膨脹土邊坡失穩(wěn)與防治研究

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(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司,四川成都 610081)

膨脹土邊坡失穩(wěn)與防治研究

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(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司,四川成都 610081)

膨脹土在我國分布較為廣泛,它是一種由親水性礦物蒙脫石與伊利石構(gòu)成的高塑性土,具有多裂隙性與強脹縮性的特點,一些邊坡工程在此種土質(zhì)下極易造成滑坡或溜坡的問題,影響交通安全。目前國內(nèi)外對于膨脹土邊坡失穩(wěn)問題進行了大量的研究,但效果并不理想。結(jié)合目前膨脹土邊坡失穩(wěn)的原因,根據(jù)不同的地質(zhì)條件,確定出個性化的防治研究方案。采用柔性支擋、剛性支擋和植被防護等多種措施共同進行的方案,較為妥當,可以起到良好的穩(wěn)定性作用效果。

膨脹土;邊坡;穩(wěn)定性;支擋技術(shù);防治

0 引言

膨脹土是一種特殊的土壤品種,對于環(huán)境中的濕熱變化較為敏感,容易吸水發(fā)生膨脹,失水后又會嚴重收縮。目前我國的廣西、云南、山東與廣東等多達20多個省市中都出現(xiàn)有膨脹土。隨著我國交通運輸事業(yè)的不斷發(fā)展,膨脹土對公路建設(shè)造成了嚴重的影響,膨脹土的特性造成公路路基出現(xiàn)穩(wěn)定性偏失,易造成安全隱患。我國對于膨脹土穩(wěn)定性的問題研究起步較早,但直到上個世紀六十年代才受到廣泛地重視。本文首先對膨脹土的特性進行分析,結(jié)合工程實例中出現(xiàn)的失穩(wěn)問題提出相關(guān)的改善防治策略,以提高路基穩(wěn)定性,降低膨脹土帶來的安全隱患。

1 膨脹土特征

膨脹土的結(jié)構(gòu)面根據(jù)其形成的原因可以分為原生結(jié)構(gòu)面、次生結(jié)構(gòu)面與構(gòu)造面等。原生是指其在成土過程中弄巧成拙結(jié)構(gòu)面,通過溫度、濕度與構(gòu)造壓密等多種作用與自身的不均勻收縮膨脹而形成的多場應(yīng)力耦合,主要包括沉積層理、不整合面與微波裂隙等。次生結(jié)構(gòu)面是指膨脹土體受載荷作用與風化作用等形成的結(jié)構(gòu)面,由原生結(jié)構(gòu)不斷演化而來。構(gòu)造面則是指土體中構(gòu)造應(yīng)力場的作用下形成的破裂面或者一些斷層。

膨脹土由于其特殊的工程性質(zhì),其對工程建筑物造成一定的破壞影響,是一種危害性較高的土質(zhì)。根據(jù)國內(nèi)外的膨脹土上水工建筑物的穩(wěn)定情況,膨脹土渠道邊坡在施工與運行中遇到大量的滑坡現(xiàn)象。這一問題在工程實踐中較為突出,如我國南水北調(diào)中線工程陶岔渠首與刁南灌渠與河南信陽南灣灌渠、廣東茂名南盛工業(yè)引水渠、黑龍江引嫩工程等［1］。南陽刁南灌渠在通水以來,分干渠以上渠道總共發(fā)生六十余處滑坡,這些滑坡嚴重影響灌渠的正常使用,刁南總干渠過水能力減少一半以上,排南分干渠過水能力減少60℅,南分干渠由于滑坡完全不能過水。因此,總結(jié)研究膨脹土渠坡有效的防護與合理的處理方法是很有必要的。

2 膨脹土邊坡失穩(wěn)形式

膨脹土含有大量的強親水性粘土礦物,吸水性非常高,同時具有高塑性與快速崩解性、強脹縮性。由于具有這些特性,膨脹土在不同的氣候條件下,將會產(chǎn)生不同的失穩(wěn)破壞形式。

在膨脹土質(zhì)的公路中,其病害類型主要有路面的波浪變形、路面開裂與濺漿冒泥等,對于路塹病害,主要是指剝落、沖落、路塹溜塌與路暫滑坡,對于路堤病害主要是指路堤深陷、路堤塌肩、路堤滑坡等。在水利工程應(yīng)用中,主要是指溝渠滑坡問題。渠道的開挖過程中一些無規(guī)則的土體發(fā)生膨脹或收縮,從而形成大量的裂隙,一旦地表水進入到圭體中,將會造成邊坡的極不穩(wěn)定,甚至引起滑坡現(xiàn)象,最終導(dǎo)致渠道的淤塞。在房屋工程中,膨脹土邊坡失穩(wěn)主要是指開裂與沉降問題。膨脹土邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致建筑物形成不均勻的豎向、水平方向的脹縮變形,造成位移、開裂或其他破壞,在問題出現(xiàn)時一般以大規(guī)模形式存在,并且多出現(xiàn)在一些低層平房中,危害性非常大［2］。

膨脹土邊坡失穩(wěn)的原因有以下幾種。由于其多裂隙性,裂隙結(jié)構(gòu)體與軟弱結(jié)構(gòu)面將會產(chǎn)生復(fù)雜的物理力學(xué)效應(yīng),膨脹土的強度大大降低,導(dǎo)致膨脹土邊坡工程地質(zhì)性質(zhì)惡化。膨脹土邊坡的強脹縮性促使在地表水與地下水的動態(tài)變化中,土中的水分也會發(fā)生變化,同時氣候變化無常,土中的水分會發(fā)生遷移,熱力傳導(dǎo)可以促進土中的水分散發(fā),這些都會直接引起膨脹土脹縮變形。膨脹土的速崩解性是指其在浸水后體積會膨脹,在無側(cè)限條件下發(fā)生吸水濕化,強度大大降低。風化性是指土體在風化應(yīng)力作用下,產(chǎn)生碎裂與泥化的現(xiàn)象,土體結(jié)構(gòu)破壞,強度大為降低［3］。膨脹土的強度衰減性是一種典型的變動強度,在峰值時強度極高而殘余強度極低。這些原因都導(dǎo)致了膨脹土邊坡的失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 膨脹土邊坡失穩(wěn)防治技術(shù)研究

膨脹土滑坡是膨脹土地區(qū)一種常見的邊坡變形和失穩(wěn)問題。無論是自然膨脹土邊坡還是人工開挖的膨脹土路塹、渠道邊坡、人工填筑的堤壩,滑坡現(xiàn)象都時有發(fā)生。以往對膨脹土邊坡問題的研究主要取得了如下一些認識膨脹土邊坡滑坡的主要特點:

首先是淺層性。滑坡的深度往往在6.0 m以內(nèi),甚至更淺一些,一般和大氣影響層或風化層深度有關(guān)。其次是平緩性,即滑動面往往比較平緩,與坡面相平行或者與水平呈較低的角度。第三是漸進性,即滑動可能首先從滑坡體最底部開始,一般在這些位置剪應(yīng)力集中,塑性區(qū)首先發(fā)生與發(fā)展,不斷向上擴大口由于膨脹土具有應(yīng)變軟化的特性,當剪切位移發(fā)展到一定程度時,強度越過峰值而逐漸降低向殘余值方向過渡,這時滑動更易發(fā)生了,另外漸進性還表現(xiàn)在牽引式或迭瓦式滑坡的現(xiàn)象,這也是膨脹土地區(qū)滑坡的一個顯著特征。第四是時間規(guī)律性,主要是指膨脹土邊坡滑坡的發(fā)生,一般具有明顯的季節(jié)性和間歇規(guī)律。由于膨脹土特性規(guī)律的一個重要方面,是土體吸水產(chǎn)生膨脹,含水量升高,吸力急劇下降,強度迅速衰減。所以膨脹土邊坡滑坡大多在雨季或渠水(或庫水)驟降時活動最頻繁,發(fā)展最快,其次是春融季節(jié)時,也有一定發(fā)展。因此研究降雨對滑坡的影響顯得尤為重要。1993年,我國引進了土工合成材料植草護坡技術(shù),研究了多種土工產(chǎn)品,如三維植被網(wǎng)、土工網(wǎng)等,結(jié)合植草技術(shù)在公路、鐵路與水利工程中的邊坡防護中得到應(yīng)用。

對于路堤邊坡的處治方法,一般為換算法、物理化學(xué)改良與封閉包蓋法等。換算法主要是指挖除膨脹土,填充其他土質(zhì),其換算的深度根據(jù)膨脹土的強弱與當?shù)氐臍夂驐l件確定。物理化學(xué)改良法主要是利用石灰、水泥或其他的材料與膨脹土發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而進行的改性處理,從而降低膨脹土的膨脹趨勢,提高強度。封閉包蓋法是指利用非膨脹土進行包蓋,一道分層填筑并壓實,包蓋的厚度不低于1.5 m。對于路塹的處治,首先采用表水防護,一般要設(shè)置多個排水溝,建立地表排水網(wǎng)系,截排坡面水流,使表水不致滲入到土體中。對于坡面的防護,其中的骨架護坡防護主要有方格架護坡與拱形骨架護坡,另外還有人字形骨架護坡。片石護坡是一種視剛性結(jié)構(gòu),靠自重與砂漿的粘結(jié)阻止坡面的膨脹變形［4］。另外還有植被護坡。對于支擋結(jié)構(gòu)的防護主要有擋土墻防護與加筋擋土墻、土釘墻、抗滑樁等。擋土墻防護主要是指支承路其填土或冊坡土體、防止填土或土體變形失穩(wěn)的構(gòu)造物。加筋擋土墻是指在膨脹土中增加拉筋,利用拉筋與土體間的摩擦作用,改變土體的變形條件與提高土體的工程特性,從而穩(wěn)定土體。加筋土擋土墻由填料、在填料中布置的拉筋與墻面板三部分組成。抗滑樁是通過穿過滑坡體深入于滑床的樁柱,用以支擋滑體的滑動力,以穩(wěn)定邊坡。錨桿作為深土層的受拉構(gòu)件,一般與工程構(gòu)筑物連接,另一端深入邊坡土體中,以阻抗膨脹土變形。噴射混凝土是指采用壓力構(gòu)噴涂灌筑細石混凝土于膨脹土的坡面,避免風化與雨水的浸蝕作用影響。

4 失穩(wěn)防治未來研究趨勢

隨著對膨脹土特性與工程實例應(yīng)用的不斷深入研究,將會對其防治從定性化進一步完善到定量化。對于不同的氣候條件下的膨脹土土體中含水量、應(yīng)力與脹縮變形、溫度等時空耦合關(guān)系進一步完善,對膨脹土的失穩(wěn)特性曲線與傳播性進行深入分析,對于邊坡失穩(wěn)過程中的形式與速度、特征等進行時空耦合關(guān)系研究。隨著現(xiàn)代工程應(yīng)用數(shù)量的不斷增多,要對膨脹土邊坡失穩(wěn)的預(yù)測預(yù)報技術(shù)進行研究與完善。為了使邊坡控制技術(shù)獲得更多的科學(xué)性與數(shù)據(jù)性,需要對預(yù)測技術(shù)進行改進,從而獲得更加準確的消息［5］。另外需要對膨脹土邊坡防治與控制技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。在工程技術(shù)中,由于某些因素,導(dǎo)致計算方法不合理、參數(shù)選擇不恰當時,使一些需要簡單加固的邊坡卻采用了過于保守的加固方式,造成成本不斷增加。另外有一些存在對膨脹土認識不清的問題,在加固方案選擇時無法科學(xué)處理,無法選擇出一種安全要求、經(jīng)濟性與環(huán)保性同時達到要求的方案,所以需要對選擇過程要進一步優(yōu)化。

5 結(jié)語

膨脹土邊坡是一種復(fù)雜性土質(zhì)邊坡,吸水性強,具有多裂隙性,在公路、水利與建筑中都造成了一定的安全隱患。隨著國內(nèi)外對于膨脹土邊坡失穩(wěn)與防治的研究不斷完善,能夠?qū)ε蛎浲恋奶卣鬟M行準確把握,根據(jù)不同的地質(zhì)條件、氣候條件、失穩(wěn)基理選擇最為恰當?shù)姆乐畏桨浮?/p>

［1］ 金年生.基于十天高速公路的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析［D］.陜西西安:長安大學(xué)，2013.

［2］ 羅沖，劉謝伶.膨脹土邊坡失穩(wěn)特點及防治措施研究［J］.紅水河，2011(5):143-146.

［3］ 劉雅君，羅文柯.膨脹土邊坡失穩(wěn)特征與多維防治技術(shù)研究［J］.四川建材，2010(4):87-91.

［4］ 王歡平.晉侯高速芹池鎮(zhèn)至上莊段膨脹土邊坡綜合治理研究［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)，2013.

［5］ 溫世億.膨脹土渠坡若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究［D］.湖北武漢:武漢大學(xué)，2010.

U416.1+4

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1009-7716(2015)03-0030-03

2014-11-19

向?qū)幉?1987-),男,四川成都人,助理工程師,從事道路設(shè)計工作。