改良土換填法與石灰樁法加固膨脹土邊坡比較

王學廣 李震 康楠 郭子騰

摘要：為選擇合適的膨脹土邊坡加固方法，針對改良土換填法與石灰樁法加固膨脹土邊坡的效果開展室內試驗，并以南京某膨脹土邊坡為例，采用FLAC軟件建立邊坡模型，對加固前后的邊坡穩(wěn)定性進行了分析。結果表明：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)定系數與樁體強度和置換率成良好的線性關系，推導建立的加固邊坡安全系數公式的計算值和程序求解值吻合較好。綜合考慮各種影響因素，對兩種邊坡加固方法進行了比較，認為石灰樁法加固膨脹土邊坡具有工序簡單、工期短、對原生環(huán)境影響小的優(yōu)點。

關鍵詞：膨脹土;改良土換填;石灰樁;FLAC;邊坡穩(wěn)定性

中圖分類號：TV223

文獻標志碼：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象和最主要的工程地質問題之一。淺層膨脹土裂隙特別發(fā)育，土質干濕效應明顯，吸水時土體膨脹、軟化、強度下降，失水后土體收縮并隨之產生裂隙，在反復的干濕作用下，膨脹土裂隙愈發(fā)發(fā)育，土體強度大幅下降。目前，處理膨脹土的方法有換填法、濕度控制法、樁基礎和化學改良法[2]。石灰來源廣泛、價格低廉，試驗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，對南京某膨脹土邊坡的加固效果進行比較，為選取合適的邊坡加固方法提供參考。

1 機理

（1）石灰改良換填法機理[2]。石灰改良膨脹土通過陽離子交換、絮凝或團聚、碳化、膠結作用改善土體結構，從而使土體強度大幅度提高。

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

2 室內試驗

2.1 試驗步驟

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，根據擊實試驗得到最大干密度和最優(yōu)含水率，按壓實度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，養(yǎng)護7、14、28 d后抽氣飽和（養(yǎng)護14 d的照片見圖1）;最后，進行直剪試驗，測其飽和直剪強度指標。

2. 2試驗結果

養(yǎng)護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度指標見表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)河開挖段的典型地質剖面進行分析，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為強風化作用下的膨脹土層，強度指標采用8次干濕循環(huán)穩(wěn)定后的飽和快剪強度參數;土層③為不受大氣影響的未風化層，強度指標采用未經干濕作用的飽和快剪強度參數：土層②為弱風化層，采用土層①③強度參數的均值。各土層力學參數見表2。

采用FLAC軟件內置的邊坡穩(wěn)定性求解模塊[4-5]進行分析，計算加固前的邊坡穩(wěn)定系數F_s，結果見表3。研究區(qū)堤防工程的等級為2級，《堤防工程設計規(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輸出的最大剪應變速率（SSR）等值線見圖3.可以看出邊坡發(fā)生失穩(wěn)的危險滑動面大體位于強風化層和弱風化層的交界面上，滑面深度為1-2 m.滑坡具有淺層性的特點。

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%的改良土的強度指標分析加固后的邊坡穩(wěn)定性，結果顯示，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)定系數是一樣的。但是，摻量相同而換填深度和坡比不同時，加固后的邊坡穩(wěn)定系數差別較大，見圖4。由圖4可以看出，換填深度小于1 m時，邊坡穩(wěn)定系數受換填深度的影響不大：當換填深度介于1 m與3m之間時，邊坡穩(wěn)定系數隨換填深度的增加迅速增大，且很快達到規(guī)范要求值1.25，坡度越緩邊坡穩(wěn)定系數增速越快、增幅越大;當換填深度超過3m之后，邊坡穩(wěn)定系數增長趨緩。坡頂位移與換填深度的關系見圖5，可以看出，隨換填深度增大，當換填深度小于1 m時坡頂位移迅速衰減，衰減至7.5 cm左右后關系曲線出現第一個平臺，平臺寬度對應的換填深度為1.0 - 1.5 m;當換填深度大于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FLAC輸出的不同換填深度的SSR圖像（見圖6）分析上述結果產生的原因。換填深度^換≤Im時，危險滑面（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，滑面土質主要為未經改良的強風化土層;當1 m

當改良土強度較大并超出未改良土層的強度時，危險滑面主要位于未改良土層，因此邊坡穩(wěn)定系數隨改良土層強度的繼續(xù)增長幾乎不變，但隨著換填深度的加大，危險滑面繞開換填層向更深處移動，滑面的土質經過強、弱風化層到未風化層，邊坡穩(wěn)定系數隨著土質變好而提高，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，即將強弱風化層完全換填為改良土，此時邊坡穩(wěn)定系數大于2，坡頂位移為1 cm左右。當石灰摻量不小于3%時邊坡穩(wěn)定性不受石灰摻量改變的影響，據此判定石灰摻量為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].此時的復合地基置換率m計算公式為

m= 0.906 9 d³/L³2（1）式中：d為樁孔直徑，由當地施工條件決定，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。

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

石灰樁的抗剪強度隨抗壓強度的提高而提高，一般為無側限抗壓強度的20% - 30%，其內摩擦角變化范圍為20°～ 30°.石灰樁樁體強度設計值常取350 -500 kPa。本研究中，石灰樁的黏聚力取無側限抗壓強度的20%，內摩擦角取20°，重度取13 kN/m³，石灰樁樁長按穿過強弱風化層考慮取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.再取常見的樁距樁徑比值和石灰樁樁體強度，進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的置換率，石灰樁樁體強度則反映了生石灰及其施工的質量。當樁孔中心距是樁孔直徑的2.5倍時，m=14.5%;樁孔中心距是樁孔直徑的3倍時，m=10.1%;樁孔中心距是樁孔直徑的3.5倍時，m=7.4%。膨脹后置換率等于相應值乘以膨脹率1.05。

不同置換率和樁體強度加固后的土層強度及相應的邊坡穩(wěn)定系數見表4，加固后的危險滑面位置如圖7所示，滑面深度為1-2 m。根據表4繪制加固后的邊坡穩(wěn)定系數與樁體強度和置換率之間的關系曲線，見圖8、圖9，可以看出，加固后的邊坡穩(wěn)定系數與樁體強度和置換率成良好的線性關系。

基于加固后的邊坡穩(wěn)定系數與樁體強度和置換率成良好的線性關系，試推導加固后邊坡穩(wěn)定系數的理論計算公式。依據極限平衡法[8]求解邊坡穩(wěn)定系數的相關理論，推導如下：

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

3.4 加固方法比較

（1）石灰用量。改良土換填法加固邊坡時，石灰摻量為3%、換填深度為3m時穩(wěn)定系數遠大于規(guī)范規(guī)定值。石灰樁法加固時，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，如采用場拌法，需用推土機將在料場晾曬一段時間的土推至灰土攪拌場，與石灰拌和燜料一周，燜料期間至少翻拌一次，再將改良土運至施工現場，填土碾壓，施工時需要大型攪拌機械、兩次運輸，費用較高;如采用路拌法，需要將膨脹土挖出堆放、自然瀝水，再將土料運卸在施工地段，攤平、碾壓，撒布機攤鋪石灰，再采用大功率的攪拌機拌和，最后由壓路機靜壓壓實。石灰樁法施工時，分為無管成樁和有管成樁兩大類，無管成樁利用人工或機械在土中成孔以后，分段填料、分段夯實，最后封頂而成：有管成樁是用各類打樁機在土中沉入鋼管，往管內填料，然后用心管壓實或在施工時振動、壓縮空氣等作用的同時，拔管形成樁身，再用盲板封管將樁頂段反壓密實，封頂成樁。與改良土換填法相比，石灰樁法施工工序簡單、效率較高。

（3）環(huán)境影響程度。改良土換填加固時，需要將換填部分的膨脹土挖出，將未風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力的作用下，發(fā)育形成減荷裂隙和風化裂隙，強度發(fā)生明顯的衰減。根據前述分析，當上層改良土回填后，危險滑面位于改良土以下的未處理土層，開挖期間形成的減荷和風化裂隙的存在顯然對滑面的安全是不利的。而石灰樁法加固邊坡時產生的擠密作用，會使風化層原有的裂隙愈合，并抑制土體的脹縮變形，從而限制裂隙的開展，因此對邊坡環(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，具有工序簡單、節(jié)省工期、對邊坡原生環(huán)境影響小的優(yōu)點。4結論

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

（2）由于改良土強度較高，危險滑面主要位于未改良土層，因此邊坡穩(wěn)定系數隨改良土層強度的繼續(xù)提高幾乎不變，但隨著換填深度的增加，危險滑面繞開換填層向更深處移動，滑面的土質經過強、弱風化層到未風化層，隨著土質的變好從而引起危險滑面穩(wěn)定系數的增大，坡頂位移隨之減小。

（3）石灰樁法加固邊坡時，滑面深度為1-2 m，加固后的邊坡穩(wěn)定系數與樁體強度和置換率成良好的線性關系。依據極限平衡法推導的石灰樁加固后膨脹土邊坡穩(wěn)定系數計算公式計算值與程序求解值吻合較好，對于工程實踐中選取合適的置換率和樁體設計強度具有一定的參考價值。

（4）在南京地區(qū)膨脹土邊坡的加固中，改良土換填加固時建議換填深度取3m.石灰摻量取3%：石灰樁加固時，邊坡坡比為1/2.0時建議置換率取10.1%，邊坡坡比為1/2.5、1/3.0時建議置換率取7.4%，樁長穿透風化層（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，具有工序簡單、節(jié)省工期、對邊坡原生環(huán)境影響小的優(yōu)點。

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【責任編輯張智民】