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摘要:将膨胀土用在边坡工程中,如果没有经过科学处理,在降雨后因抗剪强度降低,容易发生结构破坏。本文首先指出边坡稳定性研究现状,然后分析了降雨作用下膨胀推力对膨胀土边坡稳定性的影响,最后总结了提高膨胀土边坡稳定性的相措施,以供参考。
关键词:降雨作用;膨胀土;膨胀推力;边坡稳定性;影响
膨胀土含有亲水性的粘土矿物,遇水时会膨胀,失水时会收缩。在降雨作用下,膨胀土会吸水膨胀继而变形,如果这种变形受到限制,就会产生膨胀推力,引起上覆结构结构破坏;或在多次干湿循环后,表层土体会开裂,降低了边坡的稳定性。以下结合试验研究,探讨了膨胀推力对边坡稳定性的影响。
1.边坡稳定性研究现状
就目前而言,研究边坡稳定性主要采用以下几种方法:一是极限平衡法,二是极限分析法,三是滑移线法,四是剩余推力法。以剩余推力法为例,是极限平衡法的改进,适用于折线型滑坡,通过计算推力、稳定性,为支护方案提供依据。结合相关研究,以剩余推力法为基础,有学者引入量化因素,分析降雨对边坡稳定性的影响;有学者分析桩体和滑坡体之间的相互作用,合理设计安全系数;还有学者利用有限元法计算加载型、强度储备型滑坡的推力。考虑到实际工程情况,引入膨胀推力,才能提高边坡稳定性分析的准确性。在这一点上,可以采用Drucker-Prager模型,分析降雨和膨胀推力作用下的边坡位移特点;可以采用有限元分析法,分析膨胀土边坡的失稳作用机理。本文以剩余滑坡推力为基础,将膨胀推力简化为条间力,并引入稳定性计算公式,建立降雨和膨胀推力下的边坡破坏模型,分析对边坡稳定性的影响。
2.降雨作用下膨胀推力对膨胀土边坡稳定性的影响
2.1 计算方法
膨胀土边坡发生滑动时,一般属于折线型,依据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》,可以得到滑动面的安全系数。但这个计算方法只适合在一般土坡中使用,要想分析膨胀力对稳定性的影响,还要加入膨胀力Pe。针对膨胀土的分布情况,相关研究将边坡的风化程度分为表层、浅层、深层三个部分,结合含水量、约束条件,表层是三角形分布,浅层是矩形分布,深层是倒三角形分布。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆本文假定表层裂缝的深度较小,为了方便计算和研究,假设膨胀力呈现矩形均匀分布。基于此,可以得到改进后的推力计算公式。
2.2 建立模型
计算滑坡推力时,要想知道滑动面的位置,可利用Geo-studio软件获得降雨条件下膨胀土边坡的危险滑动面,明确滑动条块的信息后,使用公式计算安全系数,即可了解对边坡稳定性的影响。为了方便计算,本文建立试验模型,其中坡高为33.4m,顶宽、底宽分别为26.6m、23.3m,地基土厚度为16.7m,坡比为1:1.5,模型比例尺寸为1:20。将以上尺寸转化为原型,如下图1。
图1:膨胀土边坡模型换算后的原型
2.3 膨胀力对稳定性的影响
在降雨后,膨胀土边坡会失稳,假设降雨强度为30mm/d,裂隙深度为0.5m。利用Geo-studio软件,明确最危险滑动面,获得土条信息,并将数据带入计算公式。分别在考虑膨胀力、不考虑膨胀力时,得到边坡的安全系数,结果显示:①考虑膨胀力时,边坡安全系数明显低于不考虑膨胀力的情况。②不考虑膨胀力时,裂隙位置、降雨时间对安全系数的影响不大,说明即使经历长时间降雨,膨胀土边坡依旧可以保持稳定状态,和实际情况不相符。分析原因在于,膨胀土的膨胀能力强,降雨后会向临空面发生变形,体积膨胀可达到30%以上。一旦这种膨胀受到约束,就会产生膨胀推力。
2.4 裂隙位置和深度对稳定性的影响
在实际工程中,垂直裂隙常出现在边坡的坡顶、地表位置,本研究将裂隙分别设置在坡顶、坡中两个位置,将裂隙深度分别设置为0.5m、0.8m、1.0m、1.2m、1.5m进行研究。此外,降雨强度设定为30mm/d,降雨时间为3天,结果显示:①不论裂隙位置,随着深度增加,安全系数相应减小;②坡顶裂隙的安全系数变化较小,坡中裂隙的安全系数变化较大;③当裂隙深度达到1.5m,此时坡顶、坡中安全系数均低于1,边坡处于失稳状态。说明:随着裂隙深度加大,雨水渗入量增加,对边坡稳定性的影响越明显。
2.5 降雨强度对稳定性的影响
为了进一步研究降雨强度对边坡稳定性的影响,选择裂隙深度为0.5m,将降雨强度设置为10mm/d、30mm/d、50mm/d、70mm/d、90mm/d,计算坡顶、坡中位置的安全系数,结果显示:①不论裂隙位置,随着降雨强度增大,安全系数相应减小;②坡顶裂隙的安全系数稍高于坡中裂隙的安全系数;③当降雨强度达到50mm/d,此时安全系数相对稳定,后续变化不明显。分析其原因,在于随着降雨量增多,裂隙土在吸水膨胀后,会导致裂隙最终闭合,此时渗入量不再变化,因此边坡土的稳定性也不会有明显变化。
3.提高膨胀土边坡稳定性的相关措施
结合实际工程,膨胀土边坡的稳定性,会受到多种因素的共同作用和影响,例如气候、风化程度、裂隙发育情况等。一旦浅层土体的抗剪强度不足,就会发生失稳、坍塌现象。对此,施工期间提高边坡稳定性,措施如下:第一,边坡设计期间,考虑到防水、排水、防风化等措施,并和支挡、防护、加固等方案相结合。第二,开挖施工时,制定科学的封闭和防护方案,提高边坡土的承载力和抗剪强度,能有效抵抗风化作用。第三,对于有条件的工程项目,可采用换填加固法处理,以整体换填为例,适用于土质较差的公路路堤边坡中。虽然工程量大,但现场施工操作简单,可以根据实验室的检测结果进行调整,彻底解决膨胀土的问题,提高边坡稳定性。
结语
在土木工程中,研究边坡稳定性,可为支护方案提供科学依据。文中分析了膨胀土边坡的特点,指出膨胀作用下的滑坡推力计算方法。通过建立滑坡模型,分析了不同膨胀力、不同裂隙位置和深度、不同降雨强度对边坡稳定性的影响。希望为实际工程提供经验借鉴,采用合适的技术手段,提高边坡稳定性,促进施工顺利进行。
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论文作者:孙少华
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第19期
论文发表时间:2019/4/12
标签:稳定性论文; 裂隙论文; 推力论文; 安全系数论文; 强度论文; 深度论文; 滑坡论文; 《建筑细部》2018年第19期论文;