。因此，在實際施工中，采用爆破技術時要合理使用爆破用藥量，科學計算爆破對邊坡的影響，準確規劃爆破地點與邊坡的距離等。

3.4 地下水

地下水對邊坡穩定性的影響很大，主要體現在以下方面：一是地下水入滲導致巖土體內部容重增加，粘聚力降低，打破了邊坡動靜水壓力平衡，從而導致失穩；二是地下水不斷入滲，動水壓力增大[4]，結構出現局部軟弱，使地下水入滲通道被拓展加大，造成邊坡內部結構失穩；三是地下水持續入滲，入滲量越來越大，巖土體的坡角處于沖刷浸泡狀態下，造成結構軟化、流失，強度減弱，導致邊坡結構失穩。

4 水泥改良土對邊坡穩定性影響

水泥改良土摻入比例不同，對高填方邊坡的穩定性影響也不同。本文采用試驗數據對不同摻入量水泥改良土對邊坡穩定性的影響進行探討。

從表1可知，素土邊坡穩定系數為1.95，穩定性偏低，邊坡內部結構不穩定，極易發生坡面變形、局部崩塌及滑坡等現象。因此，對素土邊坡進行填料更換勢在必行。

表1 不同填料下邊坡穩定系數和變化特征

4.1 不同填料對邊坡水平位移變化的影響

建成后的邊坡巖土體會由于自重力和應力發生沿坡面位移的現象。不同填料情況下，水平位移的規律沒有明顯差別，都是從巖土體坡角延伸到坡肩，從坡面延伸到坡內，呈現遞進位移的態勢。由于坡體應力集中現象發生在坡角，在坡角位置發生的位移較大。但填料不同，坡面水平位移大小的差異很大。隨著水泥標號的遞增，邊坡位移抑制效果越好，但改善效果呈漸進的走勢（見表1）。

4.2 不同填料對邊坡剪應力變化的影響

剪應力失衡是導致邊坡失穩的重要原因。當邊坡局部的剪應力大于抗剪能力時，會造成局部邊坡形成剪切面，導致邊坡失穩。通過試驗證實，在保持同等摻入量的條件下，采用不同標號的水泥對邊坡剪應力有較大的影響。在沒有摻入水泥的條件下，形成的剪切面幾乎貫穿到坡頂，隨著水泥標號的不斷遞增，邊坡剪切力逐步遞減，形成的剪切面范圍不斷縮小[5]。

4.3 不同填料對塑性區變化的影響

邊坡巖土層內塑性區的出現和擴張是邊坡失穩的重要原因。在不同的填料下，塑性區的分布規律大致相同，都是從坡角擴張到坡頂。但填料不同，塑性區的擴張高度和寬度不同。隨著水泥標號的遞增，塑性區呈現逐步縮小的態勢，比如使用10%水泥改良土，塑性區變化的范圍很小，只發生在坡角處（見表2）。

表2 不同填料下邊坡穩定系數和分布特征

5 結語

高填方邊坡失穩造成的危害大，通過技術改良來有效避免邊坡失穩現象的發生，對于工程實施至關重要。本文在對水泥改良土和影響高填方邊坡失穩因素和表現形式進行探討的基礎上，通過試驗數據分析，對不同填料下高填方邊坡的穩定性進行了量化分析。