水泥土抗滑墙加固软土地基边坡的试验研究

魏 越，李守德，杜春梅，薛世恩

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210098；2.河海大学 江苏省岩土工程技术研究中心， 江苏 南京 210098； 3.南京晓庄学院, 江苏 南京 210017)

水泥土抗滑墙加固软土地基边坡的试验研究

魏 越1,2，李守德1,2，杜春梅3，薛世恩1,2

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 江苏 南京 210098；2.河海大学 江苏省岩土工程技术研究中心， 江苏 南京 210098； 3.南京晓庄学院, 江苏 南京 210017)

为了深入探索加固机理，建立了可靠的平面应变概化模型及其量测系统，进行加载破坏模型试验。试验表明，水泥土抗滑墙加固软土地基边坡，抗滑墙与软硬土层相互作用，加固效果明显。随着推力荷载的增大，抗滑墙分担了较大的水平推力并有效地传递至了硬土层，且分担比随荷载增大而增大。土压力随深度的变化呈“倒S”形，随着荷载的增加，土压力先减小后增大再减小，软硬土层交界面土层的土压力最小。软土层中，土压力随荷载变化较大，硬土层中随荷载变化较小。

水泥土抗滑墙；软土地基边坡；模型试验；加固机理

江河堤坝海岸工程[1-2]、港口航道边坡整治[3-4]以及各类道路边坡[5-6]加固工程中常需要对软土地基边坡进行加固处理。水泥土搅拌桩复合地基在各类软基边坡的加固工程中广泛应用[7-8]，但是搅拌桩在软土层中受水平推力作用时存在弯折效应并且其在施工过程中容易形成劣质层，从而使土体丧失水平抗力，导致其加固效果差、可靠性不高。水泥土抗滑墙是近年出现的用于基坑和边坡加固的支挡结构，由沿滑动方向平行布置的水泥土搅拌墙通过墙间土体的土拱效应[9]与土体和抗滑墙共同作用起到抵抗滑坡推力的作用。

本文通过模型试验对水泥土抗滑墙的破坏形式和抗滑机理进行研究，利用平面应变概化模型试验装置[10]，开展水泥土抗滑墙加固软土地基边坡的模型试验，研究水泥土抗滑墙加固软土地基边坡在加荷情况下的变形、破坏演变过程，分析水泥土抗滑墙的工作机制及其受力的关键部位及传力机制。

1 试验装置

平面应变概化模型装置是由试验框架、模型槽、加压系统、数据采集系统四部分组成。模型槽侧壁采用轴承式滚轮可最大限度消减侧壁摩擦力[11]。试验采用了模型液压水箱加载系统。在塑料防水膜的包裹下，水压可以均匀施加到土体上，通过反压及体变测量控制仪调节，可以实现对上部进行高达上百千帕的加载，使试验模拟的条件更贴近工程实际。

本文模型试验属于静力模型试验，加载示意图见图1，其主要目的在于揭示水泥土抗滑墙加固软土地基边坡的作用机理，因此水泥土抗滑墙加固结构与软土、硬土的相互作用及由此引起的加固结构和土体的受力、变形、破坏规律是研究的重点，试验中需要模拟这一类型工程中的应力状态和强度破坏[12-13]。本次模型试验将采用同原型相类似的材料，密度、应力相似比[14]均为1，主要参数见表1。

图1 加载示意图

表1 材料的主要力学参数

考虑几何相似比为1∶20，整个土体模型的尺寸为：116 cm×60 cm×80 cm(长×宽×高)，其中软土层高度为40 cm，硬土层高度为40 cm，水泥土墙厚度取3.5 cm，滑墙长度取45 cm，高度35 cm，深度为10 cm。

本文试验中不考虑原型中堤身土体的性质、坡体填高、滑裂面形式等因素，仅考察水泥土连拱抗滑墙的水平抗滑力，即直接施加水平荷载来模拟软土地基边坡坡顶有超载时水泥土抗滑墙的加固效果。试验布置方案如图2所示。

图2试验布置方案图(单位：cm)

2 试验步骤

2.1 预制水泥土抗滑墙

由于本文的模型试验周期较长，为缩短试验周期，本文采用预制水泥土墙进行试验，脱模后对其表面进行拉毛处理，在湿土中养护28 d。

2.2 填土植墙

当硬土层填筑至30 cm时，将预制好的水泥土抗滑墙放入模型槽中设计好的位置，继续填硬土层至设计标高。软土层的填土过程与硬土层相同，软土填至设计标高后盖上保鲜膜，防止水分蒸发。在进行试验填土的同时，需对土压力盒进行埋置，其埋置位置距离抗滑墙5 cm。将模型液压水箱塑料膜一侧向下放入模型槽内，将围压仪与液压水箱连接，向液压水箱进行注水，直至围压仪显示压力为30 kPa。

2.3 千斤顶加载

将千斤顶放入上部档箱内，固定好千斤顶位置，使一端与测力计接触，另一端与框架横杆接触，千斤顶推横杆，反力施加到上层档箱，试验第一级加载1.2 kN，加载增量1.2 kN。当围压仪显示压力为30 kPa时，开始第一级加载，每级加载稳定10 min再读数。

3 试验结果分析

加载过程中，外侧上层档箱在千斤顶的顶推下将土体向内推动，位移计读数随着加载的增大不断增大，压力传感器读数也随之增大。当加载至前侧上层档箱上的测力计读数保持不变并有减弱趋势时，停止加载。随后将液压水箱的水通过进水孔和排气孔排出，取出液压水箱，观察模型槽内土体状态和墙的位移及破坏情况，取出液压水箱后的情况如图3所示。抗滑墙前端土体有明显隆起，高度约为1.5 cm，这是因为推力荷载下，抗滑墙和土体产生相对位移，抗滑墙前端土体的位移相对抗滑墙位移较大，便产生了正土拱。抗滑墙与土拱的存在共同抵抗水平推力，土体在无法向后位移时产生了向上的位移，因此在抗滑墙前端存在土体隆起。

图3模型试验结果现场图

模型试验的水平力的极限荷载约为70 kPa，抗滑墙前端顶部有明显破碎，后端底部也有同样情况，且距离墙底部约10 cm附近出现了横向裂纹，墙中间有少许纵向裂纹，这是由于墙间距较小，墙间有效应力拱较大，墙承担了大部分的推力，墙身受到很大的剪力而产生剪切破坏，墙前端顶部被压坏。

3.1 软硬土层水平推力分担比研究

试验中，千斤顶所施加的推力荷载及软硬土层分担的水平力在加载过程中随时间的变化曲线如图4所示。由图4可知，随着推力荷载的增大，软硬土层分担的水平推力不断增大，且硬土层的增加速度大于软土层，当千斤顶施加的水平力达到某级荷载后难以继续加荷，可以判定此时已达到极限荷载。最初几级荷载作用下，软土层分担的水平推力大于硬土层，且随着加载的增大，二者的差值越来越小，随后硬土层分担的推力超过软土层。极限荷载后继续加水平推力施加不上，因此推力减小，同时土层分担的力也产生了变化，软硬土层分担的力都略减小。

第一级荷载作用下，软硬土层分担的水平推力如图5。由图5可知，软土层的水平推力刚开始较大，而后慢慢减小，硬土层则是刚施加时较小，而后慢慢变大。原因是千斤顶的水平推力推的是上部软土层，所以软土层的水平推力刚开始较大，然后通过抗滑墙慢慢传递到硬土层，软土层分担的水平推力有减小趋势，而硬土层分担的力则变大。其他各级荷载作用下，软硬土层分担的水平推力也有同样的变化趋势，且随着荷载的不断增大，硬土层所分担的力也越来越大，说明水泥土抗滑墙能有效地将水平力传递至硬土层。而软硬土层分担的力比施加的水平荷载略小，原因是模型槽侧面和地面存在较小的滚动摩擦，由于摩擦力较小，对试验结果影响很小。同时也证明本文模型槽的设计达到了消除摩擦力的目的。

图4 软硬土层中水平推力随时间的变化曲线

图5第一级荷载作用下软硬土层中水平推力随时间的变化

将各级荷载作用下软硬土层平均水平应力及分担比整理如表2所示。

表2 各级荷载下软硬土层平均水平应力及分担比

3.2 土压力分析

根据土压力对土拱效应进行分析是模型试验的一个重要目的。通过土压力盒所测数据，对应实际压力与所测压力的关系曲线，得到测点的压力值。本小节将从加载与土压力的关系曲线及土层深度与土压力的关系曲线对土拱的形成及破坏进行分析。

模型试验土压力盒位置如图6所示。土压力盒布置在抗滑墙前5 cm处。模型试验土体高80 cm，设软土层顶部标高为0 cm，土压力盒布置的深度依次为15 cm、25 cm、40 cm、50 cm、60 cm。

图6试验土压力盒位置示意图

加载与土压力的关系曲线如图7。随着荷载的增大，上面1、2、3三排的土压力随之增大，而下面4、5两排的土压力随着荷载的增大呈先增大后减小的趋势。上面两排土压力盒位于软土层，在刚加载时，土压力增大速度较快，之后随着荷载的增加，土压力几乎为线性增加，表明了抗滑墙承受的水平推力在不断增加。刚开始加载时，土能承受较大的压力，故抗滑墙几乎未发挥太大作用，各处土压力几乎相等，而随着荷载的增大，软土层迅速将土压力传递到抗滑墙。对于A列和B列前的土压力盒，由于土压力盒距离抗滑墙较近，可近似认为土压力盒所测得的压力近似为抗滑墙承担的力，因此随着推力荷载的增大，土压力盒读数不断增大；而下部两排土压力盒位于抗滑墙前，所受土压力较小，说明抗滑墙将力传递到了硬土层并向后传递，前端受力较小。

土层深度与土压力的关系见图8。由图8可知，各级荷载作用下，土压力随深度的变化趋势一致，均呈“倒S”形。前三级荷载下，相同荷载时土压力在软土层中随深度几乎不发生变化，在硬土层中土压力也较接近；在加载至40 kPa时，随着深度的增加，土压力呈先增大后减小再增大的趋势，土层深度50 cm时土压力最小。这是因为，在荷载较大时，边坡土体产生不均匀位移，引起土体内部应力重新分布，形成“土拱效应”。分析土层深度25 cm处土压力，该处存在产生土拱效应的三个条件即：(1) 有能承担竖向和水平两方向推力的固定拱脚；(2) 要有形成足够强度材料的拱圈；(3) 拱上作用有土压力。

图7土压力与加载的关系曲线

由图8可知，加载越大软土层中土压力越大，而硬土层中呈现相反规律，其软硬土层交界面处土压力值接近。这是因为随着水平推力的增大，软土层和抗滑墙承受的荷载都在增大，故软土层中土压力随着荷载的增大而增大，但是由于土压力盒位置在抗滑墙前5 cm处，在硬土层中，抗滑墙将其受到的力传递至硬土层并向后传递，故前方的土体土压力较小。

图8(a)和图8(b)变化趋势相同且数值接近，这是由于试验中A墙和B墙的对称性造成的。而图8(c)中在相同荷载下同一位置土压力值小于图8(a)和图8(b)的值，即墙间土体分担的推力小于抗滑墙分担的力，说明抗滑墙分担了较大的推力。图8(c)为两道抗滑墙中间的土体土压力，由图可以发现，在加载至极限荷载附近时，墙间土体土压力迅速增大，说明此时土拱所承受的力已达到极限状态，当加下一级荷载时，立刻破坏。

图8土压力与土层深度的关系曲线

4 结 论

模型试验作为一种直观、有效的方法，有助于揭示水泥土抗滑墙的加固机理和破坏特征，并可以与数值计算方法进行比较研究[15]。本文得到如下结论:

(1) 水泥土抗滑墙加固软土地基边坡模型试验中，水泥土抗滑墙与软硬土层相互作用，加固效果明显。试验中外荷产生的水平推力沿水平方向传递至抗滑墙，抗滑墙由于嵌固在硬土层中，可将其受到的荷载通过墙身和墙底传递到外侧土体和下部硬土层中，因而抗滑墙中水平方向的推力和剪力较大。

(2) 随着推力荷载的增大，硬土层分担的力明显大于软土层，而硬土层分担的力几乎都是由抗滑墙传递的，可认为抗滑墙分担的力近似等于硬土层分担的力，说明抗滑墙分担了较大的水平推力并有效地传递至了硬土层。

(3) 软土层与硬土层分担水平推力之比定义为水平推力分担比，荷载越大，分担比越大。

(4) 土压力随深度的变化呈“倒S”形，随着深度增加，土压力先减小后增大再减小，软硬土层交界面土层的土压力最小。软土层中，土压力随荷载变化较大，硬土层中随荷载变化较小。原因是随着荷载的增大，软土层将土压力传递到抗滑墙，抗滑墙将土传递至硬土层，并向后侧传递，硬土层中的土压力盒由于位于抗滑墙前端，故土压力较小。

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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，江苏如皋人，硕士研究生，研究方向为边坡加固及地基处理。E-mail：2271615384@qq.com

TU447

A

1672—1144(2017)06—0084—05