膨脹土邊坡失穩(wěn)與防治研究

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(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,四川成都 610081)

膨脹土邊坡失穩(wěn)與防治研究

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(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,四川成都 610081)

膨脹土在我國(guó)分布較為廣泛,它是一種由親水性礦物蒙脫石與伊利石構(gòu)成的高塑性土,具有多裂隙性與強(qiáng)脹縮性的特點(diǎn),一些邊坡工程在此種土質(zhì)下極易造成滑坡或溜坡的問題,影響交通安全。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于膨脹土邊坡失穩(wěn)問題進(jìn)行了大量的研究,但效果并不理想。結(jié)合目前膨脹土邊坡失穩(wěn)的原因,根據(jù)不同的地質(zhì)條件,確定出個(gè)性化的防治研究方案。采用柔性支擋、剛性支擋和植被防護(hù)等多種措施共同進(jìn)行的方案,較為妥當(dāng),可以起到良好的穩(wěn)定性作用效果。

膨脹土;邊坡;穩(wěn)定性;支擋技術(shù);防治

0 引言

膨脹土是一種特殊的土壤品種,對(duì)于環(huán)境中的濕熱變化較為敏感,容易吸水發(fā)生膨脹,失水后又會(huì)嚴(yán)重收縮。目前我國(guó)的廣西、云南、山東與廣東等多達(dá)20多個(gè)省市中都出現(xiàn)有膨脹土。隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的不斷發(fā)展,膨脹土對(duì)公路建設(shè)造成了嚴(yán)重的影響,膨脹土的特性造成公路路基出現(xiàn)穩(wěn)定性偏失,易造成安全隱患。我國(guó)對(duì)于膨脹土穩(wěn)定性的問題研究起步較早,但直到上個(gè)世紀(jì)六十年代才受到廣泛地重視。本文首先對(duì)膨脹土的特性進(jìn)行分析,結(jié)合工程實(shí)例中出現(xiàn)的失穩(wěn)問題提出相關(guān)的改善防治策略,以提高路基穩(wěn)定性,降低膨脹土帶來的安全隱患。

1 膨脹土特征

膨脹土的結(jié)構(gòu)面根據(jù)其形成的原因可以分為原生結(jié)構(gòu)面、次生結(jié)構(gòu)面與構(gòu)造面等。原生是指其在成土過程中弄巧成拙結(jié)構(gòu)面,通過溫度、濕度與構(gòu)造壓密等多種作用與自身的不均勻收縮膨脹而形成的多場(chǎng)應(yīng)力耦合,主要包括沉積層理、不整合面與微波裂隙等。次生結(jié)構(gòu)面是指膨脹土體受載荷作用與風(fēng)化作用等形成的結(jié)構(gòu)面,由原生結(jié)構(gòu)不斷演化而來。構(gòu)造面則是指土體中構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下形成的破裂面或者一些斷層。

膨脹土由于其特殊的工程性質(zhì),其對(duì)工程建筑物造成一定的破壞影響,是一種危害性較高的土質(zhì)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的膨脹土上水工建筑物的穩(wěn)定情況,膨脹土渠道邊坡在施工與運(yùn)行中遇到大量的滑坡現(xiàn)象。這一問題在工程實(shí)踐中較為突出,如我國(guó)南水北調(diào)中線工程陶岔渠首與刁南灌渠與河南信陽南灣灌渠、廣東茂名南盛工業(yè)引水渠、黑龍江引嫩工程等［1］。南陽刁南灌渠在通水以來,分干渠以上渠道總共發(fā)生六十余處滑坡,這些滑坡嚴(yán)重影響灌渠的正常使用,刁南總干渠過水能力減少一半以上,排南分干渠過水能力減少60℅,南分干渠由于滑坡完全不能過水。因此,總結(jié)研究膨脹土渠坡有效的防護(hù)與合理的處理方法是很有必要的。

2 膨脹土邊坡失穩(wěn)形式

膨脹土含有大量的強(qiáng)親水性粘土礦物,吸水性非常高,同時(shí)具有高塑性與快速崩解性、強(qiáng)脹縮性。由于具有這些特性,膨脹土在不同的氣候條件下,將會(huì)產(chǎn)生不同的失穩(wěn)破壞形式。

在膨脹土質(zhì)的公路中,其病害類型主要有路面的波浪變形、路面開裂與濺漿冒泥等,對(duì)于路塹病害,主要是指剝落、沖落、路塹溜塌與路暫滑坡,對(duì)于路堤病害主要是指路堤深陷、路堤塌肩、路堤滑坡等。在水利工程應(yīng)用中,主要是指溝渠滑坡問題。渠道的開挖過程中一些無規(guī)則的土體發(fā)生膨脹或收縮,從而形成大量的裂隙,一旦地表水進(jìn)入到圭體中,將會(huì)造成邊坡的極不穩(wěn)定,甚至引起滑坡現(xiàn)象,最終導(dǎo)致渠道的淤塞。在房屋工程中,膨脹土邊坡失穩(wěn)主要是指開裂與沉降問題。膨脹土邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致建筑物形成不均勻的豎向、水平方向的脹縮變形,造成位移、開裂或其他破壞,在問題出現(xiàn)時(shí)一般以大規(guī)模形式存在,并且多出現(xiàn)在一些低層平房中,危害性非常大［2］。

膨脹土邊坡失穩(wěn)的原因有以下幾種。由于其多裂隙性,裂隙結(jié)構(gòu)體與軟弱結(jié)構(gòu)面將會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的物理力學(xué)效應(yīng),膨脹土的強(qiáng)度大大降低,導(dǎo)致膨脹土邊坡工程地質(zhì)性質(zhì)惡化。膨脹土邊坡的強(qiáng)脹縮性促使在地表水與地下水的動(dòng)態(tài)變化中,土中的水分也會(huì)發(fā)生變化,同時(shí)氣候變化無常,土中的水分會(huì)發(fā)生遷移,熱力傳導(dǎo)可以促進(jìn)土中的水分散發(fā),這些都會(huì)直接引起膨脹土脹縮變形。膨脹土的速崩解性是指其在浸水后體積會(huì)膨脹,在無側(cè)限條件下發(fā)生吸水濕化,強(qiáng)度大大降低。風(fēng)化性是指土體在風(fēng)化應(yīng)力作用下,產(chǎn)生碎裂與泥化的現(xiàn)象,土體結(jié)構(gòu)破壞,強(qiáng)度大為降低［3］。膨脹土的強(qiáng)度衰減性是一種典型的變動(dòng)強(qiáng)度,在峰值時(shí)強(qiáng)度極高而殘余強(qiáng)度極低。這些原因都導(dǎo)致了膨脹土邊坡的失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 膨脹土邊坡失穩(wěn)防治技術(shù)研究

膨脹土滑坡是膨脹土地區(qū)一種常見的邊坡變形和失穩(wěn)問題。無論是自然膨脹土邊坡還是人工開挖的膨脹土路塹、渠道邊坡、人工填筑的堤壩,滑坡現(xiàn)象都時(shí)有發(fā)生。以往對(duì)膨脹土邊坡問題的研究主要取得了如下一些認(rèn)識(shí)膨脹土邊坡滑坡的主要特點(diǎn):

首先是淺層性?；碌纳疃韧?.0 m以內(nèi),甚至更淺一些,一般和大氣影響層或風(fēng)化層深度有關(guān)。其次是平緩性,即滑動(dòng)面往往比較平緩,與坡面相平行或者與水平呈較低的角度。第三是漸進(jìn)性,即滑動(dòng)可能首先從滑坡體最底部開始,一般在這些位置剪應(yīng)力集中,塑性區(qū)首先發(fā)生與發(fā)展,不斷向上擴(kuò)大口由于膨脹土具有應(yīng)變軟化的特性,當(dāng)剪切位移發(fā)展到一定程度時(shí),強(qiáng)度越過峰值而逐漸降低向殘余值方向過渡,這時(shí)滑動(dòng)更易發(fā)生了,另外漸進(jìn)性還表現(xiàn)在牽引式或迭瓦式滑坡的現(xiàn)象,這也是膨脹土地區(qū)滑坡的一個(gè)顯著特征。第四是時(shí)間規(guī)律性,主要是指膨脹土邊坡滑坡的發(fā)生,一般具有明顯的季節(jié)性和間歇規(guī)律。由于膨脹土特性規(guī)律的一個(gè)重要方面,是土體吸水產(chǎn)生膨脹,含水量升高,吸力急劇下降,強(qiáng)度迅速衰減。所以膨脹土邊坡滑坡大多在雨季或渠水(或庫水)驟降時(shí)活動(dòng)最頻繁,發(fā)展最快,其次是春融季節(jié)時(shí),也有一定發(fā)展。因此研究降雨對(duì)滑坡的影響顯得尤為重要。1993年,我國(guó)引進(jìn)了土工合成材料植草護(hù)坡技術(shù),研究了多種土工產(chǎn)品,如三維植被網(wǎng)、土工網(wǎng)等,結(jié)合植草技術(shù)在公路、鐵路與水利工程中的邊坡防護(hù)中得到應(yīng)用。

對(duì)于路堤邊坡的處治方法,一般為換算法、物理化學(xué)改良與封閉包蓋法等。換算法主要是指挖除膨脹土,填充其他土質(zhì),其換算的深度根據(jù)膨脹土的強(qiáng)弱與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件確定。物理化學(xué)改良法主要是利用石灰、水泥或其他的材料與膨脹土發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行的改性處理,從而降低膨脹土的膨脹趨勢(shì),提高強(qiáng)度。封閉包蓋法是指利用非膨脹土進(jìn)行包蓋,一道分層填筑并壓實(shí),包蓋的厚度不低于1.5 m。對(duì)于路塹的處治,首先采用表水防護(hù),一般要設(shè)置多個(gè)排水溝,建立地表排水網(wǎng)系,截排坡面水流,使表水不致滲入到土體中。對(duì)于坡面的防護(hù),其中的骨架護(hù)坡防護(hù)主要有方格架護(hù)坡與拱形骨架護(hù)坡,另外還有人字形骨架護(hù)坡。片石護(hù)坡是一種視剛性結(jié)構(gòu),靠自重與砂漿的粘結(jié)阻止坡面的膨脹變形［4］。另外還有植被護(hù)坡。對(duì)于支擋結(jié)構(gòu)的防護(hù)主要有擋土墻防護(hù)與加筋擋土墻、土釘墻、抗滑樁等。擋土墻防護(hù)主要是指支承路其填土或冊(cè)坡土體、防止填土或土體變形失穩(wěn)的構(gòu)造物。加筋擋土墻是指在膨脹土中增加拉筋,利用拉筋與土體間的摩擦作用,改變土體的變形條件與提高土體的工程特性,從而穩(wěn)定土體。加筋土擋土墻由填料、在填料中布置的拉筋與墻面板三部分組成。抗滑樁是通過穿過滑坡體深入于滑床的樁柱,用以支擋滑體的滑動(dòng)力,以穩(wěn)定邊坡。錨桿作為深土層的受拉構(gòu)件,一般與工程構(gòu)筑物連接,另一端深入邊坡土體中,以阻抗膨脹土變形。噴射混凝土是指采用壓力構(gòu)噴涂灌筑細(xì)石混凝土于膨脹土的坡面,避免風(fēng)化與雨水的浸蝕作用影響。

4 失穩(wěn)防治未來研究趨勢(shì)

隨著對(duì)膨脹土特性與工程實(shí)例應(yīng)用的不斷深入研究,將會(huì)對(duì)其防治從定性化進(jìn)一步完善到定量化。對(duì)于不同的氣候條件下的膨脹土土體中含水量、應(yīng)力與脹縮變形、溫度等時(shí)空耦合關(guān)系進(jìn)一步完善,對(duì)膨脹土的失穩(wěn)特性曲線與傳播性進(jìn)行深入分析,對(duì)于邊坡失穩(wěn)過程中的形式與速度、特征等進(jìn)行時(shí)空耦合關(guān)系研究。隨著現(xiàn)代工程應(yīng)用數(shù)量的不斷增多,要對(duì)膨脹土邊坡失穩(wěn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行研究與完善。為了使邊坡控制技術(shù)獲得更多的科學(xué)性與數(shù)據(jù)性,需要對(duì)預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),從而獲得更加準(zhǔn)確的消息［5］。另外需要對(duì)膨脹土邊坡防治與控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在工程技術(shù)中,由于某些因素,導(dǎo)致計(jì)算方法不合理、參數(shù)選擇不恰當(dāng)時(shí),使一些需要簡(jiǎn)單加固的邊坡卻采用了過于保守的加固方式,造成成本不斷增加。另外有一些存在對(duì)膨脹土認(rèn)識(shí)不清的問題,在加固方案選擇時(shí)無法科學(xué)處理,無法選擇出一種安全要求、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性同時(shí)達(dá)到要求的方案,所以需要對(duì)選擇過程要進(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié)語

膨脹土邊坡是一種復(fù)雜性土質(zhì)邊坡,吸水性強(qiáng),具有多裂隙性,在公路、水利與建筑中都造成了一定的安全隱患。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)于膨脹土邊坡失穩(wěn)與防治的研究不斷完善,能夠?qū)ε蛎浲恋奶卣鬟M(jìn)行準(zhǔn)確把握,根據(jù)不同的地質(zhì)條件、氣候條件、失穩(wěn)基理選擇最為恰當(dāng)?shù)姆乐畏桨浮?/p>

［1］ 金年生.基于十天高速公路的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析［D］.陜西西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

［2］ 羅沖，劉謝伶.膨脹土邊坡失穩(wěn)特點(diǎn)及防治措施研究［J］.紅水河，2011(5):143-146.

［3］ 劉雅君，羅文柯.膨脹土邊坡失穩(wěn)特征與多維防治技術(shù)研究［J］.四川建材，2010(4):87-91.

［4］ 王歡平.晉侯高速芹池鎮(zhèn)至上莊段膨脹土邊坡綜合治理研究［D］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2013.

［5］ 溫世億.膨脹土渠坡若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究［D］.湖北武漢:武漢大學(xué)，2010.

U416.1+4

A

1009-7716(2015)03-0030-03

2014-11-19

向?qū)幉?1987-),男,四川成都人,助理工程師,從事道路設(shè)計(jì)工作。