水泥改良土加固填筑邊坡效果數(shù)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(qū)變化規(guī)律，并對不同坡率時的水泥土回填加固效果進行了分析。結(jié)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(shù)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(qū)體積減小，且隨著水泥摻比的增大，塑性區(qū)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(shù)值模擬

U418.5+2A220744

0 引言

填挖方工程產(chǎn)生的棄土堆放是工程中經(jīng)常遇到的問題，由于原有土質(zhì)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(wěn)定性的需要。近年來，國內(nèi)有關(guān)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(xiàn)場試驗實測，利用有限元差分軟件對現(xiàn)場斜向微型樁試驗進行數(shù)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(jié)合南京地鐵10號線過江隧道盾構(gòu)始發(fā)工程，對始發(fā)端頭典型的兩種土質(zhì)進行了水泥改良前后土體熱物理參數(shù)的室內(nèi)試驗，最后給出了數(shù)值分析時端頭土體熱物理參數(shù)的建議取值并經(jīng)現(xiàn)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(gòu)出洞水平凍結(jié)加固工程為研究對象，采用三維數(shù)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(shù)、覆土厚度、凍土壁尺寸對融沉位移場的影響規(guī)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(qū)變化規(guī)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(shè)計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某地區(qū)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(shè)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(wěn)定狀態(tài)，本文采用數(shù)值軟件進行模擬分析。

2 數(shù)值建模

利用有限元軟件Midas/GTS建模得到的數(shù)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(shù)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(gòu)模型，將模型土體從上至下分為5個部分，分別為細砂、粉質(zhì)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(shù)，表2為將邊坡土體作相關(guān)處理之后的回填土參數(shù)。

3 數(shù)值結(jié)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(wěn)定特性與邊坡填土的自身特性有關(guān)。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(fā)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(wěn)定性至關(guān)重要。圖3所示為不同回填土類別時的邊坡坡面位移監(jiān)測曲線，其中在坡面上設(shè)置了11個監(jiān)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(shù)是反映邊坡穩(wěn)定特性的最直接的參數(shù)。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(shù)。由圖4可知，當采用素土回填時，邊坡的安全系數(shù)為1.04，此時邊坡處于欠穩(wěn)定性狀態(tài)，外界條件的改變可能會導致發(fā)生失穩(wěn)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(shù)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(qū)分析

塑性區(qū)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(tài)。如圖5所示，給出了不同回填土類別時的邊坡塑性區(qū)。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(tài)，穩(wěn)定性狀態(tài)較差;當采用水泥土回填時，塑性區(qū)體積減小。且隨著水泥摻比的增大，塑性區(qū)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(qū)。

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(shù)。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(jié)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(qū)變化規(guī)律，并對不同坡率時的水泥土回填加固效果進行了分析，結(jié)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(shù)為1.04，此時邊坡處于欠穩(wěn)定性狀態(tài)。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(shù)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(wěn)定性狀態(tài)較差;當采用水泥土回填時，塑性區(qū)體積減小，且隨著水泥摻比的增大，塑性區(qū)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。

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