濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性分析與加固技術(shù)研究

中圖分類(lèi)號(hào)TU753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)2096-8949（2025）08-0140-03

0 引言

濕陷性黃土作為特殊的土壤類(lèi)型，具有濕陷性、大孔隙性和較低的力學(xué)強(qiáng)度，在自然因素的作用下，其物理性質(zhì)極易發(fā)生變化，容易導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性急劇下降，進(jìn)而引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[，威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全和工程建設(shè)的正常進(jìn)行。在黃土高原區(qū)域，濕陷性黃土路塹邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題尤為突出。這些地區(qū)在修建公路、鐵路等交通設(shè)施時(shí)，不可避免地會(huì)形成大量的黃土邊坡，此類(lèi)邊坡具有橫截面輪廓長(zhǎng)、寬、高數(shù)值大，工程量巨大等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使邊坡穩(wěn)定性分析和加固技術(shù)成為邊坡工程中的關(guān)鍵技術(shù)難題。然而，由于黃土邊坡內(nèi)部組織復(fù)雜、失穩(wěn)過(guò)程難以預(yù)測(cè)以及不同工程條件下邊坡穩(wěn)定性的差異性，使此類(lèi)邊坡穩(wěn)定性分析和加固設(shè)計(jì)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在該背景下，該研究從工程地質(zhì)學(xué)和土力學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)濕陷性黃土的物理力學(xué)分析對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，完成加固技術(shù)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

依托工程聚焦于濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性分析，項(xiàng)目位于黃土丘陵地帶，區(qū)域經(jīng)濟(jì)潛力待發(fā)掘，既有交通體系以國(guó)省干道及鄉(xiāng)間小路為主，交通不便。項(xiàng)目沿線地形多變，涵蓋黃土臺(tái)塬、溝壑密布區(qū)及少量河谷盆地，地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，不良地質(zhì)現(xiàn)象頻發(fā)，尤以濕陷性黃土滑坡、潛蝕坑及季節(jié)性沖溝為主，加之局部存在活動(dòng)斷裂帶[2]，施工難度與安全風(fēng)險(xiǎn)顯著提升。特殊巖土方面，廣泛分布的強(qiáng)濕陷性粉質(zhì)黃土成為邊坡穩(wěn)定的重大挑戰(zhàn)。

該工程路塹開(kāi)挖深度最大達(dá) 1 5 m ，邊坡高聳，峰值約 5 8 m ，工程中采用多級(jí)臺(tái)階優(yōu)化設(shè)計(jì)，坡比調(diào)整為1 ： 1 . 3 ～ 1 ： 1 . 7 ，每 1 0 m 設(shè)一級(jí)。排水系統(tǒng)優(yōu)化方面，每三級(jí)坡間配置一道高效排水渠，確保水流暢通。邊坡平臺(tái)寬幅介于 4 ～ 1 5 m 之間，以C30鋼筋混凝土強(qiáng)化，厚度為 0 . 3 5 m ，邊坡平臺(tái)設(shè)計(jì)有效增強(qiáng)了邊坡整體穩(wěn)定性與耐久性。

2建立濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性有限元模型 濕陷性黃土路塹邊坡工程的有限元模型如圖1。

該工程模型總高設(shè)定為 5 0 m ，沿垂直方向劃分為六級(jí)，每級(jí)高度約 8 . 3 m ，并設(shè)坡道寬 4 m ，采用 1 ： 1 . 5 的坡比設(shè)計(jì)。為評(píng)估其穩(wěn)定性，采用彈塑性有限元法分析邊坡在加固前后的位移、應(yīng)力變化。通過(guò)細(xì)化的網(wǎng)格劃分捕捉潛在滑移面，利用等效塑性應(yīng)變?cè)茍D精準(zhǔn)定位。模型覆蓋區(qū)域?yàn)?2 4 0 m× 9 0 m× 7 m ，涵蓋三層不同性質(zhì)的黃土層，厚度依次為 2 5 m 、 4 0 m 及 1 5 m ，均簡(jiǎn)化為水平分布以?xún)?yōu)化計(jì)算效率。土體本構(gòu)模型采用鄧肯-張模型，確保分析貼近實(shí)際工況。

在濕陷性黃土路塹邊坡加固的有限元建模中，將邊界條件設(shè)為四周水平約束、底部完全固定。為提升計(jì)算精度，核心采用修正劍橋模型，結(jié)合摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，確保模擬準(zhǔn)確性。該準(zhǔn)則滿(mǎn)足公式：

式中， P ——應(yīng)力狀態(tài)函數(shù) （ P a ） ； τ —剪應(yīng)力 （ P a） ；c —黏聚力（Pa）； θ —內(nèi)摩擦角（°）； σ —垂直于界面的正應(yīng)力（Pa）。構(gòu)建有限元模型時(shí)，納入水位波動(dòng)與極端降雨影響，分析加固效果隨降雨時(shí)長(zhǎng)及入滲深度變化，關(guān)鍵參數(shù)依據(jù)表1調(diào)整，確保模擬貼近實(shí)際工況。

基于有限元模型分析及上述參數(shù)，針對(duì)濕陷性黃土特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果如下表所示：

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可知，在飽和狀態(tài)并遭遇持續(xù)強(qiáng)降雨的工況條件下，邊坡的安全系數(shù)大幅下降至0.92，這一數(shù)值遠(yuǎn)低于安全閾值1，表明邊坡已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，最大水平位移達(dá)到了 5 8 m m ，這一位移進(jìn)一步印證了邊坡的不穩(wěn)定性?；谏鲜鰯?shù)值模擬結(jié)果，可以明確得出邊坡存在明顯滑動(dòng)面的結(jié)論。因此，迫切需要優(yōu)化加固方案，以提升邊坡的穩(wěn)定性。

3濕陷性黃土路塹邊坡加固技術(shù)優(yōu)化

3.1 鋪設(shè)砂礫石

針對(duì)第2章中邊坡存在明顯滑動(dòng)面的情況，本章提出采用濕陷性黃土路塹邊坡的加固技術(shù)。通過(guò)鋪設(shè)砂礫石層的方法，有效增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。對(duì)于濕陷性黃土層深厚、濕陷性顯著的區(qū)域，尤其是當(dāng)濕陷深度超過(guò) 1 2 m ，預(yù)估濕陷量突破 6 0 c m 時(shí)，砂礫石層的鋪設(shè)顯得尤為重要。所以應(yīng)精選粒徑適中、級(jí)配良好的砂礫石材料，依據(jù)邊坡實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的鋪設(shè)厚度，其一般建議不低于濕陷層厚度的 60 % ，以形成堅(jiān)固的持力層，砂礫石材料參數(shù)如表3所示。

施工過(guò)程中應(yīng)控制回填力度與分層厚度，確保砂礫石層結(jié)合，無(wú)空隙，從而提升地基的整體承載力和排水性能。砂礫石層的鋪設(shè)，不光縮短了工期，還因其良好的透水性，緩解了地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的不利影響，避免因地基長(zhǎng)期浸泡而導(dǎo)致的承載能力下降問(wèn)題。此外，針對(duì)邊坡周邊存在的軟土區(qū)域，采用復(fù)合土工膜，結(jié)合砂礫石層的鋪設(shè)，實(shí)現(xiàn)地基的均勻沉降與穩(wěn)定，保障路塹邊坡的整體安全。砂礫石鋪設(shè)在實(shí)施中考慮對(duì)周邊環(huán)境尤其是相鄰建筑物及場(chǎng)地邊坡穩(wěn)定性的影響，采取措施預(yù)防地面沉降或開(kāi)裂。

3.2 設(shè)置錨桿支撐

在完成砂礫石鋪設(shè)后，采用錨桿支撐技術(shù)，有效增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，具體布置如圖2。

錨桿類(lèi)型豐富多樣，依據(jù)錨固深度，分為深埋全長(zhǎng)錨固與淺埋端頭錨固，材料則涵蓋高強(qiáng)鋼筋錨桿、碳纖維復(fù)合錨桿等現(xiàn)代化材料，以及環(huán)保型生物降解錨桿。從受力機(jī)制來(lái)看，分為響應(yīng)性錨桿與主動(dòng)預(yù)應(yīng)力錨桿，前者隨土體變形而受力，后者則預(yù)先施加張力以增強(qiáng)穩(wěn)定性。至于錨固技術(shù)，該項(xiàng)目創(chuàng)新融合了化學(xué)注漿錨固、機(jī)械鎖緊錨固及土壓力平衡錨固等多種手段，確保邊坡穩(wěn)固。

該文利用數(shù)值分析工具GeoStudio，模擬錨桿及錨桿框架梁系統(tǒng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的增強(qiáng)效果。在模擬中，無(wú)論是錨桿、微型樁還是加筋土等加固手段，均引入橫向抗力項(xiàng)至極限平衡模型中，以精準(zhǔn)反映對(duì)潛在滑移面的約束作用。這些橫向力作為關(guān)鍵變量，被納入力與力矩的平衡計(jì)算中，以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

針對(duì)濕陷性黃土的特性，錨桿的極限抗拔力記作 T （N），不僅受錨固段與黃土間界面摩擦特性的影響，還顯著依賴(lài)于錨固段的幾何形態(tài)，如采用變截面擴(kuò)大頭設(shè)計(jì)或螺旋錨等形式，可提升抗拔效能。公式為：

T = μ A × σ + Δ F

式中， μ —界面摩擦系數(shù)； A —錨固段與黃土接觸面積 ）； ——因幾何形態(tài)優(yōu)化而額外獲得的抗拔力增量（N）。

錨桿與黃土間的界面抗剪強(qiáng)度是評(píng)估加固效果的關(guān)鍵。鑒于濕陷性黃土的特殊性，錨桿砂漿與黃土的摩擦阻力小于砂漿對(duì)錨桿的黏結(jié)力，故錨桿的錨固性能取決于黃土層的抗剪特性。黃土層的抗剪強(qiáng)度 （Pa）為：

式中， φ ——錨桿砂漿與黃土的摩擦阻力（Pa）； f （204號(hào)黃土固有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（Pa）。

錨固段與黃土間的抗剪強(qiáng)度常高于理論計(jì)算值，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可視為主要抗力。對(duì)此類(lèi)邊坡，該抗剪強(qiáng)度 值介于 6 0 ～ 1 0 0 k P a 內(nèi)，有效支撐邊坡穩(wěn)定。

3.3 削坡減載

削坡減載通過(guò)削減邊坡的坡頂和坡腰部分，降低邊坡的重量，減少外部荷載，從而提升邊坡的穩(wěn)定性與承載能力。根據(jù)圖紙?jiān)谶吰律蠘?biāo)記如圖3的削坡的邊界線、高程點(diǎn)和坡度變化點(diǎn)，使用油漆、木樁或石灰線等方式進(jìn)行標(biāo)識(shí)，確保施工人員能清晰識(shí)別。

邊坡按設(shè)計(jì)坡度分多層削坡，每層厚度 0 . 5 ～ 1 m ，確保精度和速度。挖掘機(jī)駕駛員依標(biāo)記線和坡度要求謹(jǐn)慎作業(yè)，近設(shè)計(jì)高程時(shí)減速微調(diào)，保證削坡面平整。用推土機(jī)或人工平整，去除不平和棱角。完工后，班組自檢互檢，確保平整度、坡度、高程達(dá)標(biāo)。

4濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性實(shí)例分析

針對(duì)濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)例，首先清理坡面松散土層，依據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，構(gòu)建 4 m 寬的分析平臺(tái)，同時(shí)加固平臺(tái)邊緣以防止邊坡坍塌。利用高精度GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)，設(shè)定分析斷面間距為 1 . 5 m ，采用網(wǎng)格化布局以捕捉變形信息，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4。

收集并測(cè)試當(dāng)?shù)攸S土樣本，結(jié)合外加劑（如聚丙烯酰胺纖維 0 . 5 % 、水泥 12 % ），按優(yōu)化配比（黃土：水泥：纖維 = 8 0 ： 1 2 ： 0 . 5 ， ）預(yù)拌混合土，以備后續(xù)使用。

邊坡加固方案采用預(yù)應(yīng)力錨索，直徑為 3 2 m m 、具備 1 8 6 0 M P a 高強(qiáng)度等級(jí)的鋼絞線材料，其單根設(shè)計(jì)的錨固承載力可高達(dá) 5 0 0 k N 。同時(shí)，配備特制注漿泵，確保漿液（水泥漿：水灰比 0 . 4 ～ 0 . 5 ）均勻注入錨孔。施工期間，為減少對(duì)邊坡土體的二次擾動(dòng)，采用分區(qū)域、逐層加固的方法，確保加固作業(yè)有序進(jìn)行，控制錨索安裝角度誤差在 以?xún)?nèi)，關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表4。

選取布設(shè)的8個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以捕捉邊坡深部應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)。初步數(shù)據(jù)顯示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移變化量作為核心指標(biāo)，工程結(jié)果見(jiàn)表5。

從表4看出，加固技術(shù)實(shí)施后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移均顯著減少，表明加固方案對(duì)控制邊坡沉降起到積極作用。M1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移減少量達(dá)到 5 . 7 m m ，M2至M8監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移減少量均在 至 ，平均減少量接近 6 m m ，驗(yàn)證加固技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性，該次加固技術(shù)滿(mǎn)足濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在完成濕陷性黃土路塹邊坡穩(wěn)定性分析與加固技術(shù)的研究后，該文提出了有效的分析方法和加固技術(shù)，為工程安全提供保障。然而，面對(duì)變化的自然環(huán)境與工程需求，仍需持續(xù)創(chuàng)新，優(yōu)化技術(shù)方案。未來(lái)，期待更多科技力量的加入，共同推動(dòng)濕陷性黃土邊坡工程技術(shù)的進(jìn)步。

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