黃良譽(yù),龔 震,周 成,陳 群,何廷全
(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,四川 成都 610065; 2. 廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)
隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn),施工中遇到的滑坡治理問題日益突出[1]??够瑯毒哂惺┕ず?jiǎn)便、加固效果好、樁位選擇廣、抗滑性能好和能校核底層等諸多優(yōu)點(diǎn)[2],在滑坡治理問題上具有明顯的優(yōu)勢(shì)??够瑯兑搽S工程實(shí)踐的深入而不斷發(fā)展,出現(xiàn)了微型樁[3]、H型抗滑樁[4]、阻滑鍵[5]、埋入式抗滑樁[6]等新型抗滑樁。其中埋入式抗滑樁是一種樁頂標(biāo)高低于滑坡體表面一定深度的懸臂式抗滑樁。相較全長(zhǎng)樁,埋入式抗滑樁懸臂長(zhǎng)度變短,承受的彎矩減小,材料消耗量更為經(jīng)濟(jì),在厚度較大的土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡治理中有顯著的成本優(yōu)勢(shì)[7]。
埋入式抗滑樁也有其局限性,在治理滑帶土和滑體土強(qiáng)度相近的邊坡時(shí),易出現(xiàn)“越頂破壞”現(xiàn)象[8],這在一定程度上限制了埋入式抗滑樁的應(yīng)用和推廣。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開展了埋入式抗滑樁協(xié)同其他措施的可行性研究,以拓寬埋入式抗滑樁的應(yīng)用范圍。例如,鄧剛等[9]研究了不等長(zhǎng)的長(zhǎng)樁與短樁的協(xié)同工作機(jī)制。陶熹等[10]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)短樁組合充分利用了樁體的抗彎性能。王文濤[11]在渝利鐵路滑坡治理中使用了埋入式抗滑樁、抗滑擋墻以及植物護(hù)坡的綜合防治措施,邊坡加固效果較好。馬博恒等[12]利用埋入式抗滑樁和抗滑擋墻的協(xié)同作用解決了平臺(tái)坡體穩(wěn)定性問題。
本文針對(duì)埋入式抗滑樁支護(hù)邊坡時(shí)可能出現(xiàn)的滑體“越頂破壞”現(xiàn)象,利用埋入式抗滑樁的錨拉作用,結(jié)合周成等[13-14]、曾紅艷等[15]研發(fā)的豎向植筋帶護(hù)坡技術(shù),提出一種埋入式抗滑樁錨拉豎向植筋帶加固邊坡的方法。本文設(shè)計(jì)并開展了僅有坡腳透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同坡腳透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同豎向植筋帶聯(lián)合坡腳透水擋墻加固三組邊坡模型降雨滑坡試驗(yàn),以初步檢驗(yàn)埋入式抗滑樁錨拉植筋帶加固邊坡的可行性。
邊坡模型試驗(yàn)針對(duì)重慶武隆地區(qū)的松散坡積土邊坡,邊坡高度為15 m,基巖傾角20°,坡角54°。模型試驗(yàn)必須滿足相似關(guān)系,包括幾何相似、材料相似、應(yīng)力相似等,才能正確反映實(shí)際發(fā)生的現(xiàn)象。本試驗(yàn)假設(shè)材料為各向同性,由于試驗(yàn)條件有限,試驗(yàn)?zāi)P偷脑O(shè)計(jì)主要考慮了幾何相似,填筑材料選取了與邊坡原型土相似的土料。根據(jù)原型的基本參數(shù)以及試驗(yàn)相應(yīng)指標(biāo),采用幾何尺寸(Cl=37.5)、密度(Cρ=1)、重力加速度(Cg=1)作為基本量綱,內(nèi)摩擦角φ(Cφ=1)為無量綱,通過量綱分析法和π定理計(jì)算確定了模型的降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間的相似系數(shù),見表1。
表1 模型相似系數(shù)
邊坡模型的填筑干密度為1.45 g/cm3,土體含水率為5%,內(nèi)摩擦角為30.3°,黏聚力為9.1 kPa,與原型邊坡土體一致。重慶武隆地區(qū)歷史上發(fā)生過8 h內(nèi)降雨量多達(dá)144.1 mm的情況,且Cq=6.1,所以試驗(yàn)降雨強(qiáng)度選定為70 mm/d,以模擬特大型暴雨[16]。本文設(shè)計(jì)并開展了三組邊坡模型試驗(yàn),如表2所示。
表2 邊坡模型試驗(yàn)加固方案
公路邊坡一般采用矩形截面形式的抗滑樁,故模型試驗(yàn)選取截面尺寸為3 cm×4 cm的矩形木樁模擬埋入式抗滑樁,樁身總長(zhǎng)20 cm,模型樁的嵌固段長(zhǎng)度為5 cm,阻滑段為15 cm。在模型的同一橫截面中設(shè)置兩根埋入式抗滑樁,樁間距為25 cm,設(shè)樁位置距離坡腳有30 cm,此點(diǎn)坡積土厚度30 cm;植筋帶選用寬10 mm、厚1.3 mm的加密尼龍織帶,其兩端分別與埋入式抗滑樁、坡面網(wǎng)格梁相連,坡面網(wǎng)格梁選取1 cm×4 cm的木條模擬;透水擋墻選取一種透水性能優(yōu)異的聚氨酯固化碎石板模擬。埋入式抗滑樁-植筋帶-透水擋墻加固的邊坡模型示意圖如圖1所示。
圖1 埋入式抗滑樁-植筋帶-透水擋墻加固的邊坡模型示意圖(單位:cm)
試驗(yàn)裝置由框架式模型槽、傳感器、降雨系統(tǒng)、采集系統(tǒng)及攝影系統(tǒng)4部分組成。模型槽尺寸為200 cm×50 cm×50 cm,骨架為7 cm×3 cm的矩形方鋼,兩側(cè)為透明的鋼化玻璃,底部為2 cm厚的光滑工程塑料板。模型試驗(yàn)使用的傳感器由EC5土壤水分傳感器、吸力傳感器組成。
邊坡制備采取分層填筑、削坡等措施,使模型密度與室內(nèi)試驗(yàn)的土樣密度1.45 g/cm3一致。填筑土料為砂土和黏土的混合料,其物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。
表3 土體物理力學(xué)參數(shù)
預(yù)備每層填土所需土料重量,通過分層填筑擊實(shí)為階梯狀,以保證坡土密度和室內(nèi)試驗(yàn)一致。待模型填筑完畢后,對(duì)階梯狀填筑模型削坡,使其坡度為34°,滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。在填筑植筋帶周圍土體時(shí)需使植筋帶處于拉伸狀態(tài),同時(shí)保證二者緊密接觸。
制模時(shí)在坡體內(nèi)部并排埋設(shè)吸力傳感器和含水率傳感器,以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坡體內(nèi)土水特征變化情況,埋設(shè)點(diǎn)及其編號(hào)如圖2所示。攝影系統(tǒng)負(fù)責(zé)記錄邊坡模型在降雨過程中的坡面侵蝕現(xiàn)象、浸潤(rùn)峰發(fā)展情況和坡面線演化過程。
圖2 傳感器埋設(shè)位置(單位:cm)
通過開展僅有透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡降雨滑坡試驗(yàn)。三組邊坡模型的侵蝕破壞特征由于加固條件的不同而在破壞程度上和演化過程中有所差異。具體試驗(yàn)現(xiàn)象如下:
(1) 降雨初期,僅有透水擋墻加固的邊坡在降雨2 min時(shí)出現(xiàn)片狀侵蝕,到降雨10 min時(shí)從多個(gè)片狀侵蝕發(fā)展為侵蝕淺溝,同時(shí)向邊坡側(cè)面發(fā)展,如圖3(a)所示;埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡坡面在降雨12 min時(shí)出現(xiàn)一條侵蝕階線,并伴隨著小范圍坍塌變形破壞,如圖3(b)所示;埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡在降雨15 min時(shí)侵蝕階線從邊坡兩側(cè)向內(nèi)發(fā)展,如圖3(c)所示。可見,在降雨初期,埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡肩部更易受降雨侵蝕,同時(shí)埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡肩部靠近玻璃兩側(cè)的侵蝕量更大。
圖3 三組邊坡模型在降雨初期的侵蝕破壞特征
(2) 降雨中期,僅有透水擋墻加固的邊坡在降雨25 min時(shí)出現(xiàn)了局部坍塌現(xiàn)象,淺溝不斷向坡頂發(fā)展,如圖4(a)所示;埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡在降雨25 min時(shí)出現(xiàn)多道裂縫,并伴有局部坍塌破壞,如圖4(b)、圖5(a)所示;埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡在降雨30 min時(shí)出現(xiàn)多道裂縫,且裂縫寬度、深度明顯小于埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡,如圖4(c)、圖5(b)所示??梢姡诮涤曛衅?,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡表層坡土被植筋帶約束,侵蝕量變小。
圖4 三組邊坡模型在降雨中期的侵蝕破壞特征
圖5 邊坡頂部的張拉裂縫在降雨中期的側(cè)面觀測(cè)圖
(3) 降雨后期,僅有透水擋墻加固的邊坡在降雨60 min時(shí)發(fā)生大范圍的坍塌變形破壞,于降雨結(jié)束時(shí)形成了一條接近貫穿的沖溝,如圖6(a)所示;埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡在降雨70 min時(shí)發(fā)生大范圍的坍塌變形破壞,無顯著沖溝,如圖6(b)所示;埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡坡面在降雨70 min時(shí)發(fā)生大范圍的坍塌變形破壞,邊坡模型在設(shè)埋入式抗滑樁和植筋帶的中間位置處產(chǎn)生繞樁滑坡變形破壞,如圖6(c)所示??梢姡诮涤旰笃?,埋入式抗滑樁能約束坡體減少進(jìn)一步?jīng)_蝕,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡表層坡體中在植筋帶附近的土體抗侵蝕能力最強(qiáng)。
圖6 三組邊坡模型在降雨結(jié)束時(shí)的侵蝕破壞特征
從上述坡面侵蝕破壞特征可以看出,埋入式抗滑樁在降雨后期可以防止坡體被進(jìn)一步?jīng)_蝕形成明顯的沖溝;植筋帶在降雨初、中期可以有效約束坡面的表層坡土,減輕表層坡土沖蝕程度,在降雨后期依然可以約束其周圍土體,防止其嚴(yán)重侵蝕流失。考慮到塑料植筋帶的抗拉強(qiáng)度有限,可能在實(shí)際工程中存在因滑坡體的下滑力過大導(dǎo)致植筋帶被拉斷的情況,在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)選取有足夠抗拉強(qiáng)度的鋼塑條帶等作為豎向植筋帶。
為了直觀反映降雨邊坡土體內(nèi)的土水特征變化規(guī)律,本文繪制了僅有透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡浸潤(rùn)峰的發(fā)展過程圖,如圖7所示。同時(shí)通過傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)制作了三組加固方案的邊坡模型在降雨作用下的體積含水率-降雨歷時(shí)曲線圖、吸力-降雨歷時(shí)曲線圖,如圖8、圖9所示。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象探究邊坡模型在特大型暴雨作用下的土水特征。
圖7 不同加固條件下的邊坡模型的浸潤(rùn)峰隨時(shí)間的發(fā)展過程(單位:cm)
降雨入滲會(huì)導(dǎo)致土體向飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變,體積含水率和吸力傳感器發(fā)生響應(yīng)后的第一個(gè)拐點(diǎn)為飽和狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):吸力傳感器存在滯后效應(yīng)。另外本次試驗(yàn)中,監(jiān)測(cè)埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡模型的體積含水率傳感器損壞。因此注重分析邊坡模型中坡體內(nèi)部吸力與浸潤(rùn)峰的變化特征。
圖8 邊坡模型的吸力隨降雨歷時(shí)的變化曲線
從圖7可以看出,降雨0~10 min,降雨均勻入滲到邊坡淺層土體,僅有透水擋墻加固的邊坡浸潤(rùn)峰的發(fā)展速度小于其他兩組加固模型;降雨10 min~100 min,埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡肩部及抗滑結(jié)構(gòu)所在位置的浸潤(rùn)峰發(fā)展速度明顯大于坡頂、坡中及以下位置,浸潤(rùn)峰的整體形狀成凹形,僅透水擋墻加固的邊坡則與之相反,浸潤(rùn)峰的整體形狀成凸形;降雨60 min~100 min,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡頂部降雨深度增量為25.62 cm,幾乎是埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻的兩倍,同時(shí)其浸潤(rùn)峰的發(fā)展速度越來越快,可見,在降雨中后期,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡頂部不穩(wěn)定;降雨結(jié)束時(shí),僅有透水擋墻加固的邊坡肩部降雨深度為39.11 cm,坡面中部完全浸潤(rùn),而其余兩組加固方案的邊坡肩部在降雨100 min時(shí)完全浸潤(rùn),坡面中部降雨深度在24.30 cm左右。
僅有透水擋墻加固的邊坡浸潤(rùn)峰的發(fā)展速度明顯小于另外兩組模型,這主要是因?yàn)閮H有透水擋墻模型的坡土容易均勻擊實(shí),而設(shè)置埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻時(shí),邊坡模型在梯級(jí)分步制作過程中坡土擊實(shí)均勻性降低,不密實(shí)的坡土?xí)纬煽焖偃霛B通道,雨水順著植筋帶優(yōu)先入滲到樁周土體則會(huì)加劇這一現(xiàn)象。所以在應(yīng)用埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶支護(hù)邊坡時(shí),需做好坡面防水排水措施。
從圖8、圖9可以看出,降雨初期,降雨入滲到邊坡淺層土體,靠近坡面的體積含水率傳感器(1、5、7、8)幾乎同時(shí)響應(yīng),雨水在重力和水力梯度作用下向坡腳匯集,測(cè)點(diǎn)8吸力傳感器率先響應(yīng),與浸潤(rùn)峰的發(fā)展一致;坡頂?shù)奈鞲衅?2、3)響應(yīng)時(shí)間在埋入式抗滑樁-透水擋墻加固的邊坡中是20 min之前,在埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡中是20 min~40 min之間,說明植筋帶能減緩邊坡頂部的裂隙發(fā)育;埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡植筋帶位置的吸力傳感器(測(cè)點(diǎn)5)的吸力下降時(shí)間明顯提前至測(cè)點(diǎn)7之前,同時(shí)測(cè)點(diǎn)5吸力喪失時(shí)間幾乎與坡腳處(測(cè)點(diǎn)8)一致,說明在植筋帶位置形成了降雨優(yōu)勢(shì)流;坡頂深處的吸力傳感器(測(cè)點(diǎn)3)吸力喪失時(shí)間在埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡中為160 min左右,其余兩組的吸力喪失時(shí)間均在120 min左右。
圖9 邊坡模型的體積含水率隨降雨歷時(shí)的變化曲線
綜上所述,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡模型中植筋帶滲透系數(shù)明顯大于土體滲透系數(shù),雨水會(huì)沿著植筋帶形成快速入滲通道,導(dǎo)致土體吸力較早喪失,不利于邊坡穩(wěn)定。因此在應(yīng)用埋入式抗滑樁錨拉豎向植筋帶技術(shù)時(shí),需做好相關(guān)坡面防水排水措施,避免形成沿豎向植筋帶的降雨優(yōu)勢(shì)流。
通過影像系統(tǒng)記錄邊坡模型在特大型暴雨下的坡面線演化過程,按20 min的時(shí)間間隔繪制僅有透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻、埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻的邊坡模型坡面線,其演化特性也由于加固條件的不同有所差異,如圖10所示。
圖10 不同加固條件下的邊坡模型的坡面線隨時(shí)間的演化過程(單位:cm)(按間隔20 min繪制)
在降雨0~20 min時(shí)段,僅有透水擋墻加固的邊坡坡面線離原始坡面線最近,埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡肩部坡面線為不規(guī)則鋸齒狀且變形較小,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻的邊坡肩部坡面線離原始坡面線較遠(yuǎn)??梢?,三組邊坡模型在降雨初期發(fā)生了不同程度的淺層坡土滑移。
在降雨20 min~40 min時(shí)段,僅有透水擋墻加固的邊坡坡面線離上一級(jí)坡面線最遠(yuǎn),埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡坡面線肩部坍塌且鋸齒狀后移至坡頂位置,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡坡面線也出現(xiàn)不規(guī)則鋸齒狀??梢?,在降雨中期,僅有透水擋墻加固的邊坡已經(jīng)發(fā)生了淺層滑坡,其余兩組加固方案的邊坡淺層坡土只是發(fā)生進(jìn)一步滑移。
在降雨40 min~60 min時(shí)段,僅有透水擋墻加固的邊坡坡面線除接近坡腳以外的坡面線明顯下移,埋入式抗滑樁協(xié)同豎向植筋帶和坡腳透水擋墻加固的邊坡頂部坡面線下移距離是7.27 cm,埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固方案是3.64 cm。可見,在降雨中后期,透水擋墻加固的邊坡依舊發(fā)生了坡土滑移;埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡頂部穩(wěn)定性明顯差于埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡,其坡體頂部的滑移量幾乎是埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固方案的兩倍,這說明需要加強(qiáng)坡面防水以便減小沿著豎向植筋帶的優(yōu)先流。
在降雨60 min~80 min時(shí)段,僅有透水擋墻加固的邊坡只有坡中位置凹陷,埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡頂部坡面線下移且不規(guī)則鋸齒狀消失,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡坡面線幾乎不變??梢姡诮涤旰笃?,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶加固的邊坡淺層坡土幾乎沒有滑移,在三者中最為穩(wěn)定;從圖11可以看出,在降雨結(jié)束時(shí),埋入式抗滑樁協(xié)同豎向植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固的邊坡中部坡面線下降距離為2.92 cm,埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的邊坡坡面線多下降了7.13 cm,而僅有透水擋墻加固的邊坡相較于埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固方案又多下降了8.39 cm。
圖11 降雨結(jié)束時(shí)三組加固工況的邊坡坡面線(單位:cm)
結(jié)合上述坡面線演化特征可知,埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶透水擋墻固土效果最佳,其坡體中部坡面沉陷是埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固邊坡的30%左右,僅有透水擋墻加固邊坡的15%左右;變形破壞主要集中于降雨中期,集中于邊坡頂部;其加固機(jī)理是埋入式抗滑樁加固深層坡土,豎向植筋帶加筋淺層坡土以增強(qiáng)其抗剪性能,受到下滑推力作用的植筋帶處于拉伸狀態(tài),兩端分別拉著埋入式抗滑樁、坡面網(wǎng)格梁,坡面網(wǎng)格梁受到植筋帶拉力會(huì)對(duì)坡面土體產(chǎn)生一個(gè)壓力,有效防止邊坡淺層坡土滑移。
(1) 埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶加固邊坡的內(nèi)在機(jī)理為埋入式抗滑樁加固深層坡土,豎向植筋帶加筋淺層坡土以增強(qiáng)其抗剪性能,同時(shí)受到下滑推力的植筋帶處于拉伸狀態(tài),植筋帶兩端分別拉著埋入式抗滑樁、坡面網(wǎng)格梁,而坡面網(wǎng)格梁受到植筋帶拉力會(huì)對(duì)邊坡土體產(chǎn)生一個(gè)壓力,使淺層坡土處于壓剪組合受力狀態(tài),起到邊坡綜合治理加固的作用。
(2) 植筋帶滲透系數(shù)大于土體滲透系數(shù),雨水會(huì)沿著植筋帶形成快速入滲通道,在植筋帶加固位置形成降雨優(yōu)勢(shì)流,導(dǎo)致坡體內(nèi)部吸力喪失提前,不利于邊坡穩(wěn)定。因此在應(yīng)用植筋帶支護(hù)淺層坡土?xí)r,應(yīng)選取合適的坡面防水排水措施,以取得更好的加固效果。
(3) 埋入式抗滑樁協(xié)同植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固邊坡效果最佳,其抗滑結(jié)構(gòu)所在坡體中部的坡面線沉陷量是埋入式抗滑樁協(xié)同透水擋墻加固的30%左右,僅有透水擋墻加固的15%左右。在實(shí)際工程中,在坡表設(shè)置排水溝、截水溝以及在坡內(nèi)設(shè)置排水孔與排水洞等措施,本文的技術(shù)方案的加固效果會(huì)更佳。