水泥土抗滑墻加固軟土地基邊坡的試驗研究

魏 越，李守德，杜春梅，薛世恩

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098；2.河海大學 江蘇省巖土工程技術研究中心， 江蘇 南京 210098； 3.南京曉莊學院, 江蘇 南京 210017)

水泥土抗滑墻加固軟土地基邊坡的試驗研究

魏 越1,2，李守德1,2，杜春梅3，薛世恩1,2

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098；2.河海大學 江蘇省巖土工程技術研究中心， 江蘇 南京 210098； 3.南京曉莊學院, 江蘇 南京 210017)

為了深入探索加固機理，建立了可靠的平面應變概化模型及其量測系統(tǒng)，進行加載破壞模型試驗。試驗表明，水泥土抗滑墻加固軟土地基邊坡，抗滑墻與軟硬土層相互作用，加固效果明顯。隨著推力荷載的增大，抗滑墻分擔了較大的水平推力并有效地傳遞至了硬土層，且分擔比隨荷載增大而增大。土壓力隨深度的變化呈“倒S”形，隨著荷載的增加，土壓力先減小后增大再減小，軟硬土層交界面土層的土壓力最小。軟土層中，土壓力隨荷載變化較大，硬土層中隨荷載變化較小。

水泥土抗滑墻；軟土地基邊坡；模型試驗；加固機理

江河堤壩海岸工程[1-2]、港口航道邊坡整治[3-4]以及各類道路邊坡[5-6]加固工程中常需要對軟土地基邊坡進行加固處理。水泥土攪拌樁復合地基在各類軟基邊坡的加固工程中廣泛應用[7-8]，但是攪拌樁在軟土層中受水平推力作用時存在彎折效應并且其在施工過程中容易形成劣質(zhì)層，從而使土體喪失水平抗力，導致其加固效果差、可靠性不高。水泥土抗滑墻是近年出現(xiàn)的用于基坑和邊坡加固的支擋結(jié)構，由沿滑動方向平行布置的水泥土攪拌墻通過墻間土體的土拱效應[9]與土體和抗滑墻共同作用起到抵抗滑坡推力的作用。

本文通過模型試驗對水泥土抗滑墻的破壞形式和抗滑機理進行研究，利用平面應變概化模型試驗裝置[10]，開展水泥土抗滑墻加固軟土地基邊坡的模型試驗，研究水泥土抗滑墻加固軟土地基邊坡在加荷情況下的變形、破壞演變過程，分析水泥土抗滑墻的工作機制及其受力的關鍵部位及傳力機制。

1 試驗裝置

平面應變概化模型裝置是由試驗框架、模型槽、加壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。模型槽側(cè)壁采用軸承式滾輪可最大限度消減側(cè)壁摩擦力[11]。試驗采用了模型液壓水箱加載系統(tǒng)。在塑料防水膜的包裹下，水壓可以均勻施加到土體上，通過反壓及體變測量控制儀調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對上部進行高達上百千帕的加載，使試驗模擬的條件更貼近工程實際。

本文模型試驗屬于靜力模型試驗，加載示意圖見圖1，其主要目的在于揭示水泥土抗滑墻加固軟土地基邊坡的作用機理，因此水泥土抗滑墻加固結(jié)構與軟土、硬土的相互作用及由此引起的加固結(jié)構和土體的受力、變形、破壞規(guī)律是研究的重點，試驗中需要模擬這一類型工程中的應力狀態(tài)和強度破壞[12-13]。本次模型試驗將采用同原型相類似的材料，密度、應力相似比[14]均為1，主要參數(shù)見表1。

圖1 加載示意圖

表1 材料的主要力學參數(shù)

考慮幾何相似比為1∶20，整個土體模型的尺寸為：116 cm×60 cm×80 cm(長×寬×高)，其中軟土層高度為40 cm，硬土層高度為40 cm，水泥土墻厚度取3.5 cm，滑墻長度取45 cm，高度35 cm，深度為10 cm。

本文試驗中不考慮原型中堤身土體的性質(zhì)、坡體填高、滑裂面形式等因素，僅考察水泥土連拱抗滑墻的水平抗滑力，即直接施加水平荷載來模擬軟土地基邊坡坡頂有超載時水泥土抗滑墻的加固效果。試驗布置方案如圖2所示。

圖2試驗布置方案圖(單位：cm)

2 試驗步驟

2.1 預制水泥土抗滑墻

由于本文的模型試驗周期較長，為縮短試驗周期，本文采用預制水泥土墻進行試驗，脫模后對其表面進行拉毛處理，在濕土中養(yǎng)護28 d。

2.2 填土植墻

當硬土層填筑至30 cm時，將預制好的水泥土抗滑墻放入模型槽中設計好的位置，繼續(xù)填硬土層至設計標高。軟土層的填土過程與硬土層相同，軟土填至設計標高后蓋上保鮮膜，防止水分蒸發(fā)。在進行試驗填土的同時，需對土壓力盒進行埋置，其埋置位置距離抗滑墻5 cm。將模型液壓水箱塑料膜一側(cè)向下放入模型槽內(nèi)，將圍壓儀與液壓水箱連接，向液壓水箱進行注水，直至圍壓儀顯示壓力為30 kPa。

2.3 千斤頂加載

將千斤頂放入上部檔箱內(nèi)，固定好千斤頂位置，使一端與測力計接觸，另一端與框架橫桿接觸，千斤頂推橫桿，反力施加到上層檔箱，試驗第一級加載1.2 kN，加載增量1.2 kN。當圍壓儀顯示壓力為30 kPa時，開始第一級加載，每級加載穩(wěn)定10 min再讀數(shù)。

3 試驗結(jié)果分析

加載過程中，外側(cè)上層檔箱在千斤頂?shù)捻斖葡聦⑼馏w向內(nèi)推動，位移計讀數(shù)隨著加載的增大不斷增大，壓力傳感器讀數(shù)也隨之增大。當加載至前側(cè)上層檔箱上的測力計讀數(shù)保持不變并有減弱趨勢時，停止加載。隨后將液壓水箱的水通過進水孔和排氣孔排出，取出液壓水箱，觀察模型槽內(nèi)土體狀態(tài)和墻的位移及破壞情況，取出液壓水箱后的情況如圖3所示。抗滑墻前端土體有明顯隆起，高度約為1.5 cm，這是因為推力荷載下，抗滑墻和土體產(chǎn)生相對位移，抗滑墻前端土體的位移相對抗滑墻位移較大，便產(chǎn)生了正土拱?？够瑝εc土拱的存在共同抵抗水平推力，土體在無法向后位移時產(chǎn)生了向上的位移，因此在抗滑墻前端存在土體隆起。

圖3模型試驗結(jié)果現(xiàn)場圖

模型試驗的水平力的極限荷載約為70 kPa，抗滑墻前端頂部有明顯破碎，后端底部也有同樣情況，且距離墻底部約10 cm附近出現(xiàn)了橫向裂紋，墻中間有少許縱向裂紋，這是由于墻間距較小，墻間有效應力拱較大，墻承擔了大部分的推力，墻身受到很大的剪力而產(chǎn)生剪切破壞，墻前端頂部被壓壞。

3.1 軟硬土層水平推力分擔比研究

試驗中，千斤頂所施加的推力荷載及軟硬土層分擔的水平力在加載過程中隨時間的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著推力荷載的增大，軟硬土層分擔的水平推力不斷增大，且硬土層的增加速度大于軟土層，當千斤頂施加的水平力達到某級荷載后難以繼續(xù)加荷，可以判定此時已達到極限荷載。最初幾級荷載作用下，軟土層分擔的水平推力大于硬土層，且隨著加載的增大，二者的差值越來越小，隨后硬土層分擔的推力超過軟土層。極限荷載后繼續(xù)加水平推力施加不上，因此推力減小，同時土層分擔的力也產(chǎn)生了變化，軟硬土層分擔的力都略減小。

第一級荷載作用下，軟硬土層分擔的水平推力如圖5。由圖5可知，軟土層的水平推力剛開始較大，而后慢慢減小，硬土層則是剛施加時較小，而后慢慢變大。原因是千斤頂?shù)乃酵屏ν频氖巧喜寇浲翆?，所以軟土層的水平推力剛開始較大，然后通過抗滑墻慢慢傳遞到硬土層，軟土層分擔的水平推力有減小趨勢，而硬土層分擔的力則變大。其他各級荷載作用下，軟硬土層分擔的水平推力也有同樣的變化趨勢，且隨著荷載的不斷增大，硬土層所分擔的力也越來越大，說明水泥土抗滑墻能有效地將水平力傳遞至硬土層。而軟硬土層分擔的力比施加的水平荷載略小，原因是模型槽側(cè)面和地面存在較小的滾動摩擦，由于摩擦力較小，對試驗結(jié)果影響很小。同時也證明本文模型槽的設計達到了消除摩擦力的目的。

圖4 軟硬土層中水平推力隨時間的變化曲線

圖5第一級荷載作用下軟硬土層中水平推力隨時間的變化

將各級荷載作用下軟硬土層平均水平應力及分擔比整理如表2所示。

表2 各級荷載下軟硬土層平均水平應力及分擔比

3.2 土壓力分析

根據(jù)土壓力對土拱效應進行分析是模型試驗的一個重要目的。通過土壓力盒所測數(shù)據(jù)，對應實際壓力與所測壓力的關系曲線，得到測點的壓力值。本小節(jié)將從加載與土壓力的關系曲線及土層深度與土壓力的關系曲線對土拱的形成及破壞進行分析。

模型試驗土壓力盒位置如圖6所示。土壓力盒布置在抗滑墻前5 cm處。模型試驗土體高80 cm，設軟土層頂部標高為0 cm，土壓力盒布置的深度依次為15 cm、25 cm、40 cm、50 cm、60 cm。

圖6試驗土壓力盒位置示意圖

加載與土壓力的關系曲線如圖7。隨著荷載的增大，上面1、2、3三排的土壓力隨之增大，而下面4、5兩排的土壓力隨著荷載的增大呈先增大后減小的趨勢。上面兩排土壓力盒位于軟土層，在剛加載時，土壓力增大速度較快，之后隨著荷載的增加，土壓力幾乎為線性增加，表明了抗滑墻承受的水平推力在不斷增加。剛開始加載時，土能承受較大的壓力，故抗滑墻幾乎未發(fā)揮太大作用，各處土壓力幾乎相等，而隨著荷載的增大，軟土層迅速將土壓力傳遞到抗滑墻。對于A列和B列前的土壓力盒，由于土壓力盒距離抗滑墻較近，可近似認為土壓力盒所測得的壓力近似為抗滑墻承擔的力，因此隨著推力荷載的增大，土壓力盒讀數(shù)不斷增大；而下部兩排土壓力盒位于抗滑墻前，所受土壓力較小，說明抗滑墻將力傳遞到了硬土層并向后傳遞，前端受力較小。

土層深度與土壓力的關系見圖8。由圖8可知，各級荷載作用下，土壓力隨深度的變化趨勢一致，均呈“倒S”形。前三級荷載下，相同荷載時土壓力在軟土層中隨深度幾乎不發(fā)生變化，在硬土層中土壓力也較接近；在加載至40 kPa時，隨著深度的增加，土壓力呈先增大后減小再增大的趨勢，土層深度50 cm時土壓力最小。這是因為，在荷載較大時，邊坡土體產(chǎn)生不均勻位移，引起土體內(nèi)部應力重新分布，形成“土拱效應”。分析土層深度25 cm處土壓力，該處存在產(chǎn)生土拱效應的三個條件即：(1) 有能承擔豎向和水平兩方向推力的固定拱腳；(2) 要有形成足夠強度材料的拱圈；(3) 拱上作用有土壓力。

圖7土壓力與加載的關系曲線

由圖8可知，加載越大軟土層中土壓力越大，而硬土層中呈現(xiàn)相反規(guī)律，其軟硬土層交界面處土壓力值接近。這是因為隨著水平推力的增大，軟土層和抗滑墻承受的荷載都在增大，故軟土層中土壓力隨著荷載的增大而增大，但是由于土壓力盒位置在抗滑墻前5 cm處，在硬土層中，抗滑墻將其受到的力傳遞至硬土層并向后傳遞，故前方的土體土壓力較小。

圖8(a)和圖8(b)變化趨勢相同且數(shù)值接近，這是由于試驗中A墻和B墻的對稱性造成的。而圖8(c)中在相同荷載下同一位置土壓力值小于圖8(a)和圖8(b)的值，即墻間土體分擔的推力小于抗滑墻分擔的力，說明抗滑墻分擔了較大的推力。圖8(c)為兩道抗滑墻中間的土體土壓力，由圖可以發(fā)現(xiàn)，在加載至極限荷載附近時，墻間土體土壓力迅速增大，說明此時土拱所承受的力已達到極限狀態(tài)，當加下一級荷載時，立刻破壞。

圖8土壓力與土層深度的關系曲線

4 結(jié) 論

模型試驗作為一種直觀、有效的方法，有助于揭示水泥土抗滑墻的加固機理和破壞特征，并可以與數(shù)值計算方法進行比較研究[15]。本文得到如下結(jié)論:

(1) 水泥土抗滑墻加固軟土地基邊坡模型試驗中，水泥土抗滑墻與軟硬土層相互作用，加固效果明顯。試驗中外荷產(chǎn)生的水平推力沿水平方向傳遞至抗滑墻，抗滑墻由于嵌固在硬土層中，可將其受到的荷載通過墻身和墻底傳遞到外側(cè)土體和下部硬土層中，因而抗滑墻中水平方向的推力和剪力較大。

(2) 隨著推力荷載的增大，硬土層分擔的力明顯大于軟土層，而硬土層分擔的力幾乎都是由抗滑墻傳遞的，可認為抗滑墻分擔的力近似等于硬土層分擔的力，說明抗滑墻分擔了較大的水平推力并有效地傳遞至了硬土層。

(3) 軟土層與硬土層分擔水平推力之比定義為水平推力分擔比，荷載越大，分擔比越大。

(4) 土壓力隨深度的變化呈“倒S”形，隨著深度增加，土壓力先減小后增大再減小，軟硬土層交界面土層的土壓力最小。軟土層中，土壓力隨荷載變化較大，硬土層中隨荷載變化較小。原因是隨著荷載的增大，軟土層將土壓力傳遞到抗滑墻，抗滑墻將土傳遞至硬土層，并向后側(cè)傳遞，硬土層中的土壓力盒由于位于抗滑墻前端，故土壓力較小。

[1] 蔣志堅,平 揚,周治剛.茅洲河河口軟土堤岸滑坡分析[J].工程勘察,2013，41(2):18-22.

[2] 劉小高,黃立夫,譚 博,等.市政道路施工海相深厚軟土組合型地基處理技術[J].水利與建筑工程學報,2014,12(6):78-82.

[3] 孫 慧,劉 軍,胡 波,等.水泥改性膨脹土防護邊坡效果分析[J].長江科學院院報,2017,34(5):53-57.

[4] 吳淑雄,馮海防.海岸工程邊坡穩(wěn)定計算及抗力分項系數(shù)研究[J].中國水運,2016,16(5):260-261.

[5] 尹小濤,馮振洋,嚴 飛,等.基于靜力模型試驗的華麗高速公路金沙江橋華坪岸順層邊坡安全性評估[J].巖石力學與工程學報,2017,36(5):1215-1226.

[6] 周小文,陳凌偉,程展林,等.軟基路堤施工穩(wěn)定性控制標準研究[J].巖土力學,2016,37(9):2631-2635.

[7] 程順利,華衛(wèi)君.水泥土攪拌樁處理沿海軟土地基的試驗研究[J].紹興文理學院學報,2017,37(7):1-7.

[8] 張信貴,許勝才,陸海麗,等.水泥土樁加固航道邊坡穩(wěn)定性分析[J].廣西大學學報(自然科學版),2016,41(4):1067-1073.

[9] 梁 音,李守德.平行抗滑墻間土拱效應機理研究[J].公路工程,2013,38(4):222-226.

[10] 李守德,柯倩雯,王 恒,等.水泥土攪拌樁連拱抗滑墻加固軟土地基邊坡模型試驗及數(shù)值分析[J].科學技術與工程,2014,14(35):281-285.

[11] 柯倩雯.水泥土連拱抗滑墻加固軟土地基邊坡的試驗研究及數(shù)值模擬[D].南京:河海大學,2015.

[12] 杜春梅,李守德,柯倩雯,等.水泥土連拱抗滑墻加固軟基邊坡機理研究[J].科學技術與工程,2016，16(26):257-263.

[13] 年廷凱,李東晨,徐海洋,等.雙排抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性與荷載傳遞機制分析[J].水利與建筑工程學報,2013,11(4):124-129.

[14] 王志佳,張建經(jīng),付 曉,等.模型試驗的分離相似設計方法——以錨索格構加固邊坡模型試驗為例[J].巖土力學,2016,37(9):2617-2623.

[15] 王樂華,徐義根,許曉亮,等.基于模型試驗的涉水堆積體岸坡變形-破壞模式研究[J].長江科學院院報,2017,34(5):81-85,91.

ExperimentalStudyontheSoftFoundationSlopeReinforcedbyCement-soilAnti-slidingWalls

WEI Yue1,2， LI Shoude1,2， DU Chunmei3， XUE Shien1,2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationofGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China;2.JiangsuResearchCenterforGeomechanicalEngineeringTechnology,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098,China;3.NanjingXiaozhuangUniversity,Nanjing,Jiangsu210017,China)

In order to explore the reinforcement mechanism, a reliable plane strain generalization model and its measurement system are established to carry out the loading failure model test. The test shows that the reinforcement effect of anti-sliding walls is obvious because of the interaction between the soils and walls. With the increase of thrust load, the walls share a large part of horizontal thrust and the thrust is effectively transmitted to the hard soil layer. The share ratio of hard soil layer increases with the increase of load. The change of soil pressure with the depth is “inverted S”. With the increase of depth, the soil pressure decreases first, then increases and then decreases. The soil pressure at the interface of soft and hard soil layer is the minimum. Soil pressure varies greatly with load in soft soil layer, while in hard soil layer it varies little.

cement-soilanti-slidingwall；softfoundationslope；modeltest；reinforcementmechanism

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.017

2017-05-20

2017-06-16

魏 越(1993—)，男，江蘇如皋人，碩士研究生，研究方向為邊坡加固及地基處理。E-mail：2271615384@qq.com

TU447

A

1672—1144(2017)06—0084—05