巖土工程中土體穩(wěn)定性分析與加固措施研究

【摘要】巖土工程是研究土體的力學(xué)性質(zhì)以及土體與結(jié)構(gòu)物相互作用的學(xué)科。土體穩(wěn)定性是巖土工程中的關(guān)鍵問題之一，對(duì)其進(jìn)行分析和研究加固措施對(duì)于確保結(jié)構(gòu)物的安全和可靠性具有重要意義。文中從影響土體穩(wěn)定性因素出發(fā)，系統(tǒng)綜述了巖土工程中土體穩(wěn)定性的分析方法以及各種加固措施，并通過實(shí)例分析來驗(yàn)證其有效性。

【關(guān)鍵詞】巖土工程；土體穩(wěn)定性；分析方法；加固措施

【中圖分類號(hào)】TU457" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2024）02-0134-03

0 引言

土體的穩(wěn)定性是指土體在外力作用下不發(fā)生破壞或失穩(wěn)的能力。土體穩(wěn)定性分析是通過研究土體的力學(xué)特性、地質(zhì)條件和外力作用等因素，來評(píng)估土體的穩(wěn)定性[1]。通過土體穩(wěn)定性分析可以掌握土體的穩(wěn)定狀況，確定土體的承載能力和變形性能。然后根據(jù)土體穩(wěn)定性分析，采取針對(duì)性措施對(duì)土體進(jìn)行加固，可以有效改善土體的力學(xué)性質(zhì)，提高土體的穩(wěn)定性和承載能力。

1 巖土工程中影響土體穩(wěn)定性的因素

在巖土工程中，影響土體穩(wěn)定性的因素主要有地質(zhì)條件、土體力學(xué)特性、土體含水量等因素。

（1）地質(zhì)條件。地質(zhì)條件是影響土體穩(wěn)定性的重要因素之一。包括土壤類型、顆粒組成、含水量、孔隙結(jié)構(gòu)等。不同類型的土壤具有不同的力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性特點(diǎn)，對(duì)土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響[2]。

（2）土體的力學(xué)性質(zhì)。土體的力學(xué)性質(zhì)是指土體的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)參數(shù)。土體的強(qiáng)度決定了其抵抗外部荷載的能力，而剛度則直接影響土體的變形特性。土體的力學(xué)性質(zhì)與土壤類型、顆粒組成、含水量等有關(guān)[3]。

（3）土體的含水量。土體的含水量對(duì)其穩(wěn)定性有重要影響。過高或過低的含水量會(huì)引起土體的膨脹或收縮，導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而降低土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（4）坡面形態(tài)和坡面覆蓋物。巖土邊坡的形態(tài)和覆蓋物也是影響土體穩(wěn)定性的重要因素之一。坡面的形態(tài)參數(shù)如坡度、坡高等直接影響土體的抗滑能力。坡面上的覆蓋物如植被、防護(hù)結(jié)構(gòu)等可以增加土體的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2 巖土工程中土體穩(wěn)定性分析方法

在巖土工程中，用于土體穩(wěn)定性分析的方法有經(jīng)驗(yàn)法、解析法、數(shù)值模擬法、動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)等，選擇方法應(yīng)根據(jù)工程的特點(diǎn)和條件來確定。以下是常見的土體穩(wěn)定性分析方法：

（1）經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法基于已有的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，通過統(tǒng)計(jì)分析大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出一些規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)公式，用于對(duì)土體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。這種方法簡(jiǎn)單易行，適用于一般性較強(qiáng)的工程，但其應(yīng)用范圍受到經(jīng)驗(yàn)公式的局限性所限制。

（2）解析法。解析法是基于物理原理和力學(xué)理論來推導(dǎo)土體穩(wěn)定性方程，并通過解方程得出土體的穩(wěn)定狀況。常見的解析方法包括平衡法、極限平衡法和彈塑性有限元法等。這種方法較為準(zhǔn)確，適用于各種復(fù)雜的工程情況，但需要較高的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)。

（3）數(shù)值模擬法。數(shù)值模擬法是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法，通過建立土體的數(shù)學(xué)模型，采用有限元或邊界元等數(shù)值方法對(duì)土體進(jìn)行模擬和分析。這種方法具有較高的準(zhǔn)確性和靈活性，適用于復(fù)雜的土體結(jié)構(gòu)和荷載條件，但需要較強(qiáng)的計(jì)算能力和模型建立能力。

（4）摩爾-庫侖準(zhǔn)則。摩爾-庫侖準(zhǔn)則是一種常用的土體力學(xué)準(zhǔn)則，用于評(píng)估土體的穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度。它基于附加重力和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系，并通過計(jì)算土體的抗剪強(qiáng)度來進(jìn)行評(píng)估。這種方法適用于飽和、飽和下的土體以及非飽和的粉狀土體[3]。根據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則，土體的抗剪強(qiáng)度可以通過式1表示：

T=C，+σtan（φ，- α）" " " " " " " " " "（1）

式中：T——土體的抗剪強(qiáng)度；

C，——黏聚力；

σ——剪應(yīng)力，即水平方向的應(yīng)力；

φ，——土體的內(nèi)摩擦角；

α——土體顆粒的傾斜角。

摩爾-庫侖準(zhǔn)則的基本假設(shè)是土體的行為服從線性彈性塑性理論，并且土體剪切面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力之間存在一定的線性關(guān)系。在實(shí)際工程中，通常使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，以計(jì)算土體的抗剪強(qiáng)度。然而，摩爾-庫侖準(zhǔn)則也有一些限制。首先，它是建立在一些假設(shè)條件下的經(jīng)驗(yàn)公式，可能不適用于所有土體情況。其次，摩爾-庫侖準(zhǔn)則中忽略土壤顆粒間的微觀力學(xué)行為，無法準(zhǔn)確描述土體內(nèi)部的復(fù)雜變形和破壞過程。因此，在使用摩爾-庫侖準(zhǔn)則進(jìn)行土體穩(wěn)定性評(píng)估時(shí)，應(yīng)結(jié)合其他理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并注意其適用范圍和局限性。同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體工程需求，選擇合適的參數(shù)和方法，以確保準(zhǔn)確評(píng)估土體的穩(wěn)定性。

（5）動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)是一種常用的土體評(píng)估方法，通過施加動(dòng)態(tài)荷載來模擬實(shí)際工程中的荷載條件，并對(duì)土體的穩(wěn)定性進(jìn)行全面評(píng)估。這種試驗(yàn)方法可以提供關(guān)于土體的強(qiáng)度、變形性能和動(dòng)力響應(yīng)等方面的重要信息[4]。

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)時(shí)，通常需要使用特殊設(shè)備和儀器，如振動(dòng)臺(tái)或沖擊裝置。試驗(yàn)過程中，通過施加不同頻率和幅值的動(dòng)態(tài)荷載，可以模擬土體在實(shí)際工程中所受到的振動(dòng)或沖擊荷載。同時(shí)，監(jiān)測(cè)土體的反應(yīng)，如變形、位移、應(yīng)力等，以評(píng)估土體的穩(wěn)定性和承載能力。然而，動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)也存在一些限制。首先，試驗(yàn)所需設(shè)備和儀器成本較高，操作技術(shù)要求較高。其次，試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)受到土體的非線性行為和試驗(yàn)條件的影響，需要結(jié)合其他試驗(yàn)方法和理論分析進(jìn)行綜合評(píng)估。

3 巖土工程中土體加固措施

土體加固是巖土工程中常用的一種措施，旨在提高土體的穩(wěn)定性和承載能力。以下是常見的土體加固措施：

（1）鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁是鉆孔洞后注入鋼筋混凝土形成樁體的一種加固方式，通常是先采用螺旋鉆機(jī)或沖擊鉆在土體中鉆進(jìn)成孔，接著放入鋼筋籠，并灌入水泥漿或者混凝土料來對(duì)土體進(jìn)行加固，進(jìn)而增強(qiáng)土體的承載力及穩(wěn)定性。鉆孔灌注樁適用于各種地質(zhì)條件，包括軟土、巖石等。它能夠在較小的空間內(nèi)提供較大的承載能力，并且對(duì)周圍環(huán)境影響較小。鉆孔灌注樁的優(yōu)點(diǎn)是施工便捷，適用于空間有限的情況[5]。鉆孔灌注樁的施工流程通常包括以下幾個(gè)步驟：

前期準(zhǔn)備：確定施工區(qū)域，并進(jìn)行地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)，確定樁的位置、數(shù)量和尺寸等參數(shù)。準(zhǔn)備施工所需的材料、設(shè)備和人力資源。

確定鉆孔位置：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在施工區(qū)域內(nèi)確定鉆孔的位置，并標(biāo)記出來。

鉆孔：使用鉆機(jī)或其他專用設(shè)備，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆孔作業(yè)。鉆孔深度一般要達(dá)到設(shè)計(jì)要求的標(biāo)高。

清孔：鉆孔完成后，使用水或其他方法將孔內(nèi)的泥漿、碎石等雜質(zhì)清除干凈，保證孔壁的清潔。

安裝鋼筋籠：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將預(yù)先制作好的鋼筋籠安裝到鉆孔中。鋼筋籠要垂直放置，并與孔壁保持一定的距離。

灌注混凝土：將混凝土通過管道或泵送設(shè)備注入鉆孔中，同時(shí)進(jìn)行振搗，確?；炷恋拿軐?shí)性和質(zhì)量。灌注混凝土要充滿整個(gè)鉆孔，并沖洗孔壁。

樁頭處理：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)樁頂進(jìn)行處理，如修整、切割或安裝樁帽等。

（2）摩擦樁。摩擦樁是通過樁身與土壤之間的摩擦力來提供承載能力的一種加固方式，即摩擦樁樁身在荷載作用下，可以跟周圍土體產(chǎn)生很強(qiáng)的摩擦力，進(jìn)而增強(qiáng)土體整體的穩(wěn)定性。摩擦樁通常采用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土制作，按承載性狀分類，可以分為摩擦型樁和端承型樁（見圖1所示）。摩擦樁適用于各種地質(zhì)條件，其優(yōu)點(diǎn)是能夠在較短的施工時(shí)間內(nèi)提供較大的承載能力，并且適用于較大的荷載條件。

摩擦樁工藝流程包括鉆孔、清孔、立管、灌漿、鋼筋、混凝土澆筑、拔管等。

鉆孔：使用鉆機(jī)或其他工具進(jìn)行鉆孔，確定樁的位置和深度。

清孔：清除鉆孔中的泥土、石頭等雜物，保證孔壁的清潔和光滑。

立管：將鋼管或塑料管立入鉆孔中，作為樁的主體。立管的作用是提供樁的縱向支撐和保持樁孔的穩(wěn)定性，同時(shí)也起到了保護(hù)樁孔免受泥土坍塌的作用。

灌漿 ：通過立管向鉆孔中灌注水泥漿或其他漿料，填充孔隙和加固樁身。

鋼筋：在灌漿完成后，將鋼筋穿過立管，增加樁的承載能力。

混凝土澆筑 ：將混凝土倒入鉆孔中，填充整個(gè)樁孔。

拔管：在混凝土凝固后，通過拔管機(jī)械將立管從鉆孔中拔出，留下摩擦樁。

（3）土釘墻。土釘墻是一種以土釘為主要支撐元素的支護(hù)結(jié)構(gòu)（見圖2所示）。在需要加固的土體中預(yù)先鉆孔，然后在孔洞中注入混凝土，與土體形成相互作用，增加土體的內(nèi)聚力和摩擦力。土釘墻能夠有效抵抗土體的滑動(dòng)和傾覆，并提高土體的整體穩(wěn)定性[6]。

土釘墻的施工過程包括以下幾個(gè)步驟：

鉆孔：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在土體中鉆孔，一般采用鉆機(jī)進(jìn)行，確?？锥吹奈恢?、深度和直徑符合設(shè)計(jì)要求。

安裝土釘：將預(yù)先準(zhǔn)備好的土釘插入鉆孔中，通常采用鋼筋或鋼絞線作為土釘材料，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和土體的特性選擇合適的土釘尺寸和長(zhǎng)度。

注漿：在土釘孔洞中注入混凝土漿液，填滿孔洞，與土體形成相互作用，增加土體的內(nèi)聚力和摩擦力。注漿可以采用壓力注漿或重力注漿的方式進(jìn)行，確保注漿質(zhì)量和均勻性。

土釘錨固：為了增加土釘墻的穩(wěn)定性，需要對(duì)土釘進(jìn)行錨固處理，常見的錨固方式包括固定板錨固、錨桿錨固等。

土釘墻面處理：根據(jù)需要，可以對(duì)土釘墻面進(jìn)行處理，包括噴涂防腐、加裝擋土板等，以增加土釘墻的耐久性和美觀性。

土釘墻的設(shè)計(jì)和施工需要根據(jù)具體工程的要求和土體特性進(jìn)行，同時(shí)需要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，確保土釘墻的安全可靠性。在施工過程中，還需要進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè)工作，以及定期維護(hù)和檢修，保證土釘墻的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命。

（4）擋土墻。擋土墻是一種垂直于土體表面設(shè)置的支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過承受土體的側(cè)壓力來增加土體的穩(wěn)定性（見圖3所示）。擋土墻可以采用不同的材料，如混凝土、磚石、鋼筋等。具體設(shè)計(jì)擋土墻時(shí)，需要考慮土體的側(cè)壓力、水平荷載以及擋土墻的自重和穩(wěn)定性。在擋土墻施工時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面：

土體側(cè)壓力：根據(jù)土體的性質(zhì)和水平荷載，確定擋土墻需要承受的側(cè)壓力，從而確定擋土墻的尺寸和強(qiáng)度。

擋土墻自重：擋土墻自身的重量是支撐土體的重要因素，需要合理計(jì)算和考慮，確保擋土墻的穩(wěn)定性。

擋土墻穩(wěn)定性：擋土墻的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析和計(jì)算，確保擋土墻能夠承受土體的側(cè)壓力，不發(fā)生傾斜、滑動(dòng)或崩塌。

4 結(jié)語

綜上所述，土體穩(wěn)定性分析和加固措施研究是巖土工程中重要的環(huán)節(jié)，對(duì)于確保工程的安全和可靠性至關(guān)重要。在土體穩(wěn)定性分析方面，常用的方法包括經(jīng)驗(yàn)法、解析法和數(shù)值模擬法，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的方法進(jìn)行分析。而土體加固措施主要包括鉆孔灌注樁、摩擦樁、土釘墻、擋土墻、護(hù)坡網(wǎng)等，應(yīng)根據(jù)工程的需求和地質(zhì)條件選擇合適的加固措施。綜合考慮各種因素，合理設(shè)計(jì)、實(shí)施土體穩(wěn)定性分析和加固措施，能夠有效提高巖土工程的施工質(zhì)量和工程安全性。

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[作者簡(jiǎn)介]黃雪瓊（1989—），女，廣西合山人，本科，工程師，研究方向：巖土工程。