膨胀土边坡失稳与防治研究

向宁波

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司,四川成都 610081)

膨胀土边坡失稳与防治研究

向宁波

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司,四川成都 610081)

膨胀土在我国分布较为广泛,它是一种由亲水性矿物蒙脱石与伊利石构成的高塑性土,具有多裂隙性与强胀缩性的特点,一些边坡工程在此种土质下极易造成滑坡或溜坡的问题,影响交通安全。目前国内外对于膨胀土边坡失稳问题进行了大量的研究,但效果并不理想。结合目前膨胀土边坡失稳的原因,根据不同的地质条件,确定出个性化的防治研究方案。采用柔性支挡、刚性支挡和植被防护等多种措施共同进行的方案,较为妥当,可以起到良好的稳定性作用效果。

膨胀土;边坡;稳定性;支挡技术;防治

0 引言

膨胀土是一种特殊的土壤品种,对于环境中的湿热变化较为敏感,容易吸水发生膨胀,失水后又会严重收缩。目前我国的广西、云南、山东与广东等多达20多个省市中都出现有膨胀土。随着我国交通运输事业的不断发展,膨胀土对公路建设造成了严重的影响,膨胀土的特性造成公路路基出现稳定性偏失,易造成安全隐患。我国对于膨胀土稳定性的问题研究起步较早,但直到上个世纪六十年代才受到广泛地重视。本文首先对膨胀土的特性进行分析,结合工程实例中出现的失稳问题提出相关的改善防治策略,以提高路基稳定性,降低膨胀土带来的安全隐患。

1 膨胀土特征

膨胀土的结构面根据其形成的原因可以分为原生结构面、次生结构面与构造面等。原生是指其在成土过程中弄巧成拙结构面,通过温度、湿度与构造压密等多种作用与自身的不均匀收缩膨胀而形成的多场应力耦合,主要包括沉积层理、不整合面与微波裂隙等。次生结构面是指膨胀土体受载荷作用与风化作用等形成的结构面,由原生结构不断演化而来。构造面则是指土体中构造应力场的作用下形成的破裂面或者一些断层。

膨胀土由于其特殊的工程性质,其对工程建筑物造成一定的破坏影响,是一种危害性较高的土质。根据国内外的膨胀土上水工建筑物的稳定情况,膨胀土渠道边坡在施工与运行中遇到大量的滑坡现象。这一问题在工程实践中较为突出,如我国南水北调中线工程陶岔渠首与刁南灌渠与河南信阳南湾灌渠、广东茂名南盛工业引水渠、黑龙江引嫩工程等［1］。南阳刁南灌渠在通水以来,分干渠以上渠道总共发生六十余处滑坡,这些滑坡严重影响灌渠的正常使用,刁南总干渠过水能力减少一半以上,排南分干渠过水能力减少60℅,南分干渠由于滑坡完全不能过水。因此,总结研究膨胀土渠坡有效的防护与合理的处理方法是很有必要的。

2 膨胀土边坡失稳形式

膨胀土含有大量的强亲水性粘土矿物,吸水性非常高,同时具有高塑性与快速崩解性、强胀缩性。由于具有这些特性,膨胀土在不同的气候条件下,将会产生不同的失稳破坏形式。

在膨胀土质的公路中,其病害类型主要有路面的波浪变形、路面开裂与溅浆冒泥等,对于路堑病害,主要是指剥落、冲落、路堑溜塌与路暂滑坡,对于路堤病害主要是指路堤深陷、路堤塌肩、路堤滑坡等。在水利工程应用中,主要是指沟渠滑坡问题。渠道的开挖过程中一些无规则的土体发生膨胀或收缩,从而形成大量的裂隙,一旦地表水进入到圭体中,将会造成边坡的极不稳定,甚至引起滑坡现象,最终导致渠道的淤塞。在房屋工程中,膨胀土边坡失稳主要是指开裂与沉降问题。膨胀土边坡失稳导致建筑物形成不均匀的竖向、水平方向的胀缩变形,造成位移、开裂或其他破坏,在问题出现时一般以大规模形式存在,并且多出现在一些低层平房中,危害性非常大［2］。

膨胀土边坡失稳的原因有以下几种。由于其多裂隙性,裂隙结构体与软弱结构面将会产生复杂的物理力学效应,膨胀土的强度大大降低,导致膨胀土边坡工程地质性质恶化。膨胀土边坡的强胀缩性促使在地表水与地下水的动态变化中,土中的水分也会发生变化,同时气候变化无常,土中的水分会发生迁移,热力传导可以促进土中的水分散发,这些都会直接引起膨胀土胀缩变形。膨胀土的速崩解性是指其在浸水后体积会膨胀,在无侧限条件下发生吸水湿化,强度大大降低。风化性是指土体在风化应力作用下,产生碎裂与泥化的现象,土体结构破坏,强度大为降低［3］。膨胀土的强度衰减性是一种典型的变动强度,在峰值时强度极高而残余强度极低。这些原因都导致了膨胀土边坡的失稳现象。

3 膨胀土边坡失稳防治技术研究

膨胀土滑坡是膨胀土地区一种常见的边坡变形和失稳问题。无论是自然膨胀土边坡还是人工开挖的膨胀土路堑、渠道边坡、人工填筑的堤坝,滑坡现象都时有发生。以往对膨胀土边坡问题的研究主要取得了如下一些认识膨胀土边坡滑坡的主要特点:

首先是浅层性。滑坡的深度往往在6.0 m以内,甚至更浅一些,一般和大气影响层或风化层深度有关。其次是平缓性,即滑动面往往比较平缓,与坡面相平行或者与水平呈较低的角度。第三是渐进性,即滑动可能首先从滑坡体最底部开始,一般在这些位置剪应力集中,塑性区首先发生与发展,不断向上扩大口由于膨胀土具有应变软化的特性,当剪切位移发展到一定程度时,强度越过峰值而逐渐降低向残余值方向过渡,这时滑动更易发生了,另外渐进性还表现在牵引式或迭瓦式滑坡的现象,这也是膨胀土地区滑坡的一个显著特征。第四是时间规律性,主要是指膨胀土边坡滑坡的发生,一般具有明显的季节性和间歇规律。由于膨胀土特性规律的一个重要方面,是土体吸水产生膨胀,含水量升高,吸力急剧下降,强度迅速衰减。所以膨胀土边坡滑坡大多在雨季或渠水(或库水)骤降时活动最频繁,发展最快,其次是春融季节时,也有一定发展。因此研究降雨对滑坡的影响显得尤为重要。1993年,我国引进了土工合成材料植草护坡技术,研究了多种土工产品,如三维植被网、土工网等,结合植草技术在公路、铁路与水利工程中的边坡防护中得到应用。

对于路堤边坡的处治方法,一般为换算法、物理化学改良与封闭包盖法等。换算法主要是指挖除膨胀土,填充其他土质,其换算的深度根据膨胀土的强弱与当地的气候条件确定。物理化学改良法主要是利用石灰、水泥或其他的材料与膨胀土发生物理化学反应而进行的改性处理,从而降低膨胀土的膨胀趋势,提高强度。封闭包盖法是指利用非膨胀土进行包盖,一道分层填筑并压实,包盖的厚度不低于1.5 m。对于路堑的处治,首先采用表水防护,一般要设置多个排水沟,建立地表排水网系,截排坡面水流,使表水不致渗入到土体中。对于坡面的防护,其中的骨架护坡防护主要有方格架护坡与拱形骨架护坡,另外还有人字形骨架护坡。片石护坡是一种视刚性结构,靠自重与砂浆的粘结阻止坡面的膨胀变形［4］。另外还有植被护坡。对于支挡结构的防护主要有挡土墙防护与加筋挡土墙、土钉墙、抗滑桩等。挡土墙防护主要是指支承路其填土或册坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。加筋挡土墙是指在膨胀土中增加拉筋,利用拉筋与土体间的摩擦作用,改变土体的变形条件与提高土体的工程特性,从而稳定土体。加筋土挡土墙由填料、在填料中布置的拉筋与墙面板三部分组成。抗滑桩是通过穿过滑坡体深入于滑床的桩柱,用以支挡滑体的滑动力,以稳定边坡。锚杆作为深土层的受拉构件,一般与工程构筑物连接,另一端深入边坡土体中,以阻抗膨胀土变形。喷射混凝土是指采用压力构喷涂灌筑细石混凝土于膨胀土的坡面,避免风化与雨水的浸蚀作用影响。

4 失稳防治未来研究趋势

随着对膨胀土特性与工程实例应用的不断深入研究,将会对其防治从定性化进一步完善到定量化。对于不同的气候条件下的膨胀土土体中含水量、应力与胀缩变形、温度等时空耦合关系进一步完善,对膨胀土的失稳特性曲线与传播性进行深入分析,对于边坡失稳过程中的形式与速度、特征等进行时空耦合关系研究。随着现代工程应用数量的不断增多,要对膨胀土边坡失稳的预测预报技术进行研究与完善。为了使边坡控制技术获得更多的科学性与数据性,需要对预测技术进行改进,从而获得更加准确的消息［5］。另外需要对膨胀土边坡防治与控制技术进行优化设计。在工程技术中,由于某些因素,导致计算方法不合理、参数选择不恰当时,使一些需要简单加固的边坡却采用了过于保守的加固方式,造成成本不断增加。另外有一些存在对膨胀土认识不清的问题,在加固方案选择时无法科学处理,无法选择出一种安全要求、经济性与环保性同时达到要求的方案,所以需要对选择过程要进一步优化。

5 结语

膨胀土边坡是一种复杂性土质边坡,吸水性强,具有多裂隙性,在公路、水利与建筑中都造成了一定的安全隐患。随着国内外对于膨胀土边坡失稳与防治的研究不断完善,能够对膨胀土的特征进行准确把握,根据不同的地质条件、气候条件、失稳基理选择最为恰当的防治方案。

［1］ 金年生.基于十天高速公路的膨胀土边坡稳定性分析［D］.陕西西安:长安大学，2013.

［2］ 罗冲，刘谢伶.膨胀土边坡失稳特点及防治措施研究［J］.红水河，2011(5):143-146.

［3］ 刘雅君，罗文柯.膨胀土边坡失稳特征与多维防治技术研究［J］.四川建材，2010(4):87-91.

［4］ 王欢平.晋侯高速芹池镇至上庄段膨胀土边坡综合治理研究［D］.北京:中国地质大学，2013.

［5］ 温世亿.膨胀土渠坡若干关键技术问题研究［D］.湖北武汉:武汉大学，2010.

U416.1+4

A

1009-7716(2015)03-0030-03

2014-11-19

向宁波(1987-),男,四川成都人,助理工程师,从事道路设计工作。