水泥改良土加固填筑边坡效果数值分析

作者简介：李家栋（1987—），工程师，研究方向：土木工程。

文章以某边坡填筑为例，采用Midas/GTS软件进行建模分析，重点分析了采用素土回填、5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填时的边坡水平位移、塑性区变化规律，并对不同坡率时的水泥土回填加固效果进行了分析。结果表明：采用一定掺比的水泥土回填可有效地减小边坡水平位移，但加固效果不会随水泥掺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边坡时，使得边坡安全系数分别达到1.24、1.37和1.52，说明水泥土回填起到了良好的加固效果;当采用水泥土回填时，塑性区体积减小，且随着水泥掺比的增大，塑性区范围逐渐减小;不同坡率下，采用水泥土回填加固边坡均能起到较好的效果。

填筑边坡;填筑;水泥改良土;加固效果;数值模拟

U418.5+2A220744

0 引言

填挖方工程产生的弃土堆放是工程中经常遇到的问题，由于原有土质物理特性较差，需要采用一定的方法改变土体特性，使得填筑的土体满足边坡稳定性的需要。近年来，国内有关学者针对这一问题作了如下研究：李章珍、左威等[1-2]以某工段微型桩现场试验实测，利用有限元差分软件对现场斜向微型桩试验进行数值模拟，详细介绍了有限元分析计算过程，分析了其在路堤边坡加固应用中的工作性能;胡俊、宋修广等[3-4]结合南京地铁10号线过江隧道盾构始发工程，对始发端头典型的两种土质进行了水泥改良前后土体热物理参数的室内试验，最后给出了数值分析时端头土体热物理参数的建议取值并经现场验证取值正确可行;王效宾、陈刚等[5-6]以南京地铁10号线盾构出洞水平冻结加固工程为研究对象，采用三维数值模拟方法对水泥改良土融沉引起的地层位移进行了分析，采用单因素分析法分析了融沉系数、覆土厚度、冻土壁尺寸对融沉位移场的影响规律。本文以某边坡填筑为例，采用Midas/GTS软件进行建模分析，重点分析了采用素土回填、5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填时的边坡水平位移、塑性区变化规律，并对不同坡率时的水泥土回填加固效果分析进行了分析，以期为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某地区地势起伏较大，邻近工程挖方土体拟堆放在此处，由于原回填土工程特性较差，需要进行一定的处理。设计填方高度约为40 m，坡率为1∶1.25。为了研究不同水泥掺比下土体的稳定状态，本文采用数值软件进行模拟分析。

2 数值建模

利用有限元软件Midas/GTS建模得到的数值模型如图1所示，模型长度为200 m（X方向）、宽度取10 m（Y方向）、高度为80 m（Z方向）。模型单元格总数量为6 734个，并将模型的水平方向以及模型底部进行位移锁定和控制边界。本文采用摩尔-库伦作为本构模型，将模型土体从上至下分为5个部分，分别为细砂、粉质黏土、中砂、粉土、填土五种，厚度依次为40 m、8 m、10 m、4 m和18 m。坡率取1∶1.25，边坡高度为40 m，坡底平台长度为60 m，坡顶平台长度为100 m。表1为土体的物理力学参数，表2为将边坡土体作相关处理之后的回填土参数。

3 数值结果分析

3.1 不同回填土填料下的边坡水平位移分析

填筑边坡的稳定特性与边坡填土的自身特性有关。图2所示为不同类别水泥土回填时的边坡水平位移图，图中考虑了素土回填、5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填四种类型。由图2可知，4种工况下最大边坡水平位移均发生在坡脚附近，当采用素填土回填时，最大水平位移值为0.55 m，且边坡整体水平位移较大。当采用5%、7%和9%的水泥土回填时，最大水平位移值分别为0.27 m、0.19 m和0.15 m。从填筑边坡的水平位移方面来说，采用水泥土回填可以明显地减小边坡的变形，并且水泥掺比越大，边坡变形程度越小。

坡面的位移对于判断填筑边坡的稳定性至关重要。图3所示为不同回填土类别时的边坡坡面位移监测曲线，其中在坡面上设置了11个监测点，以边坡坡面距离模型的左边界水平距离为横轴，横轴60 m处即对应坡脚点。由图3可知，在水平距离坡脚5 m附近处水平位移最大，越沿坡面往上水平位移越小。相对于素土回填，采用5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填时，边坡最大水平位移分别减小了50.9%、67.3%和76.4%。故采用一定掺比的水泥土回填可有效地减小边坡水平位移，但加固效果不会随水泥掺比的增大而成倍增加。

3.2 水泥回填土加固的边坡效果分析

边坡的安全系数是反映边坡稳定特性的最直接的参数。如图4所示，给出了坡率为1∶1.25时的不同回填土类别时的边坡安全系数。由图4可知，当采用素土回填时，边坡的安全系数为1.04，此时边坡处于欠稳定性状态，外界条件的改变可能会导致发生失稳破坏等情况。当采用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边坡时，使得边坡安全系数分别达到1.24、1.37和1.52，分别相对于素土回填时增大了19.2%、31.7%和46.2%，说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边坡塑性区分析

塑性区大小是反映边坡安全与否的又一重要指标，它可以反映土体所处的安全状态。如图5所示，给出了不同回填土类别时的边坡塑性区。由图5可知，当采用素土回填时，边坡坡面上的大部分土体都处于塑性破坏状态，稳定性状态较差;当采用水泥土回填时，塑性区体积减小。且随着水泥掺比的增大，塑性区范围逐渐减小。由图5（d）可以看出，当采用9%水泥土回填时，边坡仅坡脚处存在小范围的塑性区。

3.4 不同坡率时的水泥土回填加固效果分析

为了讨论水泥土回填对不同坡率边坡的加固效果，如图6所示，分别给出坡率为1∶1、1∶1.25和1∶1.5三种不同坡率下的边坡安全系数。由图6可知，不同坡率下，采用水泥土回填加固边坡均能起到较好的效果。

4 结语

本文以某边坡填筑为例，采用Midas/GTS软件进行建模分析，重点分析了采用素土回填、5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填时的边坡水平位移、塑性区变化规律，并对不同坡率时的水泥土回填加固效果进行了分析，结论如下：

（1）相对于素土回填，采用5%水泥土回填、7%水泥土回填和9%水泥土回填时边坡最大水平位移分别减小了50.9%、67.3%和76.4%。采用一定掺比的水泥土回填可有效地减小边坡水平位移，但加固效果不会随水泥掺比的增大而成倍增加。

（2）采用素土回填时，边坡的安全系数为1.04，此时边坡处于欠稳定性状态。当采用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边坡时，使得边坡安全系数分别达到1.24、1.37和1.52，分别相对于素土回填时增大了19.2%、31.7%和46.2%，说明水泥土回填起到了良好的加固效果。

（3）当采用素土回填时，边坡稳定性状态较差;当采用水泥土回填时，塑性区体积减小，且随着水泥掺比的增大，塑性区范围逐渐减小。

（4）不同坡率下，采用水泥土回填加固边坡均能起到较好的效果。

[1]李章珍，赵国栋，董 捷，等.微型桩加固路堤边坡数值分析[J].科技资讯，2017，15（6）：97-99.

[2]左 威，吴 刚，涂文靖.软土路堤土工栅格加固处理数值分析[J].兰州大学学报（自然科学版），2010，46（s1）：159-161.

[3]胡 俊，唐益群，张皖湘.水泥改良前后土体热物理参数试验研究[J].地下空间与工程学报，2016（12）：1 204.

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