水泥改良土加固填筑邊坡效果數值分析

作者簡介：李家棟（1987—），工程師，研究方向：土木工程。

文章以某邊坡填筑為例，采用Midas/GTS軟件進行建模分析，重點分析了采用素土回填、5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填時的邊坡水平位移、塑性區變化規律，并對不同坡率時的水泥土回填加固效果進行了分析。結果表明：采用一定摻比的水泥土回填可有效地減小邊坡水平位移，但加固效果不會隨水泥摻比的增大而成倍增加;采用5%、7%和9%水泥土回填改良原有填筑邊坡時，使得邊坡安全系數分別達到1.24、1.37和1.52，說明水泥土回填起到了良好的加固效果;當采用水泥土回填時，塑性區體積減小，且隨著水泥摻比的增大，塑性區范圍逐漸減小;不同坡率下，采用水泥土回填加固邊坡均能起到較好的效果。

填筑邊坡;填筑;水泥改良土;加固效果;數值模擬

U418.5+2A220744

0 引言

填挖方工程產生的棄土堆放是工程中經常遇到的問題，由于原有土質物理特性較差，需要采用一定的方法改變土體特性，使得填筑的土體滿足邊坡穩定性的需要。近年來，國內有關學者針對這一問題作了如下研究：李章珍、左威等[1-2]以某工段微型樁現場試驗實測，利用有限元差分軟件對現場斜向微型樁試驗進行數值模擬，詳細介紹了有限元分析計算過程，分析了其在路堤邊坡加固應用中的工作性能;胡俊、宋修廣等[3-4]結合南京地鐵10號線過江隧道盾構始發工程，對始發端頭典型的兩種土質進行了水泥改良前后土體熱物理參數的室內試驗，最后給出了數值分析時端頭土體熱物理參數的建議取值并經現場驗證取值正確可行;王效賓、陳剛等[5-6]以南京地鐵10號線盾構出洞水平凍結加固工程為研究對象，采用三維數值模擬方法對水泥改良土融沉引起的地層位移進行了分析，采用單因素分析法分析了融沉系數、覆土厚度、凍土壁尺寸對融沉位移場的影響規律。本文以某邊坡填筑為例，采用Midas/GTS軟件進行建模分析，重點分析了采用素土回填、5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填時的邊坡水平位移、塑性區變化規律，并對不同坡率時的水泥土回填加固效果分析進行了分析，以期為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某地區地勢起伏較大，鄰近工程挖方土體擬堆放在此處，由于原回填土工程特性較差，需要進行一定的處理。設計填方高度約為40 m，坡率為1∶1.25。為了研究不同水泥摻比下土體的穩定狀態，本文采用數值軟件進行模擬分析。

2 數值建模

利用有限元軟件Midas/GTS建模得到的數值模型如圖1所示，模型長度為200 m（X方向）、寬度取10 m（Y方向）、高度為80 m（Z方向）。模型單元格總數量為6 734個，并將模型的水平方向以及模型底部進行位移鎖定和控制邊界。本文采用摩爾-庫倫作為本構模型，將模型土體從上至下分為5個部分，分別為細砂、粉質黏土、中砂、粉土、填土五種，厚度依次為40 m、8 m、10 m、4 m和18 m。坡率取1∶1.25，邊坡高度為40 m，坡底平臺長度為60 m，坡頂平臺長度為100 m。表1為土體的物理力學參數，表2為將邊坡土體作相關處理之后的回填土參數。

3 數值結果分析

3.1 不同回填土填料下的邊坡水平位移分析

填筑邊坡的穩定特性與邊坡填土的自身特性有關。圖2所示為不同類別水泥土回填時的邊坡水平位移圖，圖中考慮了素土回填、5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填四種類型。由圖2可知，4種工況下最大邊坡水平位移均發生在坡腳附近，當采用素填土回填時，最大水平位移值為0.55 m，且邊坡整體水平位移較大。當采用5%、7%和9%的水泥土回填時，最大水平位移值分別為0.27 m、0.19 m和0.15 m。從填筑邊坡的水平位移方面來說，采用水泥土回填可以明顯地減小邊坡的變形，并且水泥摻比越大，邊坡變形程度越小。

坡面的位移對于判斷填筑邊坡的穩定性至關重要。圖3所示為不同回填土類別時的邊坡坡面位移監測曲線，其中在坡面上設置了11個監測點，以邊坡坡面距離模型的左邊界水平距離為橫軸，橫軸60 m處即對應坡腳點。由圖3可知，在水平距離坡腳5 m附近處水平位移最大，越沿坡面往上水平位移越小。相對于素土回填，采用5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填時，邊坡最大水平位移分別減小了50.9%、67.3%和76.4%。故采用一定摻比的水泥土回填可有效地減小邊坡水平位移，但加固效果不會隨水泥摻比的增大而成倍增加。

3.2 水泥回填土加固的邊坡效果分析

邊坡的安全系數是反映邊坡穩定特性的最直接的參數。如圖4所示，給出了坡率為1∶1.25時的不同回填土類別時的邊坡安全系數。由圖4可知，當采用素土回填時，邊坡的安全系數為1.04，此時邊坡處于欠穩定性狀態，外界條件的改變可能會導致發生失穩破壞等情況。當采用5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填改良原有填筑邊坡時，使得邊坡安全系數分別達到1.24、1.37和1.52，分別相對于素土回填時增大了19.2%、31.7%和46.2%，說明水泥土回填起到了良好的加固效果。

3.3 不同回填土填料下的邊坡塑性區分析

塑性區大小是反映邊坡安全與否的又一重要指標，它可以反映土體所處的安全狀態。如圖5所示，給出了不同回填土類別時的邊坡塑性區。由圖5可知，當采用素土回填時，邊坡坡面上的大部分土體都處于塑性破壞狀態，穩定性狀態較差;當采用水泥土回填時，塑性區體積減小。且隨著水泥摻比的增大，塑性區范圍逐漸減小。由圖5（d）可以看出，當采用9%水泥土回填時，邊坡僅坡腳處存在小范圍的塑性區。

3.4 不同坡率時的水泥土回填加固效果分析

為了討論水泥土回填對不同坡率邊坡的加固效果，如圖6所示，分別給出坡率為1∶1、1∶1.25和1∶1.5三種不同坡率下的邊坡安全系數。由圖6可知，不同坡率下，采用水泥土回填加固邊坡均能起到較好的效果。

4 結語

本文以某邊坡填筑為例，采用Midas/GTS軟件進行建模分析，重點分析了采用素土回填、5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填時的邊坡水平位移、塑性區變化規律，并對不同坡率時的水泥土回填加固效果進行了分析，結論如下：

（1）相對于素土回填，采用5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填時邊坡最大水平位移分別減小了50.9%、67.3%和76.4%。采用一定摻比的水泥土回填可有效地減小邊坡水平位移，但加固效果不會隨水泥摻比的增大而成倍增加。

（2）采用素土回填時，邊坡的安全系數為1.04，此時邊坡處于欠穩定性狀態。當采用5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填改良原有填筑邊坡時，使得邊坡安全系數分別達到1.24、1.37和1.52，分別相對于素土回填時增大了19.2%、31.7%和46.2%，說明水泥土回填起到了良好的加固效果。

（3）當采用素土回填時，邊坡穩定性狀態較差;當采用水泥土回填時，塑性區體積減小，且隨著水泥摻比的增大，塑性區范圍逐漸減小。

（4）不同坡率下，采用水泥土回填加固邊坡均能起到較好的效果。

[1]李章珍，趙國棟，董 捷，等.微型樁加固路堤邊坡數值分析[J].科技資訊，2017，15（6）：97-99.

[2]左 威，吳 剛，涂文靖.軟土路堤土工柵格加固處理數值分析[J].蘭州大學學報（自然科學版），2010，46（s1）：159-161.

[3]胡 俊，唐益群，張皖湘.水泥改良前后土體熱物理參數試驗研究[J].地下空間與工程學報，2016（12）：1 204.

[4]宋修廣，周志東，楊 陽，等.強夯法加固無黏性土路基的現場試驗與數值分析[J].公路交通科技，2014，31（3）：1-6，37.

[5]王效賓，楊 平，胡 俊.水泥改良土融沉對地層位移場影響的數值分析[J].南京林業大學學報（自然科學版），2017，41（2）：136-142.

[6]陳 剛.公路路基開挖邊坡的預加固措施數值分析[J].華東公路，2018，234（6）：96-98.