黃土質(zhì)深路塹邊坡雨水入滲穩(wěn)定性影響及錨固整治研究

李 輝

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

雨水入滲致孔隙水壓力狀態(tài)改變，從而影響黃土質(zhì)深路塹邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。文章選取馬蘭黃土作為案例土質(zhì)，基于孔隙水壓力分析，探討雨水滲流影響下的黃土質(zhì)路塹邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)，并采用錨固抗滑樁對(duì)黃土質(zhì)深路塹邊坡實(shí)施加固設(shè)計(jì)，通過加固后邊坡穩(wěn)定性分析和比選，探討黃土質(zhì)深路塹邊坡錨固整治的有效方案，以為同類工程技術(shù)應(yīng)用提供研究參考。

1 雨水滲流影響下的黃土邊坡孔隙水壓力分析

1.1 基于小雨條件的黃土邊坡孔隙水壓力分析

基于小雨條件的黃土邊坡孔隙水壓力分布，具體如圖1所示。

圖1 基于小雨條件的黃土邊坡孔隙水壓力分布圖

雨水入滲后，邊坡表層土體中的孔隙水發(fā)生壓力變化。邊坡土體初始孔隙水壓力一般為-140kPa。位置不同，土體區(qū)域孔隙水壓力發(fā)生變化的幅度亦有所差別。但隨著雨水入滲，邊坡負(fù)孔隙水壓力均呈逐漸降低的趨勢(shì)，此規(guī)律同邊坡土體含水量變化相一致。雨水入滲后，在水力梯度和重力影響下，伴隨滲水向前方或下方滲移，孔隙水壓力等值線-140kPa線亦向前方或下方移動(dòng)。

坡底負(fù)孔隙水壓力在降雨1d后，減低到-15kPa，坡頂負(fù)孔隙水壓力在降雨1d后，減低到-90kPa。坡底負(fù)孔隙水壓力在降雨2d后，減低到-10kPa，坡頂負(fù)孔隙水壓力在降雨2d后，減低到-60kPa。坡底負(fù)孔隙水壓力在降雨3d后，減低到0，坡頂負(fù)孔隙水壓力在降雨3d后，減低到-25kPa。圖1揭示，隨著雨水入滲的進(jìn)程，邊坡土體孔隙水負(fù)壓力呈逐漸降低趨勢(shì)，就減低幅度而言，坡腳處的孔隙水0壓力發(fā)生的時(shí)間較早，孔隙水負(fù)壓力減幅相對(duì)最大。

1.2 基于中雨條件的黃土邊坡孔隙水壓力分析

基于中雨條件的黃土邊坡孔隙水壓力分布，具體如圖2所示。

圖2 基于中雨條件的黃土邊坡孔隙水壓力分布圖

圖2揭示，土體孔隙水壓力基于中雨條件的變化規(guī)律基本與小雨條件的分布規(guī)律相一致，只是孔隙水0壓力在中雨條件出現(xiàn)的時(shí)間提前了。坡底負(fù)孔隙水壓力在降雨1d后，減低到-5kPa，坡頂負(fù)孔隙水壓力在降雨1d后，減低到-60kPa。與小雨條件相比，中雨條件下孔隙水負(fù)壓力在各級(jí)平臺(tái)、坡腳和坡頂均小。整個(gè)邊坡表層孔隙水負(fù)壓力在降雨3d后減低到0，而在小雨條件下，孔隙水0壓力只發(fā)生于坡腳處。

1.3 基于大雨條件的黃土邊坡孔隙水壓力分析

圖3揭示，土體孔隙水壓力基于大雨條件的變化規(guī)律基本與小雨和中雨條件的分布規(guī)律大同小異，孔隙水0壓力于坡頂最后出現(xiàn)，于坡腳最早出現(xiàn)。但其出現(xiàn)的時(shí)間有所差別，降雨越大，孔隙水0壓力出現(xiàn)的時(shí)間越短。一級(jí)和二級(jí)平臺(tái)以及坡底，在降雨2d后，孔隙水負(fù)壓力減低到0。整個(gè)邊坡呈現(xiàn)暫態(tài)飽和狀態(tài)發(fā)生于降雨3d后，此時(shí)孔隙水負(fù)壓力均降至0值。

圖3 基于大雨條件的黃土邊坡孔隙水壓力分布圖

2 黃土深路塹邊坡錨固整治設(shè)計(jì)

選擇錨固抗滑樁整治設(shè)計(jì)，于坡腳設(shè)計(jì)布置樁間距4m，截面1.5m×2m，長(zhǎng)度10m的抗滑樁。于第四級(jí)邊坡設(shè)計(jì)布置兩排錨桿。設(shè)計(jì)布置三排錨桿于一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)邊坡。錨桿2m水平間距，3m豎向間距。錨桿直徑120mm，長(zhǎng)度15m。以φ32mm HRB335鋼筋2根來制作。錨固抗滑樁5種方案詳見表1。

表1 錨固抗滑樁5種方案

錨固體與土體間的黏結(jié)力必須高出錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)錨桿軸向拉力值：

(1)

式中，K—安全常數(shù)；fptk—鋼筋標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值；A—鋼筋的橫截面積；Nt—設(shè)計(jì)錨桿拉力值。錨桿安全系數(shù)一般取值為2.2。錨固段錨桿長(zhǎng)度：

(2)

式中，φ—安全系數(shù)，一般取值為1.6；qs—錨固體與土體間的黏結(jié)強(qiáng)度值；d2—錨固體構(gòu)件直徑；La—錨固段的長(zhǎng)度；Nt—設(shè)計(jì)錨桿拉力值。錨固體與土體間的黏結(jié)強(qiáng)度值取qs=90kPa。錨固段的長(zhǎng)度La實(shí)際取值為9～10m。各級(jí)錨固段長(zhǎng)度與錨桿排數(shù)設(shè)計(jì)，詳見表2。

表2 各級(jí)邊坡錨桿布置方案

3 加固整治后的黃土質(zhì)深路塹邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 初始條件下各錨桿加固方案穩(wěn)定性分析

錨桿1方案和5方案布置具體如圖4所示。

圖4 錨桿1方案和5方案布置圖

按照1方案和5方案于降雨前實(shí)施穩(wěn)定加固，其效果分析具體如圖5所示。

圖5 邊坡實(shí)施穩(wěn)定加固后的穩(wěn)定系數(shù)

在1方案和5方案中以大致相同位置分別取邊坡土條塊，具體取11土條，其受力狀態(tài)如圖6所示，信息參數(shù)見表3。

各錨固方案下邊坡穩(wěn)定系數(shù)降雨前參數(shù)具體見表4。

圖6 土條11受力狀態(tài)

表3 土條11受力狀態(tài)信息

表4 各方案降雨前安全穩(wěn)定系數(shù)

表3揭示，在邊坡錨桿支護(hù)1方案和5方案中，相同位置其土條力學(xué)物理參數(shù)和孔隙水壓力值等同。但由于水平面與錨桿存在夾角不同，導(dǎo)致了底部法向力的不同，該滑裂面對(duì)應(yīng)該點(diǎn)當(dāng)然呈現(xiàn)不同的抗剪強(qiáng)度。表4揭示，邊坡錨固1方案獲得的安全穩(wěn)定系數(shù)為最大，即水平面與錨桿15°夾角狀態(tài)下，錨固效果最好。

3.2 基于大雨的各錨固方案穩(wěn)定性分析

降雨強(qiáng)度基于大雨，降雨時(shí)間分別取72h、60h、48h、36h、24h、12h時(shí)程，邊坡錨固基于1方案設(shè)計(jì)，取得基于大雨降雨時(shí)程的1方案錨固后，黃土質(zhì)深路塹邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)變化情況，詳見表5。

表5和圖7揭示，在降雨36h之后，邊坡表層土體有暫態(tài)飽和情況呈現(xiàn)，此后邊坡穩(wěn)定系數(shù)開始變化幅度降低，其幅度隨降雨時(shí)間增加而減小。邊坡穩(wěn)定狀態(tài)在降雨72h后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期，此時(shí)的安全系數(shù)值是1.761。顯然15°水平面夾角的錨固設(shè)計(jì)能夠獲得較好的邊坡穩(wěn)定性保證。

表5 基于大雨的各錨固方案不同降雨時(shí)程的穩(wěn)定性系數(shù)變化

圖7 經(jīng)歷降雨后邊坡安全穩(wěn)定狀態(tài)

4 總結(jié)

文章選取馬蘭黃土作為案例土質(zhì)，基于孔隙水壓力分析，探討雨水滲流影響下的黃土質(zhì)路塹邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)，并采用錨固抗滑樁對(duì)黃土質(zhì)深路塹邊坡實(shí)施加固設(shè)計(jì)，通過加固后邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析和比選。數(shù)據(jù)分析表明，在降雨36h之后，邊坡表層土體有暫態(tài)飽和情況呈現(xiàn)，此后邊坡穩(wěn)定系數(shù)開始變化幅度降低，其幅度隨降雨時(shí)間增加而減小。邊坡穩(wěn)定狀態(tài)在降雨72h后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期。以15°水平面夾角的錨固設(shè)計(jì)能夠獲得較好的邊坡穩(wěn)定性保證，故采用方案1錨固邊坡，可以獲得黃土質(zhì)深路塹邊坡雨水入滲穩(wěn)定錨固整治的較好效果。