王学广 李震 康楠 郭子腾

摘要：为选择合适的膨胀土边坡加固方法，针对改良土换填法与石灰桩法加固膨胀土边坡的效果开展室内试验，并以南京某膨胀土边坡为例，采用FLAC软件建立边坡模型，对加固前后的边坡稳定性进行了分析。结果表明：石灰掺量为3%、5%、7%的改良土加固后边坡稳定性相同，其受换填深度、坡比影响较大：石灰桩法加固后边坡稳定系数与桩体强度和置换率成良好的线性关系，推导建立的加固边坡安全系数公式的计算值和程序求解值吻合较好。综合考虑各种影响因素，对两种边坡加固方法进行了比较，认为石灰桩法加固膨胀土边坡具有工序简单、工期短、对原生环境影响小的优点。

关键词：膨胀土;改良土换填;石灰桩;FLAC;边坡稳定性

中图分类号：TV223

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000 - 1379.2019.05.028

滑坡[1]是膨胀土地区最普遍的一种斜坡变形现象和最主要的工程地质问题之一。浅层膨胀土裂隙特别发育，土质干湿效应明显，吸水时土体膨胀、软化、强度下降，失水后土体收缩并随之产生裂隙，在反复的干湿作用下，膨胀土裂隙愈发发育，土体强度大幅下降。目前，处理膨胀土的方法有换填法、湿度控制法、桩基础和化学改良法[2]。石灰来源广泛、价格低廉，试验证明用其处理膨胀土效果很好。本研究选取石灰改良换填法和石灰桩挤密法这两种方法，对南京某膨胀土边坡的加固效果进行比较，为选取合适的边坡加固方法提供参考。

1 机理

（1）石灰改良换填法机理[2]。石灰改良膨胀土通过阳离子交换、絮凝或团聚、碳化、胶结作用改善土体结构，从而使土体强度大幅度提高。

（2）石灰桩加固机理[3]。石灰桩的挤密作用：桩间的挤密主要包括成孔挤密、脱水挤密和膨胀挤密，分别在不同的阶段提高膨胀土的强度并改良其膨胀性。生石灰与桩间土的化学反应：包括离子化及离子交换作用、固结作用以及置换作用（复合地基作用），通过以上化学反应可有效提高膨胀土的抗变形能力和强度。

2 室内试验

2.1 试验步骤

参考“二次掺灰”[2]方法制备石灰改良膨胀土试样。首先，对破碎后的土样掺人2%的生石灰焖料3d，以降低土样含水率，使土样易于砂化;然后，根据击实试验得到最大干密度和最优含水率，按压实度92%制得生石灰与消石灰掺量之和为3%（2%生+1%消）、5%（2%生+3%消）和7%（2%生+5%消）的试样，把试样埋于相同掺量的改良膨胀土中养护，养护7、14、28 d后抽气饱和（养护14 d的照片见图1）;最后，进行直剪试验，测其饱和直剪强度指标。

2. 2试验结果

养护7、14、28 d后不同石灰掺量（生石灰与消石灰掺量之和）的改良土样饱和直剪强度指标见表1。

3 加固效果分析

3.1 边坡模型及加固前稳定性

选取南京市上坝河一九乡河开挖段的典型地质剖面进行分析，边坡坡比取1/2.0、1/2.5、1/3.0。

1/2.0边坡的基本形状如图2所示，土层①②③为不同裂隙发育程度的弱膨胀性膨胀土（厚度为10 m），土层④⑤为基岩。其中：土层①为强风化作用下的膨胀土层，强度指标采用8次干湿循环稳定后的饱和快剪强度参数;土层③为不受大气影响的未风化层，强度指标采用未经干湿作用的饱和快剪强度参数：土层②为弱风化层，采用土层①③强度参数的均值。各土层力学参数见表2。

采用FLAC软件内置的边坡稳定性求解模块[4-5]进行分析，计算加固前的边坡稳定系数F_s，结果见表3。研究区堤防工程的等级为2级，《堤防工程设计规范》[6]要求F_s≥1.25，显然加固前的边坡稳定性不满足要求。

FLAC输出的最大剪应变速率（SSR）等值线见图3.可以看出边坡发生失稳的危险滑动面大体位于强风化层和弱风化层的交界面上，滑面深度为1-2 m.滑坡具有浅层性的特点。

3.2 石灰改良换填法加固效果

取用龄期为7、14、28 d和石灰掺量为3%、5%、7%的改良土的強度指标分析加固后的边坡稳定性，结果显示，相同换填深度、相同坡比的边坡，掺量为3%、5%、7%的改良土加固后的边坡稳定系数是一样的。但是，掺量相同而换填深度和坡比不同时，加固后的边坡稳定系数差别较大，见图4。由图4可以看出，换填深度小于1 m时，边坡稳定系数受换填深度的影响不大：当换填深度介于1 m与3m之间时，边坡稳定系数随换填深度的增加迅速增大，且很快达到规范要求值1.25，坡度越缓边坡稳定系数增速越快、增幅越大;当换填深度超过3m之后，边坡稳定系数增长趋缓。坡顶位移与换填深度的关系见图5，可以看出，随换填深度增大，当换填深度小于1 m时坡顶位移迅速衰减，衰减至7.5 cm左右后关系曲线出现第一个平台，平台宽度对应的换填深度为1.0 - 1.5 m;当换填深度大于1.5 m后，坡顶位移继续衰减至换填深度2m处达到稳定，之后位移不再减小。

以坡比为1/2.0的边坡为例，根据FLAC输出的不同换填深度的SSR图像（见图6）分析上述结果产生的原因。换填深度^换≤Im时，危险滑面（图中绿、黄、紫色及渐变的区域）的位置不变，分布深度范围为1～2 m.滑面呈直线形态，切至软弱岩层，滑面土质主要为未经改良的强风化土层;当1 m

当改良土强度较大并超出未改良土层的强度时，危险滑面主要位于未改良土层，因此边坡稳定系数随改良土层强度的继续增长几乎不变，但随着换填深度的加大，危险滑面绕开换填层向更深处移动，滑面的土质经过强、弱风化层到未风化层，边坡稳定系数随着土质变好而提高，坡顶位移随之减小。

基于上述分析，建议改良土的换填深度取3m左右，即将强弱风化层完全换填为改良土，此时边坡稳定系数大于2，坡顶位移为1 cm左右。当石灰掺量不小于3%时边坡稳定性不受石灰掺量改变的影响，据此判定石灰掺量为3%的改良土可满足边坡加固要求。

3.3 石灰桩法加固效果

工程中石灰桩的桩位一般采用等边三角形布置[3].此时的复合地基置换率m计算公式为

m= 0.906 9 d³/L³2（1）式中：d为桩孔直径，由当地施工条件决定，一般为150-400 mm;L为桩孔中心距，一般取桩孔直径的2.5 -3.5倍。

生石灰桩在吸水膨胀后将引起桩径增大，膨胀后的置换率为m'=εm，其中ε为石灰桩的膨胀率。

石灰桩复合地基属于柔性复合地基，置换率是复合地基的重要参数，可以根据复合地基的置换率计算加固区的等效密度和强度参数[7]：

石灰桩的抗剪强度随抗压强度的提高而提高，一般为无侧限抗压强度的20% - 30%，其内摩擦角变化范围为20°～ 30°.石灰桩桩体强度设计值常取350 -500 kPa。本研究中，石灰桩的黏聚力取无侧限抗压强度的20%，内摩擦角取20°，重度取13 kN/m³，石灰桩桩长按穿过强弱风化层考虑取3m，石灰桩材料火山灰与生石灰的配比取3：7.膨胀率取1.05.再取常见的桩距桩径比值和石灰桩桩体强度，进行石灰桩加固后的边坡稳定分析。其中：桩距桩径比值代表了相应的置换率，石灰桩桩体强度则反映了生石灰及其施工的质量。当桩孔中心距是桩孔直径的2.5倍时，m=14.5%;桩孔中心距是桩孔直径的3倍时，m=10.1%;桩孔中心距是桩孔直径的3.5倍时，m=7.4%。膨胀后置换率等于相应值乘以膨胀率1.05。

不同置换率和桩体强度加固后的土层强度及相应的边坡稳定系数见表4，加固后的危险滑面位置如图7所示，滑面深度为1-2 m。根据表4绘制加固后的边坡稳定系数与桩体强度和置换率之间的关系曲线，见图8、图9，可以看出，加固后的边坡稳定系数与桩体强度和置换率成良好的线性关系。

基于加固后的边坡稳定系数与桩体强度和置换率成良好的线性关系，试推导加固后边坡稳定系数的理论计算公式。依据极限平衡法[8]求解边坡稳定系数的相关理论，推导如下：

应用式（12）求解边坡稳定系数，计算值和程序求解值的关系见图10，可以看出二者基本一致（误差为3%左右），公式计算值在一定程度上可以反映边坡稳定的实际情况，可以通过该公式粗略分析常用的置换率m、石灰桩桩体强度q_u加固后的边坡稳定系数，从而制定合适的加固方案，其在工程上具有一定的应用价值。

3.4 加固方法比较

（1）石灰用量。改良土换填法加固边坡时，石灰掺量为3%、换填深度为3m时稳定系数远大于规范规定值。石灰桩法加固时，建议1/2.0边坡置换率采用10.1%，1/2.5和1/3.0边坡置换率采用7.4%。由于置换率为置换面积占总面积之比，换算成掺量分别为5.6%和5.2%，因此石灰桩所用石灰量要多于改良土换填用量。

（2）施工工序。改良土换填加固时，如采用场拌法，需用推土机将在料场晾晒一段时间的土推至灰土搅拌场，与石灰拌和焖料一周，焖料期间至少翻拌一次，再将改良土运至施工现场，填土碾压，施工时需要大型搅拌机械、两次运输，费用较高;如采用路拌法，需要将膨胀土挖出堆放、自然沥水，再将土料运卸在施工地段，摊平、碾压，撒布机摊铺石灰，再采用大功率的搅拌机拌和，最后由压路机静压压实。石灰桩法施工时，分为无管成桩和有管成桩两大类，无管成桩利用人工或机械在土中成孔以后，分段填料、分段夯实，最后封顶而成：有管成桩是用各类打桩机在土中沉入钢管，往管内填料，然后用心管压实或在施工时振动、压缩空气等作用的同时，拔管形成桩身，再用盲板封管将桩顶段反压密实，封顶成桩。与改良土换填法相比，石灰桩法施工工序简单、效率较高。

（3）环境影响程度。改良土换填加固时，需要将换填部分的膨胀土挖出，将未风化的新鲜土层暴露在大气环境中，在挖除土体晾晒、焖料、改良期间，暴露在空气中的新鲜土层在减荷和大气营力的作用下，发育形成减荷裂隙和风化裂隙，强度发生明显的衰减。根据前述分析，当上层改良土回填后，危险滑面位于改良土以下的未处理土层，开挖期间形成的减荷和风化裂隙的存在显然对滑面的安全是不利的。而石灰桩法加固边坡时产生的挤密作用，会使风化层原有的裂隙愈合，并抑制土体的胀缩变形，从而限制裂隙的开展，因此对边坡环境的影响较小。

综合比较石灰用量、施工工序和环境影响程度，认为在南京地区膨胀土边坡的加固处理中，石灰桩法与改良土换填法相比，具有工序简单、节省工期、对边坡原生环境影响小的优点。4结论

（1）相同换填深度、相同坡比的边坡，对于石灰掺量为3%、5%、7%而不同强度改良土加固后的边坡稳定系数是相同的，加固后的边坡稳定性受换填深度、边坡坡比的影响较大。当换填深度为1-3 m时，边坡稳定系数随换填深度的增加迅速增大，且很快达到规范要求值1.25;当换填深度<1 m或>3 m时，边坡稳定系数随换填深度的增加变化缓慢。

（2）由于改良土强度较高，危险滑面主要位于未改良土层，因此边坡稳定系数随改良土层强度的继续提高几乎不变，但随着换填深度的增加，危險滑面绕开换填层向更深处移动，滑面的土质经过强、弱风化层到未风化层，随着土质的变好从而引起危险滑面稳定系数的增大，坡顶位移随之减小。

（3）石灰桩法加固边坡时，滑面深度为1-2 m，加固后的边坡稳定系数与桩体强度和置换率成良好的线性关系。依据极限平衡法推导的石灰桩加固后膨胀土边坡稳定系数计算公式计算值与程序求解值吻合较好，对于工程实践中选取合适的置换率和桩体设计强度具有一定的参考价值。

（4）在南京地区膨胀土边坡的加固中，改良土换填加固时建议换填深度取3m.石灰掺量取3%：石灰桩加固时，边坡坡比为1/2.0时建议置换率取10.1%，边坡坡比为1/2.5、1/3.0时建议置换率取7.4%，桩长穿透风化层（3 m）。

（5）综合考虑石灰用量、施工工序和环境影响程度等因素，比较改良土换填法和石灰桩法的优劣，认为在南京地区膨胀土边坡的加固处理中，后者与前者相比，具有工序简单、节省工期、对边坡原生环境影响小的优点。

参考文献：

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BENCT B Broms，唐念慈，用石灰及水泥土柱稳定边坡和深开挖[J].岩土工程学报，1986，8（6）：18-25.

[8] 卢廷浩，土力学[M].南京：河海大学出版社，2002：144-160.

【责任编辑张智民】