高含水區(qū)域膨脹土邊坡失穩(wěn)特性與處理技術(shù)研究

高樹鑫 張雙雙

第一作者簡介：高樹鑫（1996-），男，碩士。研究方向為邊坡設(shè)計。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.044

摘? 要：高含水區(qū)域的膨脹土邊坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害形式，其失穩(wěn)性對于工程建設(shè)和地質(zhì)環(huán)境具有重要影響。該研究旨在探究高含水區(qū)域膨脹土邊坡的失穩(wěn)特性，并提出相應(yīng)的處理技術(shù)。通過實際工程調(diào)查，分析高含水區(qū)域膨脹土邊坡的失穩(wěn)特性和力學(xué)性能。結(jié)合現(xiàn)有的加固處理技術(shù)，提出適用于高含水區(qū)域膨脹土邊坡的處理方法，包括土體排水降濕、邊坡加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工等內(nèi)容。研究表明，高含水條件下膨脹土的含水量增加會導(dǎo)致其體積膨脹和強度降低，從而增加邊坡失穩(wěn)風(fēng)險。采用排水降濕法可以有效降低高含水區(qū)域膨脹土邊坡的失穩(wěn)風(fēng)險，保障工程建設(shè)的安全和可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高含水區(qū)域；膨脹土邊坡；邊坡失穩(wěn)；處理技術(shù)；排水降濕法

中圖分類號：TU443? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0189-04

Abstract： Expansive soil slope in high water cut area is a common form of geological disaster， and its instability has an important impact on engineering construction and geological environment. The purpose of this study is to explore the instability characteristics of expansive soil slope in high water cut area， and put forward the corresponding treatment technology. Through the actual engineering investigation， the instability characteristics and mechanical properties of expansive soil slope in high water cut area are analyzed. Based on the existing reinforcement technology， the treatment method suitable for expansive soil slope in high water cut area is put forward， including soil drainage and humidity reduction， slope reinforcement structure design and construction and so on. The study shows that the increase of water content of expansive soil under the condition of high water content will lead to its volume expansion and strength decrease， thus increasing the risk of slope instability. The method of dehumidification by drainage can effectively reduce the instability risk of expansive soil slope in high water cut area and ensure the safety and sustainable development of engineering construction.

Keywords： high water cut area; expansive soil slope; slope instability; treatment technology; drainage moisture reduction method

隨著人類社會的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，工程建設(shè)的規(guī)模越來越大，涉及的地質(zhì)環(huán)境也日益復(fù)雜多變。膨脹土分布地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境較為脆弱，人類工程活動頻繁，同時水力作用較為劇烈，導(dǎo)致了膨脹土邊坡容易發(fā)生滑坡失穩(wěn)問題。其中，高含水區(qū)域膨脹土邊坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害形式。高含水膨脹土邊坡的穩(wěn)定性受到水分變化的影響較大，一旦土壤失去穩(wěn)定性，可能引發(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，對于工程建設(shè)和地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性和安全性帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]。每年由于膨脹土滑坡災(zāi)害所造成的經(jīng)濟損失都超過數(shù)百億元，膨脹土滑坡不僅對當(dāng)?shù)厝司迎h(huán)境安全和社會穩(wěn)定產(chǎn)生影響，還對大型能源基地、水利設(shè)施、高速鐵路、高速公路等重大工程的安全運營帶來威脅。因此，膨脹土滑坡災(zāi)害的防治已經(jīng)成為需要解決的難題。目前，對于膨脹土滑坡和工程邊坡的水力作用機理、失穩(wěn)滑動特征和安全性分析還存在認(rèn)識上的不足，同時在膨脹土滑坡防治工程的新型材料和新技術(shù)方面的發(fā)展也相對滯后。因此，對高含水區(qū)域膨脹土邊坡的失穩(wěn)特性與處理技術(shù)進(jìn)行深入研究具有重要的理論和實際意義。

高含水區(qū)域膨脹土邊坡失穩(wěn)問題主要源于土壤中的含水量異常增加所導(dǎo)致的體積膨脹和力學(xué)性能變化，使得高含水區(qū)域膨脹土邊坡面臨著較高的失穩(wěn)風(fēng)險和工程安全隱患。針對此類問題的傳統(tǒng)處理方法包括加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工等[3-4]。然而，由于高含水條件下膨脹土的特殊性質(zhì)和復(fù)雜性，這些傳統(tǒng)方法在實際應(yīng)用中存在一定的局限性和挑戰(zhàn)。因此，有必要深入研究高含水區(qū)域膨脹土邊坡的失穩(wěn)特性，并探索適用于該類地質(zhì)環(huán)境的創(chuàng)新處理技術(shù)。當(dāng)前高含水膨脹土邊坡失穩(wěn)特性與處理技術(shù)的研究主要集中在物理性質(zhì)、排水措施和加固技術(shù)等方面。未來的研究方向應(yīng)該進(jìn)一步深入研究不同治理方法的效果和持續(xù)性，探索更加可靠和經(jīng)濟的治理技術(shù)，以確保高含水膨脹土邊坡的安全穩(wěn)定，為工程實踐提供重要的理論和技術(shù)支撐。本論文旨在深入研究高含水區(qū)域膨脹土邊坡的失穩(wěn)特性，并針對其特點提出相應(yīng)的處理技術(shù)，為高含水區(qū)域膨脹土邊坡的處理技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化提供參考。

1? 高含水區(qū)域膨脹土邊坡失穩(wěn)特性分析

1.1? 膨脹土的特性與力學(xué)行為

膨脹土是一種在吸濕或濕潤條件下會產(chǎn)生明顯體積變化的土壤，表現(xiàn)出的主要特征包括吸濕膨脹和干縮，這2個方面對膨脹土的穩(wěn)定性有著重要影響。吸濕膨脹是指當(dāng)膨脹土遇到水分時，水分會填充土壤顆粒間的空隙，從而增加了顆粒之間的吸引力，導(dǎo)致土壤體積膨脹。這主要是因為水分分子與土壤顆粒表面存在一定的吸附作用，使得土壤顆粒之間的間隙被填充。吸濕膨脹過程中，土壤中的顆粒會向外擴張，致使土體體積增大。這種現(xiàn)象在某些地區(qū)的膨脹土非常顯著，甚至可以引發(fā)建筑物的損壞。

干縮是指在干燥條件下，膨脹土?xí)l(fā)生體積縮小的現(xiàn)象。當(dāng)膨脹土失去水分時，土壤中的吸附水分子會逐漸脫離土壤顆粒，導(dǎo)致顆粒之間的吸引力減弱，土壤體積隨之收縮。干縮是由于水分所提供的膠結(jié)力減弱而引起的。這種干縮現(xiàn)象在干旱地區(qū)尤為明顯，會導(dǎo)致土壤的龜裂和不穩(wěn)定。這種吸濕膨脹和干縮現(xiàn)象往往是膨脹土失穩(wěn)的重要原因之一，當(dāng)膨脹土在吸濕過程中發(fā)生體積增大時，其對周圍環(huán)境的影響可能會引起地基的變形和建筑物的沉降。而在干燥條件下，膨脹土的干縮現(xiàn)象會導(dǎo)致土壤的體積變小，從而可能引發(fā)土體的開裂和破壞。這些問題對于基礎(chǔ)工程和土木建筑來說都是非常重要的考慮因素。為了解決膨脹土帶來的問題，人們采取了一系列的措施。例如，在建筑物的基礎(chǔ)設(shè)計中，可以通過使用深基礎(chǔ)、改良土壤、施加預(yù)應(yīng)力等方法來減少膨脹土的影響。

1.2? 高含水條件下膨脹土特性與變化

高含水條件下，水分填充土壤顆粒間的空隙，減弱了土壤內(nèi)聚力，使得強度顯著降低，但膨脹土的壓縮性增加。水分對土壤顆粒之間的支撐作用降低，導(dǎo)致土壤體積發(fā)生更大程度的壓縮變形。由于水分填充了顆粒間的空隙，形成連通的孔隙系統(tǒng)，使得高含水條件下膨脹土的滲透性明顯增加，有利于水分的遷移和排泄。同時，這也增加了邊坡土體液化和流動的風(fēng)險，增加了邊坡失穩(wěn)的可能性。這些特性和力學(xué)行為對邊坡的穩(wěn)定性起著重要的作用，需要在處理高含水區(qū)域膨脹土邊坡失穩(wěn)問題時充分考慮。

1.3? 高含水區(qū)域膨脹土邊坡失穩(wěn)機理及評價指標(biāo)

水文地質(zhì)條件：高含水區(qū)域的地質(zhì)條件往往具有較高的含水層、多年積聚的地下水或地質(zhì)構(gòu)造中存在水體等特點。例如膨脹土邊坡底部存在溶洞或水源，會導(dǎo)致大量水分滲入土體中，增加土體的飽和度，引發(fā)土體液化或減弱土體的抗剪強度，引發(fā)邊坡失穩(wěn)。土體飽和度變化：高含水膨脹土在不同飽和度下的力學(xué)特性不同，尤其是在飽和和非飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變時，會引發(fā)邊坡的失穩(wěn)。在高含水區(qū)域，土壤表面通常受到雨水浸泡或水流沖刷，導(dǎo)致土體飽和度的變化。當(dāng)土體飽和度增加時，土壤顆粒之間的膠結(jié)力減弱，土體的內(nèi)聚力和抗剪強度降低，從而增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。滲流作用：高含水區(qū)域的膨脹土容易產(chǎn)生大量的滲流，這會改變土體的內(nèi)部水力狀態(tài)。當(dāng)大量水分在邊坡土體內(nèi)部積聚時，會增加土體的重量，同時也會對土體施加一定的水力壓力。水力壓力的存在會削弱土體的抗剪強度，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。土體的強度特性：高含水膨脹土的強度特性通常較差，容易發(fā)生剪切破壞或塌方。高含水膨脹土對外界應(yīng)力的敏感度較高，當(dāng)受到邊坡自重、地震或其他荷載作用時，土體的強度會顯著降低，從而引發(fā)邊坡的失穩(wěn)。季節(jié)性變化引起的邊坡穩(wěn)定性變化：在雨季或濕潤季節(jié)，土壤含水量增加，邊坡土體的稠度降低，導(dǎo)致邊坡整體的穩(wěn)定性減弱。而在干燥季節(jié)，土壤含水量減少，邊坡土體的稠度增加，邊坡的穩(wěn)定性相對改善。此外，局部滲流和浸潤引起的侵蝕和削弱：高含水邊坡的局部區(qū)域常常受到地震、洪澇、凍融等自然力因素的影響，這些外力作用會使得土體發(fā)生變形、裂縫、孔隙度改變等，破壞土體的穩(wěn)定性，從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)。

在研究高含水區(qū)域膨脹土邊坡的失穩(wěn)特性時，常用的評價指標(biāo)包括滑動安全系數(shù)、變形性態(tài)以及邊坡變形與裂縫?；瑒影踩禂?shù)考慮邊坡整體和局部的滑動穩(wěn)定性，通過計算判斷邊坡滑動風(fēng)險。變形性態(tài)監(jiān)測和分析可以揭示邊坡內(nèi)部土體的變形機理，評估穩(wěn)定性。變形與裂縫作為失穩(wěn)前兆跡象，通過觀察和測量邊坡變形與裂縫情況，及時發(fā)現(xiàn)潛在失穩(wěn)問題，并進(jìn)行治理加固。綜合利用這些指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確評估，可為保障邊坡安全可靠性提供依據(jù)，制定相應(yīng)處理技術(shù)和措施。

2? 高含水區(qū)域膨脹土邊坡處理技術(shù)

2.1? 傳統(tǒng)處理方法

在實際工程中，應(yīng)綜合考慮土壤類型、水文地質(zhì)條件、工程要求等因素來選擇合適的處理方法。目前，工程中處理高含水區(qū)域膨脹土邊坡穩(wěn)定問題的處理方法主要為改良土體，通過添加石灰、水泥等摻合料或添加化學(xué)藥劑來改變高含水區(qū)域膨脹土的物理和化學(xué)性質(zhì)，以此增加土壤的強度和穩(wěn)定性[5]。而對于邊坡土體較弱的部分，可以采用襯砌結(jié)構(gòu)來增加邊坡的穩(wěn)定性。在排水方面，可采用側(cè)向排水和底部排水的方法，通過排出土壤內(nèi)的水分來降低水壓力，減小土體重量，提高穩(wěn)定性。表面渠化也是一種有效的排水手段。加筋加固是提高邊坡穩(wěn)定性的重要手段，包括錨桿加固、植物加固和加筋框架等。通過預(yù)應(yīng)力錨桿固定土體，增加植物根系的黏結(jié)力，或設(shè)置鋼筋框架來增強土體的強度和穩(wěn)定性。此外，邊坡抗?jié)B防護(hù)也至關(guān)重要，可采用防滲層和壓實加固等方法來減少水分滲透和侵蝕。在土體表面提高植被覆蓋率，可以減少土壤表面的水分蒸發(fā)，降低高含水區(qū)域邊坡的水分含量。傳統(tǒng)的處理技術(shù)在實際工程中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。隨著科技的進(jìn)步，未來可能會有更多創(chuàng)新和有效的處理方式出現(xiàn)。

2.2? 相關(guān)加固結(jié)構(gòu)的原理及特點

高含水區(qū)域的膨脹土邊坡失穩(wěn)問題是一項常見但嚴(yán)重的工程安全隱患。為了加固和穩(wěn)定這些邊坡，可以采用多種原理和特點的加固結(jié)構(gòu)。排水降濕原理采用水平或垂直排水井，以減小土體的飽和度，降低膨脹土的含水量，從而減緩邊坡的膨脹變形和失穩(wěn)。加固土體機械性能改善原理通過增強抗剪強度和抗滑穩(wěn)定性，采用鋼筋混凝土墻、噴射混凝土覆蓋層或土體改良劑等方式來提高土體的抗剪能力，增加邊坡的穩(wěn)定性。減輕自重原理通過在邊坡上設(shè)置輕質(zhì)填料、減重材料，減輕邊坡的自重以降低對膨脹土的壓實作用，減少因自重引起的邊坡滑動和失穩(wěn)。地下排水原理設(shè)置地下排水系統(tǒng)，通過排水管或排水井將過量的地下水排出，降低土體飽和度，減少膨脹土的膨脹性。防護(hù)結(jié)構(gòu)原理通過在邊坡表面設(shè)置防護(hù)結(jié)構(gòu)，如鋼絲網(wǎng)、錨桿、擋墻等，增加邊坡的抗滑安全系數(shù)，通過在土體內(nèi)設(shè)置錨桿，并與土體連接，提高整體抗拉強度，確保邊坡在各種荷載條件下都能保持穩(wěn)定，有效抵抗邊坡的滑動和變形。柵欄網(wǎng)結(jié)構(gòu)原理通過鋼筋網(wǎng)格和土工合成材料組成的結(jié)構(gòu)，增加土體內(nèi)聚力。植被加固原理通過植物的根系系統(tǒng)牢固地固結(jié)膨脹土，形成根織物，增加整體抗滑強度。減少水力影響原理通過修建溝渠或排水溝等方式，將外部水流遠(yuǎn)離邊坡區(qū)域，減少沖刷和侵蝕，提高邊坡的穩(wěn)定性。實施定期巡查和養(yǎng)護(hù)工作，及時發(fā)現(xiàn)并處理邊坡上的變形跡象、裂縫或其他問題，避免失穩(wěn)事故的發(fā)生。

3? 高含水區(qū)域膨脹土邊坡處理技術(shù)應(yīng)用分析

3.1? 工程概況及數(shù)據(jù)采集

鄭州市某道路工程位于高含水膨脹土地帶，邊坡工程涉及范圍內(nèi)部土體大多為膨脹性黏土，其中邊坡高度約20 m，邊坡坡度30°。表1給出了土壤主要物理力學(xué)特性參數(shù)。因工程規(guī)模較大，且降雨量不斷增加，為防止邊坡滑坡和塌方，需要采取多種措施確保工程安全。

表1? 土壤主要物理力學(xué)特性參數(shù)

3.2? 排水降濕技術(shù)和施工方案

制定土體技術(shù)處理方法前需要對邊坡及其周圍地形進(jìn)行勘測，獲得邊坡的幾何結(jié)構(gòu)和地質(zhì)情況等信息，設(shè)計時需要考慮到地下水位、雨量等因素，排水降濕技術(shù)設(shè)計流程圖如圖1所示。同時現(xiàn)場人員清理邊坡表面的植被、雜物等，使得施工區(qū)域清晰可見，以便安裝排水系統(tǒng)并確保其正常運行。如有需要，可以進(jìn)行斜坡切割或者平整。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，合理布置排水系統(tǒng)，可以采用水平、垂直或傾斜布置的排水管道網(wǎng)絡(luò)。確定好施工方案后，展開具體設(shè)計環(huán)節(jié)的施工建設(shè)，針對邊坡土體的特點，設(shè)計了導(dǎo)流排水系統(tǒng)。根據(jù)工程的實際地理位置和氣候區(qū)域，設(shè)置基礎(chǔ)的表層排水措施，避免降雨影響導(dǎo)致的雨水積聚，并在邊坡的上部增設(shè)了泄水槽和泄水溝，將邊坡上部降雨收集后進(jìn)行排放，避免積水造成土壤過飽和。

圖1? 排水降濕技術(shù)設(shè)計流程圖

為了提高工程的安全性，采取了排水降濕技術(shù)。高含水區(qū)域膨脹土邊坡排水降濕技術(shù)是指通過在邊坡土壤中設(shè)置導(dǎo)流排水系統(tǒng)或其他排水措施，控制和降低土壤內(nèi)部的水分含量，以減小土壤的膨脹和收縮，提高土壤的穩(wěn)定性和抗滑能力。通過排水系統(tǒng)將土壤內(nèi)部的自由水或過剩毛細(xì)水排出邊坡，使土壤處于飽和-不飽和狀態(tài)之間，降低土壤的含水率，控制土壤膨脹和收縮的變形和應(yīng)力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。

針對上述情況進(jìn)行模擬，如圖2所示給出了降雨過程的示意圖，圖3為干濕循環(huán)次數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響。從圖3中可以看出，當(dāng)考慮膨脹變形時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fs顯著減小。僅2次干濕循環(huán)后，邊坡即失穩(wěn)破壞。在降雨作用下，風(fēng)化層土體吸濕膨脹發(fā)生較大的向邊坡外側(cè)的位移，并在下半邊坡的淺層首先出現(xiàn)局部滑動。坡腳淺層滑塌后，上部的土體失去支持力，隨后發(fā)生牽引式滑動?；瑒用娴纳疃群头秶粩嘣黾?，多次滑動后，最終坡腳出現(xiàn)層疊狀的破壞形態(tài)，這與膨脹土滑坡特有的淺層性、牽引性和多次發(fā)生性相符合。

圖2? 降雨過程

圖3? 干濕循環(huán)對邊坡穩(wěn)定性的影響

4? 結(jié)論

本論文深入研究了高含水區(qū)域膨脹土邊坡的失穩(wěn)特性與處理技術(shù)。結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及分析，得出主要結(jié)論如下。

1）高含水區(qū)域膨脹土邊坡存在明顯的失穩(wěn)風(fēng)險。在高含水條件下，土壤顆粒之間的結(jié)構(gòu)相互作用受到水分的顯著影響，導(dǎo)致土壤強度明顯降低，而滲透性和固結(jié)性能也發(fā)生顯著變化。這些因素使得高含水區(qū)域膨脹土邊坡易發(fā)生變形和破壞。

2）排水降濕是處理高含水區(qū)域膨脹土邊坡失穩(wěn)問題的重要手段。通過合理設(shè)計和施工排水系統(tǒng)，可以有效降低土壤含水量，提高土壤的抗剪強度和穩(wěn)定性。排水降濕對于控制高含水膨脹土邊坡的變形和破壞具有重要作用。

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