透水混凝土導滲-錨固護坡性能試驗與分析研究

汪 濱, 臧德記，馬廣軍

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

為預防滑坡，常采用工程護坡，如砌石護坡、混凝土護坡、噴漿護坡、抗滑樁、錨固等，以減少滑動力與增加抗阻力，限制滑移發展。而常規邊坡排水的方法有地表截水溝、地下排水洞、排水孔。一些新的導滲技術，如“排水孔纖維束導滲方法及裝置”[5]、“多向導水聯結扣”也在開始工程中試用。

如果一種護坡結構同時具備力學阻滑與排水導滲的功能, 其護坡作用會更好。因此提出導滲-錨固滑坡防控體系,并申請了專利[6]。錨桿深入巖土中，通過合理的設計，可以形成理想的導滲通道，達到在深層大面積地調控地下水的目的，同時, 錨固力起到阻滑作用。

1 透水混凝土導滲與錨固性能試驗分析

圖1為一種導滲-錨固復合結構示意。主要構件包括錨桿、透水膠結材料、承壓板等。錨桿外側充填透水膠結材料，形成一個環狀多孔透水帶，其作用是既可傳遞力又可以導滲。

圖1 導滲-錨固復合結構示意

導滲特性主要取決多孔結構的滲透系數。錨固特性主要反映在多孔結構與錨桿、巖土層界面相互作用力學特性。

1.1 透水材料與孔隙率的測試

對于透水多孔材料，早期試驗中,多孔材料選擇水泥透水混凝土與聚合物混凝土2種，并進行了一系列的試驗。試驗發現聚合物混凝土孔隙率雖較高，但抗壓強度是前者1/3左右，且握裹力試驗很低。基于力學性質的差異，兼顧經濟成本、耐久性與技術成熟度等因素，后選擇水泥透水混凝土作為膠結材料。

水泥透水混凝土采用二次投料法,插搗成型。水泥透水混凝土按照規程在標準養護室中養護。采用重量法測量透水混凝土的孔隙率。

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1.2 透水混凝土滲流特性試驗

參照日本混凝土協會的測試方法設計透水儀，用以測量透水混凝土的透水系數。通過測量規定時間內的排水量，采用達西定律計算透水混凝土試件的透水系數。

測定透水混凝土不同配比情況下滲透系數，發現對透水系數最主要的影響因素是孔隙率，其次是骨料粒徑，其他因素對透水系數的影響很小，可以忽略。

圖2為當骨料粒徑為10～20 mm，不同孔隙度條件下的滲透率系數，可以看出, 孔隙度高，滲透系數大。對于排水導滲，越有利于排干邊坡里的積水。試驗結果表明，孔隙率為18%時，滲透系數可達10 mm /s以上。

圖2 孔隙率對滲透系數的影響

1.3 錨固結構的力學性能試驗分析

導滲-錨固復合結構中, 錨桿的材料和力學性能是已知的，滲透混凝土的力學性能與常規混凝土不同，許多研究人員深入地研究了透水混凝土的強度等力學參數[7]，許多試驗數據可供參考[8-9],相對不確定因素表現在2個方面：膠結材料與錨固的交界面、膠結材料與巖土層交界面。此2個交界面的力學性質, 決定錨固的極限抗拔力的值。

1.3.1透水混凝土強度試驗

透水混凝土強度試驗根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，采用Toni萬能試驗機對普通混凝土的力學性能進行了試驗和計算。圖3顯示了當骨料粒徑為10～20 mm時，不同孔隙率下的抗壓與抗折強度試驗結果。

圖3 孔隙率對抗壓、抗折強度的影響

可以看出，隨著孔隙率的增加，多孔結構的透水混凝土其抗壓與抗折強度都有一定程度的下降。

1.3.2透水混凝土握裹力試驗

多孔透水膠結材料與錨固的交界面的力學特性，與鋼筋混凝土握裹力試驗相似，因此采用類似的方法測試[11]。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試驗選用直徑為20 mm的玻璃鋼螺桿。錨桿與混凝土一起澆筑，形成試件。螺栓兩端高于混凝土兩端，一端較長，另一端較短，成型后保持28天。

測試見圖4，將試塊放置在握裹力試驗裝置上。螺栓的長端由萬能機通過裝置下端的中心孔夾緊。將千分尺安裝在螺栓較短端并固定牢固，有2種試驗，一種是干試樣;另一種是濕試樣，在水中浸泡24小時以上。為了統一標準, 表1列出了滑動變形0.1 mm對應握裹力值。

圖4 透水混凝土握裹力試驗

表1 握裹力實測中滑動變形0.1 mm時測試值

從以上數據可以看出：①透水混凝土的握裹力略小于常規混凝土；②在孔隙率一定的范圍內(≤18%)，握裹力在一定的范圍波動, 但相對波動較小，約為常規混凝土75%～80%，超過這一范圍后(>18%)，握裹力有急劇下降的可能性；③水浸泡后的試樣，握裹力略大于干燥試樣。分析認為, 測試時孔隙中的水分擔部分載荷，有助于握裹力的提高。

1.3.3與土層接觸面的力學特性

許多科研工作者對結構面與土層接觸面的力學特性進行深入的研究[11]。粗糙度的變化對接觸面黏聚力有明顯的影響，而對接觸面摩擦角的影響程度較小。表2為一種紅黏土在法向壓力為100、200 kPa時, 粗糙度與界面抗剪切強度的關系。粗糙度采用灌砂法測量，即用填砂法用于測量填砂深度，填砂體積除以代表粗糙度的斷面面積(V/S)。透水混凝土孔隙率為18%時，粗糙度為3.18 mm。由表可以看出，隨著表面粗糙度增大，界面的抗剪切強度呈升高趨勢。由于巖土的多樣性，升高的幅度會有差異，這里不過多討論。

表2 不同粗糙度下界面的抗剪切強度

根據有關的錨固設計規范,膠結式錨固段提供的抗拔力計算，主要依據：①膠結段同孔壁的抗剪強度；②膠結材料與錨(桿)的握裹力。兩者取較小者，考慮安全系數，確定設計值。從以上試驗可以看出, 透水混凝土的錨桿握裹力降低有限，與土層接觸面抗剪強度略有增大。因此, 通過合理地設計, 可以達到工程要求。

2 導滲-錨固滑坡防控體系的機理數值分析

為研究導滲-錨固復合結構對邊坡的功效，采用數值分析的方法模擬降雨的影響[12]。此次計算采用一商業邊坡穩定分析程序，它包括邊坡穩定性(SLOPE/W)、地下水滲流分析(SEEP/W)、巖土應力變形分析(SIGMA/W)等模塊。其中非飽和土理論基于Fredlund非飽和土計算理論，并考慮降雨入滲效應。

假設條件為：①降雨強度為30 mm/h，降雨24 h后中止；開始時，地下水位左邊為7 m，右邊為6 m(與地面齊平) 。②坡高6 m，坡度為1.000∶1.333，錨固系統分3層布置，最上層錨桿長13 m，錨固段長度10 m，下面兩層錨桿長度15 m，錨固段長度12 m，邊坡斷面尺寸見圖5，按試驗用錨桿,直徑20 mm，自身抗拉強度為200 kN。③均質土坡，土體重度18 kN/m3，c=15 kPa，φ=8°。④坡面為入滲和自由排水邊界條件。

圖5 邊坡斷面

根據SL 212—2012《水工預應力錨固設計規范》膠結式錨固段提供的抗拔力，取決充填透水膠結材料分別與錨桿、土2個界面黏結情況，取兩界面中最小值, 即min為{πDCL, πdc1L}。其中D為錨索孔直徑，mm；C為膠結材料同孔壁的黏結強度，MPa；c1為膠結材料與錨桿的握裹力；d為錨桿直徑，mm；L為錨固段長度，mm。透水混凝土按試驗中孔隙率18%的參數,握裹力按干燥時試驗值校核。錨固體直徑15 cm，錨固體與土體之間的黏結強度取100 kPa。因πDCL﹤πdc1L，薄弱面錨固段與土的交界面，錨桿所能承受的極限抗拔力按πDCL計算。

計算滲流場時，透水混凝土按試驗中孔隙率18%的參數, 即滲透系數k=1.1 cm/s，土的飽和滲透系數k=1.0×10-3cm/s。計算邊坡局部時，根據非飽和土力學模型計算出局部土的抗剪強度；整體穩定性計算按瑞典條分法計算整體穩定性。

2.1 滲流場的變化

隨著降水，導致表層土層含水量迅速增加，水向下滲透，從而使得浸潤線升高。圖6為降水6 h滲流場的情況,圖6a為天然土坡的浸潤線，圖6b為錨固-導滲土坡的浸潤線。由于導滲的作用，錨固-導滲邊坡土體內水位上升的速率均小于天然土坡；浸潤線抬升慢。進一步研究可以發現,降雨結束后，錨固-導滲邊坡土體內水位下降速率均大于天然土坡；且錨固不同傾角，其導滲效果及滲流場有所不同。

a) 天然邊坡

b) 導滲-錨固邊坡圖6 降雨6 h后邊坡孔壓等值線(kPa)

2.2 邊坡局部的變化過程

降雨的滲入導致坡內總水頭、孔隙水壓力、含水率、壓力水頭均產生變化。由滲流場變化可以看出，邊坡中一部分土經歷了非飽和土→飽和土的過程。對于非飽和帶土，引入非飽和土力學模型[13-14]計算特征點A孔隙水壓力與抗剪強度。該特征點A距離坡面1.2 m，位于最下層錨桿下部0.5 m。

圖7為A點處的滲流參數孔隙水壓力與土抗剪強度變化量的變化。在降雨一段時間，該點非飽和狀態→飽和狀態；孔隙壓力大于零；降雨24小時后，又逐漸地由飽和狀態→非飽和狀態。對應的土體抗剪強度也發生變化，由降雨初始狀態急劇降低，隨后有一段時間平穩期；降雨中止后，土體抗剪強度分段逐步恢復。

圖7 降水與中止后孔隙水壓力與抗剪強度的變化

由此可知，隨著降雨的滲入，含水量增高, 孔隙水壓力增大，基質吸力下降, 最終導致土體抗剪強度的降低，邊坡產生相應的應變。當接近飽和時，孔隙水壓力、抗剪強度變化趨勢變緩，直至穩定在一數值附近。

雖然不同位置土體的變化有差異,A點可以反映坡腳的局部變化，局部變化也使邊坡整體穩定性產生變化[15]。

2.3 整體穩定性變化

圖8為邊坡安全系數在降水與中止后的發展過程，可以看出隨著降雨的進行，邊坡安全系數在降低，在土坡滲流場達到相對穩定狀態時，安全系數降至最小；降雨結束后，隨著土坡內水位線的降低，安全系數逐漸升高。錨固邊坡與天然土坡變化趨勢相似，但護坡方法不同, 安全系數的值與變化程度明顯不同。

圖8 降水與中止后安全系數的變化

對比曲線可以看出：①對于天然邊坡，穩定性沒有達到要求時，采用錨固可提高穩定性；②降水過程中，不排水情況，安全系數的降幅較大，有了排水功能，安全系數的降幅較小；③排水與錨固結合，除了靜態地提高穩定性外，動態地看，對于因降水引起的巖土強度劣化起到緩沖作用，而在雨停間隙，又能起到快速恢復的作用。

3 結語

為了防止降雨引起的滑坡，設計導滲-錨固護坡結構。選擇透水混凝土作為膠結材料，以實現導滲與錨固系統的結合。針對護坡結構導滲與錨固性能,開展一系列的試驗，并數值分析邊坡滲流場、土的抗剪強度與邊坡穩定性的變化。試驗表明：選擇透水混凝土可以實現良好的排水導滲，滲透率系數隨孔隙度增加而有所增加。透水混凝土的握裹力較常規混凝土降幅有限。若浸泡在水中后，握裹力略大于干燥狀態下的握力。混凝土與巖土接觸面黏聚力隨著表面粗糙度下降反而略有增高，因而,有良好錨固性能。在孔隙率為18%時，滲透系數可達10 mm/s以上，握裹力約為常規混凝土87%以上, 導滲與錨固性能相對較優, 可供工程應用參考。進一步數值分析表明：采用該護坡結構，能有效地降低土的浸潤線高度和孔隙水壓力，從而減少因浸水引起的巖石力學性質的劣化。降雨時邊坡穩定安全系數降低，降雨停止后邊坡穩定安全系數恢復較快，對滑坡災害起到緩沖作用。

因此，導滲錨固復合結構體系不僅可以加固邊坡，而且可以通過透水材料排出大量的滲流，起到標本兼治的作用，具有優良的防災性能。