對土釘支護(hù)邊坡凍脹破壞分析與防治研究

楊 志

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑系，四川 綿陽 621000)

我國北方地區(qū)常年受季節(jié)性凍土影響，季凍土是一種對溫度極為敏感的土體，受地下水和地表水影響，土體強度會不斷降低，支護(hù)區(qū)隨時面臨凍脹和融沉帶來的邊坡變形或失穩(wěn)等危害，致使土釘支護(hù)邊坡以及其他支護(hù)邊坡加固、設(shè)計和治理一直都是難點[1，2]。每年受邊坡凍脹破壞的邊坡事故相對較多，由于邊坡治理和支護(hù)方式多樣化，本文主要探討土釘支護(hù)邊坡受凍脹破壞的影響和防治措施。本文在常規(guī)土釘支護(hù)邊坡基礎(chǔ)上，以季凍土地區(qū)的凍脹力影響分析土釘邊坡因何失穩(wěn)。

1 土釘邊坡發(fā)生凍脹破壞機理

季凍區(qū)土釘邊坡破壞主要以外界水補給或自由水遷徙到某個位置引起的凍脹為主，體積增大約9%，是土釘邊坡坡面產(chǎn)生隆起凍脹破壞主因。其破壞由于土中冰聚合體作用使土體沿冷卻方向的橫向或垂直方向產(chǎn)生凍脹，向冷空氣侵入的邊坡中心軸方向推移，沿著土釘墻面部分的水平方向或垂直方向產(chǎn)生凍脹力，產(chǎn)生坡面裂縫。凍脹作用使邊坡產(chǎn)生的破壞狀態(tài)在有滲水或含水量大的位置引起凍脹破壞最為普遍。

凍結(jié)過程中凍脹現(xiàn)象是一個復(fù)雜的物理、力學(xué)變化過程。而春融期，邊坡土中冰晶體融化，土的密實度減小，又成為土基或土層抗剪承載力降低的原因，土釘?shù)某休d力也隨之降低。一旦土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)加固強度不夠或土體凍脹變形達(dá)到土釘支護(hù)極限值，就會出現(xiàn)融沉、融陷和滑塌等現(xiàn)象[3]。

引起土釘邊坡凍害的因素，主要考慮土質(zhì)、氣溫、土中水、土釘墻承載力等方面。泥石流和山體滑

坡等大多邊坡事故發(fā)生都與水有關(guān)，故治水是治理土釘邊坡凍脹破壞的根本措施。針對分析結(jié)果，受鋼筋混凝土梁啟示，本文提出實際工程中結(jié)合“疏干排水孔群設(shè)置法”，土體凍結(jié)前能排出土體水分，采用土釘墻“雙層鋼筋網(wǎng)法”，使坡體表面鋼筋混凝土厚度增加，加強整體剛度，既達(dá)到置換表面更多土體，又起到保溫隔熱作用，減少土體凍脹厚度。

2 土釘邊坡凍脹階段穩(wěn)定性分析

凍脹階段，土釘邊坡表層隨凍結(jié)深度加深，凍脹引起的土體孔隙率增大，使融化階段土抗剪強度降低，導(dǎo)致土釘支護(hù)邊坡安全系數(shù)降低。隨著凍脹力增大，土釘支撐對邊坡加固起主要作用，土釘墻受力也慢慢增大，兩者之間力呈正相關(guān)[4]。凍脹階段土釘支護(hù)邊坡受力模型用圓弧法進(jìn)行分析，根據(jù)凍土規(guī)律，為便于模型計算作出以下假定：土體水分分布均勻，凍結(jié)層隨溫度變化呈正相關(guān)，則坡體凍結(jié)界面與邊坡表面平行，且凍脹力在凍結(jié)層均勻分；滑移面為一條圓弧滑移線。計算模型見圖1。

圖1 土釘支護(hù)邊坡凍脹破壞圖

計算可得到凍脹階段土釘支護(hù)邊坡安全系數(shù)為

土釘支護(hù)邊坡凍脹階段的穩(wěn)定性驗算，只要確定各參數(shù)，采用危險滑移面進(jìn)行搜索，找到最危險的圓心和滑動面就可以求出最小安全系數(shù)。

3 空隙水壓力變化下土釘支護(hù)邊坡穩(wěn)定性計算分析

采用巖土工程有限元軟件Geo-Studio中Slope/W，Vadose/W，Sigma/W analysis之間耦合，在空隙水壓力變化下，對不同支護(hù)情況邊坡進(jìn)行對比分析。示例為某邊坡土釘支護(hù)高10m，放坡1∶0.2，土釘分6排布置，長7～11m，采用Φ22(HRB335)鋼筋。分析過程分工況1素土邊坡；工況2土釘支護(hù)邊坡；工況3“雙層鋼筋網(wǎng)法”和“疏干排水孔群設(shè)置法”土釘邊坡，對三組工況進(jìn)行模擬分析。

根據(jù)工況3，水位線在12m處，使用SLOPE/W 算出邊坡最小安全系數(shù)為1.290，相應(yīng)土體物理力學(xué)參數(shù)代入前面公式，用Matlab編程輔助計算得最小安全系數(shù)為0.879，計算知該土釘支護(hù)邊坡在未加固情況下較加固后有限元軟件計算結(jié)果偏小，說明建立的凍脹階段安全系數(shù)公式偏保守，其計算模型可運用于一般工程。由表1知無措施素土邊坡不能滿足穩(wěn)定性要求；僅用土釘加固邊坡，空隙水壓力變化下邊坡穩(wěn)定性也不能完全滿足邊坡安全要求，穩(wěn)定性系數(shù)求解偏低。

表1 不同工況下軟件計算的最小安全系數(shù)

采用“雙層鋼筋網(wǎng)法”和“疏干排水孔群設(shè)置法”加固土釘邊坡后，表1中看出其安全系數(shù)明顯提高，邊坡穩(wěn)定性能滿足邊坡安全要求，故在土釘邊坡基礎(chǔ)上再次加固，可有效提高土體凍脹作用下土釘邊坡的穩(wěn)定性和安全度；土釘墻施工過程中“雙層鋼筋網(wǎng)法”與單純的“一層鋼筋網(wǎng)法”相比，其厚度和承載力都有明顯提高，能形成有效的類似于擋土墻的形式，使邊坡進(jìn)一步得到加固；“疏干排水孔群設(shè)置法”不僅有一定的加筋作用，更主要是當(dāng)土釘邊坡土體含水量很高或春融期土體內(nèi)冰融化后，水分能盡快通過疏干排水孔排出邊坡，進(jìn)一步降低邊坡土體含水量，使空隙水壓力能夠下降，減小邊坡土體凍脹量，及融化階段，降低可能出現(xiàn)的融沉危害，從而保證土釘邊坡的穩(wěn)定性，提高其安全度。

4 結(jié) 語

(1)通過分析土釘支護(hù)邊坡凍脹與破壞機理進(jìn)，所謂無水不凍脹不融沉，找出了受凍融影響土釘邊坡根本原因是對水的治理。并建立了土釘支護(hù)邊坡凍脹階段安全穩(wěn)定性計算模型。

(2)提出“疏干排水孔群設(shè)置法”在土體凍結(jié)前能排出土體的水分，“雙層鋼筋網(wǎng)法”使坡體表面鋼筋混凝土厚度增加，既達(dá)到置換表面更多的土體，又起到保溫隔熱作用，減少土體凍脹厚度。

(3)結(jié)合巖土工程和巖土環(huán)境數(shù)值分析軟件Geo-Studio各模塊之間有限元耦合，對土釘邊坡加以數(shù)值模擬分析穩(wěn)定性。分析結(jié)果與建立的計算模型計算結(jié)果相對比，得出在實際工程中采用上述兩種加固方法，能夠有效提高凍脹邊坡的穩(wěn)定性。此外，采用“雙層鋼筋網(wǎng)法”加固土釘邊坡時，建議土釘墻的厚度大于當(dāng)?shù)刈畲笸馏w凍結(jié)深度。