穩(wěn)定固化土重力式擋土墻承載特性研究*

文 華，楊青青，吳學宇，付文濤

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010；2.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司，四川 成都 610056)

0 引言

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，經土壤固化劑改良后的穩(wěn)定固化土在諸多領域得到應用，且取得了良好效果[1]。目前，國內外學者中樊科偉等[2]將開挖的淤泥質土裝入土工袋用于修筑重力式擋土墻，通過室內土工試驗和現場試驗對其各方面力學性能進行了測試。試驗結果表明，被支護坡體基本達到穩(wěn)定；黃小元[3]、田琪智[4]分別以粉質黏土、水泥改良土作為土工袋填充物，研究了土工格柵反包式加筋土工袋重力式擋土墻承載特性；楊長衛(wèi)等[5]對加筋重力式擋土墻抗震性能進行了研究；白洪宇等[6]對軟土地基上超高超寬素混凝土重力式擋土墻的施工過程做了詳細介紹；Colas等[7]利用現場試驗研究了干砌片石擋土墻穩(wěn)定性，研究表明，重力式片石擋土墻基本穩(wěn)定。

綜上所述，干砌片石、漿砌片石、素混凝土、加筋混凝土等重力式擋土墻在穩(wěn)定性、抗震性及設計和施工等方面的研究較豐富。但這些工程材料大部分都來自對自然資源的開采，從開采到使用均要減少長距離運輸，增加了工程建設成本。因此，為節(jié)省重力式擋土墻修筑過程中對建筑材料的使用，實現原土利用，本文依托實際科研項目，使用由西南科技大學研發(fā)的土壤穩(wěn)定固化劑和水泥對重慶潼南地區(qū)某頁巖氣鉆井平臺鉆前工程建設過程中遇到的高含水率土壤進行處理，將原土固化后用于修筑重力式擋土墻，具有較好的經濟效益和環(huán)保效益，同時也為穩(wěn)定固化土在重力式擋土墻中的工程應用提供了理論參考。

1 試驗目的與內容

設置A，B 2組模型試驗，A組模型試驗研究坡比為 1∶0.5 時，相同寬度(0.3m)下摻2%液劑+9%粉劑、2%水泥+2%液劑+9%粉劑2種固化土重力式擋土墻對邊坡的支護效果；B組模型試驗研究坡比為1∶0.5時，不同寬度(0.3，0.4，0.5m)下摻2%水泥+2%液劑+9%粉劑固化土重力式擋土墻對邊坡的支護效果。利用壓力傳感器、位移計、百分表、土壓力盒等測得不同工況下坡體破壞荷載、坡頂豎向沉降、坡面水平位移及墻后側向土壓力，通過試驗數據分析各工況下的承載特性。

2 試驗原理

模型試驗的基本理論基礎為相似定理，根據試驗條件和研究需要，模型試驗的模型與原型幾何尺寸相似比為1∶3，即幾何相似常數CL=lp/lm=3，下標p表示原型(prototype)，下標m表示模型(model)，本文以該幾何相似常數作為模型試驗的第1個基本量。由于模型試驗所用土樣均取自工程施工現場，故容重相似常數Cγ=γp/γm=1，且現場所取土樣容重為1 800N/m3，本文以該容重相似常數作為模型試驗的第2個基本量。根據以上2個基本量，利用π定理可確定模型試驗其他主要物理量的相似常數。

3 模型試驗準備工作

3.1 試驗材料

1)墻后填土

模型試驗墻后填土使用的是取自項目施工現場的低液限粉質黏土，模型試驗開展前，按照JTG 3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》[8]對其含水率、黏聚力及內摩擦角進行測定，試驗結果如表1所示。

2)穩(wěn)定固化土

模型試驗在土壤中加入由西南科技大學自主研發(fā)的土壤減水粉劑、土壤穩(wěn)定液劑和部分水泥對土壤進行改良。土壤工程性能的好壞主要與其抗水化性、顆粒級配和密實度等密切相關。

首先通過浸水試驗對單摻土壤穩(wěn)定液劑的固化土抗水化性進行驗證，然后利用擊實試驗研究土壤減水粉劑和水泥的最佳用量。在此研究基礎上，通過三軸壓縮試驗測定最佳材料用量固化土的抗壓強度、抗剪強度，并對其力學性能進行對比分析。2種穩(wěn)定固化土基本力學性質如表2所示。

表2 穩(wěn)定固化土基本力學性質

3.2 模型試驗加載系統(tǒng)

模型試驗加載系統(tǒng)由模型槽、反力架、傳力架、手動式千斤頂和數顯式壓力傳感器組成。

1)模型槽(見圖1) 所用模型槽長2.8m、寬1.14m、高1.3m。

圖1 模型槽尺寸設計示意

2)反力架(見圖2) 反力架4個角鋼高度為1.2m，長邊方向凈尺寸為3m，短邊方向凈尺寸為2m，所允許的最大凈空高度約為1.85m。

圖2 反力架結構示意

3)傳力架(見圖3) 傳力架由2塊鋼板和3根長度相同的工字鋼組成。

圖3 傳力架實物

4)千斤頂和壓力傳感器 模型試驗使用手動式千斤頂；在坡體頂部施加豎向荷載，利用數顯式壓力傳感器觀察荷載大?。徊捎弥鸺壖虞d方式，每級加載10MPa，加載時間5min，持載時間15min。

3.3 測試內容與儀器布置

1)破壞荷載 在逐級施加豎向荷載過程中，壓力傳感器示數出現明顯減小或坡體頂部豎向沉降大幅度增加時，認為坡體破壞，此時將壓力傳感器示數簡單換算得到坡體破壞時的極限荷載。

2)豎向沉降 坡體頂部豎向沉降通過2個量程為200mm的位移計測得，在每級荷載施加前后，以2個位移計讀數差的平均值作為坡頂在該級荷載下產生的豎向沉降量，位移計布置如圖4所示。

圖4 位移計布置

3)水平位移 墻面水平位移通過10個百分表測得，將10個百分表分為2組，每組5個，分別布置在墻中和墻邊距離墻底20，40，60，80，100cm高度處。在每級豎向荷載施加前后，以每個百分表讀數差作為墻面不同高度處測點在該級荷載下產生的水平位移。百分表布置如圖5所示。

圖5 百分表布置

4)側向土壓力 試驗使用10個量程為200kPa的土壓力盒測量擋土墻墻背所受側向土壓力，利用DM-YB1860型動靜態(tài)應變測試儀采集各土壓力盒應變，根據式(1)計算出各土壓力盒所測土壓力。

P=Kμε

(1)

式中：P為土壓力；με，K分別為土壓力盒應變和校正系數。

將10個土壓力盒分為2組，每組5個，分別布置在墻中和墻邊距離墻底20，40，60，80，100cm高度處，在墻后5cm。土壓力盒布置如圖6所示。

圖6 土壓力盒布置

3.4 模型試驗步驟與過程

3.4.1天然土坡試驗步驟與過程

1)模型槽預處理 修筑天然土坡前，首先將安裝好的模型槽各側面和底部清理干凈，然后用黑色記號筆在模型槽內部有機玻璃面沿高度10，30，50，70，90，110cm處畫6條標記線，為分層填土做準備。為減小模型槽兩側內壁摩擦對試驗的影響，待標記線墨水完全風干后，在其兩壁均勻涂抹少量潤滑硅脂。此外，在模型槽底部攤鋪1層10cm厚素土，目的是減小模型槽底部現澆式混凝土對試驗的影響。

2)分層填土修筑天然土坡 天然土坡設計高度為1.2m，坡頂長度和寬度分別為1，1.12m，坡比為1∶0.5，密度為1 800kg/m3，每層按20cm厚度分層壓實，共進行6次填土。根據天然土坡密度、幾何尺寸、坡比以及每層填土厚度，可大致計算出每層填土質量。然后利用量程為100kg的電子臺秤稱量每層填土所用回填土，將稱量好的疏松土樣均勻分鋪于模型槽內夯實至每層填土標記線位置，通過6次分層填土、分次夯實修筑天然土坡。

3)安裝傳力架和千斤頂 將傳力架置于修筑好的天然土坡頂面，傳力架下側鋼板距離坡頂前、后邊緣25cm，距離左、右邊緣約10cm，即傳力架位于坡頂中央。然后將壓力傳感器和手動式千斤頂依次放置在傳力架上側鋼板上，使千斤頂與反力架剛好接觸。

4)安裝百分表和位移計 根據2.3節(jié)百分表和位移計布置設計，利用磁性表座將百分表和位移計安裝在設計位置。

5)模型試驗加載 加載前，將壓力傳感器示數置0，讀取并記錄百分表和位移計初始讀數，然后采用逐級加載方式對試驗模型進行加載直到破壞，每級加載10MPa，加載時間5min，持載時間15min。每級加載結束后，均需記錄百分表和位移計示數。

3.4.2固化土擋土墻試驗步驟與過程

固化土擋土墻支護邊坡共有4種工況，分別為0.3m寬摻2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻和0.3，0.4，0.5m寬摻2%水泥+2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻。固化土擋土墻與天然土坡試驗步驟基本一致，區(qū)別在于增加2個步驟：土壓力盒的埋設與連接、固化土擋土墻修筑。

3.5 模型試驗設計

模型試驗設計為A，B組，2組試驗墻后填土的坡比皆為1∶0.5，填土高度為1.2m、寬度為1.12m、頂部長度為1m、底部長度為1.6m。

A組模型試驗共設置了坡比為1∶0.5的3個工況：天然土坡(工況1，無任何支護措施)、0.3m寬摻2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻(工況2)、0.3m寬摻2%水泥+2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻(工況3)，A組模型試驗3種工況設計如圖7所示。

圖7 A組模型試驗工況設計示意

B組模型試驗同樣設置了坡比為1∶0.5的3個工況，即0.3，0.4，0.5m寬摻2%水泥+2%液劑+9%粉劑固化土擋土墻，分別為工況3，4，5。B組模型試驗3種工況設計如圖8所示。

圖8 B組模型試驗工況設計示意

4 模型試驗數據整理與分析

4.1 試驗組A

4.1.1坡頂豎向沉降

3種工況下坡頂破壞荷載、最大豎向沉降及相同荷載下最大豎向沉降如表3所示。

表3 試驗組A各工況下坡頂破壞荷載、最大豎向沉降及相同荷載下最大豎向沉降

由表3可知：

1)工況2墻后坡體承載力約為工況1的1.54倍，坡體破壞所允許的最大沉降變形約為工況1的1.21倍；工況3墻后坡體承載力約為工況1的2.09倍，約為工況2的1.35倍，坡體破壞所允許的最大沉降變形約為工況1的1.40倍，約為工況2的1.15倍。

2)3種工況下坡體受相同豎向荷載70.43kPa時，工況2墻后坡體豎向沉降為18.24mm，較工況1減少25.64%；工況3豎向沉降為14.67mm，較工況1減少了40.20%，較工況2減少了19.57%。

通過數據分析可知，穩(wěn)定固化土重力式擋土墻可提高被支護邊坡承載力，減小被支護邊坡在相同荷載下的豎向變形，同時也增加了坡體破壞時所允許的最大豎向變形，使坡體穩(wěn)定性得到一定提高。

4.1.2墻面水平位移

3種工況下坡頂破壞荷載、墻面最大水平位移及相同荷載下最大水平位移如表4所示。

表4 試驗組A各工況下坡頂破壞荷載、墻面最大水平位移及相同荷載下最大水平位移

由表4可知：

1)天然土坡最大水平位移為15.36mm，工況2的最大水平位移為19.42mm，約為工況1的1.26倍；工況3的最大水平位移為22.84mm，約為工況1的1.49倍，約為工況2的1.18倍。

2)3種工況下坡體受相同豎向荷載70.43kPa時，工況2的最大水平位移為11.38mm，較工況1減少了25.91%；工況3的最大水平位移為8.52mm，較工況1減少了44.53%，較工況2減少了25.13%。

通過對比分析可知，穩(wěn)定固化土重力式擋土墻由于自身重力和較好的整體性可很好地降低被支護坡體相同荷載下的水平位移，同時也增加了坡體破壞時所允許的最大水平變形，進而降低坡體發(fā)生失穩(wěn)的風險。

4.1.3墻后土壓力分析

試驗組A通過在工況2，3墻后5cm處埋設10個土壓力盒來探究墻后土壓力分布規(guī)律，10個土壓力盒分別埋設在墻中和墻邊距離墻底20，40，60，80，100cm處。工況2，3在破壞荷載下中間和側邊墻后土壓力變化曲線如圖9所示。

圖9 工況2，3在破壞荷載下中間和側邊墻后土壓力變化曲線

試驗組A 3種工況下坡頂破壞荷載及工況2，3下墻后最大土壓力如表5所示。

由圖9、表5可知：

表5 試驗組A 3種工況下坡頂破壞荷載及工況2，3下墻后最大土壓力

1)墻后側邊土壓力比中間要小很多，主要是因為模型槽和靠近2個側面的土體間具有一定摩擦力，同時也會對土體產生擠壓作用。

2)理論上講，墻后土壓力應呈三角形分布，試驗測出的土壓力分布與該規(guī)律有一定差別；試驗所測土壓力隨擋土墻高度方向呈先增大后減小趨勢，且最大土壓力出現在距離墻底H/3處。

4.2 試驗組B

4.2.1坡頂豎向沉降

不同寬度固化土重力式擋土墻在不同工況下坡頂破壞荷載、最大豎向沉降及相同荷載下最大豎向沉降如表6所示。

表6 試驗組B各工況下坡頂破壞荷載、最大豎向沉降及相同荷載下最大豎向沉降

由表6可知：

1)工況4墻后坡體承載力約為工況3的1.32倍，坡體破壞所允許的最大沉降變形約為工況3的1.13倍；工況5墻后坡體承載力約為工況3的1.61倍，約為工況4的1.21倍，坡體破壞所允許的最大沉降變形約為工況3的1.29倍，約為工況4的1.14倍。

2)3種工況下坡體受相同豎向均布荷載100kPa時，工況4墻后坡體豎向沉降為16.34mm，較工況3減少16%；工況5墻后坡體豎向沉降為12.95mm，較工況3減少33.42%，較工況4減少20.75%。

通過數據分析可知，穩(wěn)定固化土重力式擋土墻越寬，被支護坡體的承載力越高，坡體破壞時所允許的最大豎向變形也越大，坡體越穩(wěn)定；此外，墻后坡體所受豎向均布荷載相同時，擋土墻越寬，豎向沉降越小。

4.2.2墻面水平位移

不同寬度固化土重力式擋土墻在不同工況下坡頂破壞荷載、墻面最大水平位移及相同荷載下最大水平位移如表7所示。

表7 試驗組B各工況下坡頂破壞荷載、墻面最大水平位移及相同荷載下最大水平位移

由表7可知：

1)工況4最大水平位移約為工況3的1.2倍；工況5最大水平位移分別約為工況3，4的1.35，1.13倍。

2)3種工況下坡體受相同豎向均布荷載100kPa時。工況4最大水平位移為13.45mm，較工況3減少14.06%；工況5最大水平位移為10.91mm，較工況3減少30.29%，較工況4減少18.88%。

通過數據對比分析可知，穩(wěn)定固化土重力式擋土墻墻體越寬，被支護坡體破壞時所允許的最大水平變形也越大，坡體越安全；此外，墻后坡體所受豎向均布荷載相同時，墻體越寬，水平位移越小。

4.2.3墻后土壓力

試驗組B在工況4，5墻后5cm處埋設了10個土壓力盒來探究墻后土壓力分布規(guī)律。工況4，5在破壞荷載下中間和側邊墻后土壓力變化曲線如圖10所示。

圖10 工況4，5在破壞荷載下中間和側邊墻后土壓力變化曲線

試驗組B各工況下坡頂破壞荷載及墻后最大土壓力如表8所示。

表8 試驗組B各工況下坡頂破壞荷載及墻后最大土壓力

由圖10、表8可知：

1)工況4，5墻后土壓力變化規(guī)律與試驗組A其他工況變化趨勢基本相同，中間的土壓力比側邊大很多，且墻后土壓力沿擋土墻高度方向呈先增大后減小的趨勢。

2)擋土墻墻身越寬，坡體破壞時墻后土壓力越大。

3)穩(wěn)定固化土重力式擋土墻經分層擊實修筑后，在試驗過程中未發(fā)現擋土墻明顯凸起的情況，整體性較好；墻后最大土壓力出現在距離墻底H/3 處。

5 試驗成果應用

5.1 工程設計控制因素

使用土壤固化劑和水泥對工程性質較差的粉質黏土進行改良，將經過處理得到的穩(wěn)定固化土直接用于修筑重力式擋土墻，為穩(wěn)定固化土重力式擋土墻設計提供了試驗基礎，提出了擋土墻處理方法。

1)由于本研究選用的是單級重力式擋土墻結構，墻后填土高度為1.2m，為保證擋土墻應有的強度，考慮穩(wěn)定固化土土質情況，墻后填土高度一般≤4m, 坡度一般在1∶0.5～1∶0.7,具體根據現場土體情況采取適用的工程結構。

2)由于工程實體現場存在土樣顆粒級配不良、粗粒組顆粒缺乏、含水率過高等問題，可考慮在土壤中加入一定量水泥及固化劑的最佳材料配合比。

3)均勻分鋪于模型槽內夯實固化土，逐級修筑每層固化土的壓實度要≥90%，下層固化土夯實前要對上一層表面進行刮毛。

5.2 穩(wěn)定固化土重力式擋土墻應用案例

該項目屬于綿陽市國土資源局地質災害治理項目，治理內容是使用穩(wěn)定固化土對綿陽金山公墓旁某農家院后山進行防護，坡體高度約8m。施工步驟為：①先用挖掘機對山體進行分級放坡，坡比約為1∶0.5；②利用農家院后山現場土壤，在土壤中拌合一定量土壤減水粉劑和土壤穩(wěn)定液劑對土體進行抗水化處理；③將處理后的土壤分層夯實，逐級修筑固化土重力式擋土墻，形成約8m高的分級重力式擋土墻，施工過程和后期使用情況如圖11所示。

由圖11可知，由于山體較高，施工時采用分級放坡的方法修筑多級重力式擋土墻，有利于減緩雨水沖刷作用。該項目原地取土，未使用水泥、條石等材料，具有生態(tài)環(huán)保、造價低、施工簡單、工期短等優(yōu)點。降雨條件下，固化土擋土墻表面未出現整體滑塌、泥化等現象。經過多年使用后，擋土墻表層生長出大量野生植物，植被恢復情況良好，坡體整體穩(wěn)定性較好，固化土重力式擋土墻對山體的支護效果明顯。

6 結語

1)通過原土固化處治，將需丟棄的不良土通過破壞土粒表面親水性質，增加抗水化性，降低含水率，再利用施壓加速土體石化進程改造成性能良好的工程土，保證了工程施工綠色高效開展。

2)穩(wěn)定固化土重力式擋土墻寬度增加時，被支護坡體承載力增幅明顯，坡頂承受相同豎向均布荷載時的豎向沉降和水平位移均有不同程度減小，坡體破壞時所允許的最大豎向和水平變形有所增加，坡體穩(wěn)定性得到進一步提高。

3)直接使用穩(wěn)定固化土替代塊石、條石、片石混凝土、鋼筋混凝土等建筑材料修筑重力式擋土墻，不僅有利于工程性質較差棄土的資源化利用，也有利于減少對自然資源的開采，更好地節(jié)約資源、保護環(huán)境，有利于生態(tài)社會的可持續(xù)發(fā)展。