黃英儒

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

影響高邊坡工程穩(wěn)定性的主要因素之一是因開挖施工擾動(dòng)坡體,坡體發(fā)生過(guò)大變形而在其內(nèi)部形成潛在滑面,坡體沿潛在滑面發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)。許多工程實(shí)踐都表明，大多數(shù)路塹高邊坡的失穩(wěn)破壞都是開挖施工方法不當(dāng)造成的[2]。所以,研究路塹高邊坡的開挖變形規(guī)律,尋求合理的開挖、支護(hù)方法,采用有效的工程措施控制坡體的過(guò)量變形,對(duì)于確保路塹高邊坡工程安全穩(wěn)定有著重要意義。以實(shí)際工程為原型,通過(guò)室內(nèi)離心模擬試驗(yàn),對(duì)比研究樁釘復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)邊坡的變形破壞模式,驗(yàn)證這種支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性,從而為黃土地區(qū)使用這種支護(hù)結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù),為今后此類工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

鄭西客運(yùn)專線ZXZQ3標(biāo)段DK208+237.625～DK208+338段設(shè)計(jì)為明洞,地表黃土覆蓋。從地表往下,主要地層依次為：中更新統(tǒng)Q2黏質(zhì)黃土,厚度大于20 m,具有中等～弱膨脹性；震旦系下統(tǒng)馬家河組(Z1m)砂巖、泥巖。基巖從上往下,依次為全、強(qiáng)、弱風(fēng)化帶,其中全、強(qiáng)風(fēng)化帶的厚度分別為0～4 m,5～15 m。

1.2 模型比尺

根據(jù)相似原理[3～4],模型比尺一般由試驗(yàn)?zāi)康摹⒃统叽绾驮囼?yàn)室設(shè)備條件決定。工程原型邊坡三維尺寸：長(zhǎng)100.375 m、寬度約60 m、高約35.5 m。模型擬采用西南交通大學(xué)土工離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室的離心機(jī)之1號(hào)模型箱：長(zhǎng)0.8 m,寬0.6 m,高0.6 m,選定模型尺n=100,則邊坡的幾何尺寸對(duì)照見表1。

表1 模型幾何尺寸對(duì)照 m

1.3 分組設(shè)計(jì)

本次模型實(shí)驗(yàn)共分3組進(jìn)行,意在比較邊坡在不同支護(hù)形式下的變形、破壞方式,以及不同支護(hù)形式的作用效果。試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐓⒄宅F(xiàn)場(chǎng)原型,3組模型外形基本一致,都設(shè)計(jì)為三級(jí)邊坡,一級(jí)邊坡均高169 mm,二、三級(jí)邊坡高99 mm,每級(jí)邊坡之間有20 mm寬平臺(tái)過(guò)渡,分組具體情況如表2所示。試驗(yàn)采用分層卸砂來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)邊坡分步開挖過(guò)程。

表2 模型試驗(yàn)分組情況

1.4 主要構(gòu)件的模擬

(1)土釘[5]材料

根據(jù)相似原理,本試驗(yàn)擬采用直徑1 mm鋼絲模擬孔徑為10 cm,孔內(nèi)采用φ25 mm鋼筋外層注漿的土釘,根據(jù)相似比截成所需長(zhǎng)度,在土釘一端預(yù)留5 mm做成彎鉤以便掛網(wǎng)。把做好的鋼絲表面打毛,然后涂AB膠,再在AB膠凝固之前粘上直徑小于1 mm的細(xì)砂,使得釘砂膠結(jié)為整體,從而增大土釘與土體的接觸面積。

(2)抗滑樁[6]材料

抗滑樁原型為C30鋼筋混凝土灌注樁,樁截面尺寸為2.75 m×3.5 m,樁長(zhǎng)為33 m。根據(jù)剛度EI相似的原理,本試驗(yàn)采用矩形鋁管內(nèi)灌水泥砂漿來(lái)模擬樁。按公式EI=EsIs+0.8EcIc換算后用1 mm厚的鋁合金角鋁制成現(xiàn)場(chǎng)樁1/100大小的模型框架,然后里面灌注與C15混凝土同彈模的水泥砂漿,剛度和強(qiáng)度參照現(xiàn)場(chǎng)樁的數(shù)值,按C15混凝土的相應(yīng)配合比進(jìn)行配比水泥砂漿[7]。樁模制作完成后要養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間,待其強(qiáng)度達(dá)到要求再預(yù)埋到基巖里。

(3)面層材料

用高強(qiáng)度魚線交叉纏繞每根土釘模型露出坡面的彎鉤,把每一級(jí)邊坡上的所有土釘用網(wǎng)連結(jié)在一起,最后抹上水泥砂漿將其固定形成與現(xiàn)場(chǎng)相似的柔性面層。

(4)填料

考慮粒徑效應(yīng)與幾何尺寸效應(yīng)[8～9],模型比尺放大了原狀土體的離散性,因此模型邊坡土體取工程原型坡體中的擾動(dòng)土,在實(shí)驗(yàn)室用一定的技術(shù)手段重塑后作為填料,使其具有與原型土體相近的物理力學(xué)性質(zhì)。

模型采用水泥和土按質(zhì)量水泥、土1∶5的比例混合摻水后分層填筑夯實(shí),并養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間。以此模擬強(qiáng)度相當(dāng)?shù)幕鶐r。

1.5 量測(cè)技術(shù)

(1)位移網(wǎng)格線

為了有效地捕獲土體變形的信息,本試驗(yàn)采用了對(duì)標(biāo)志點(diǎn)跟蹤讀數(shù)的方法。在模型填筑完成后,把模型側(cè)面整平抹光,以模型右下方箱底與側(cè)壁交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,用墨斗線把邊坡側(cè)面劃分成3 cm×3 cm的網(wǎng)格,在網(wǎng)格線與線的交點(diǎn)上用大頭針固定4 mm×4 mm的白色紙片作為標(biāo)志點(diǎn),并記錄每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的初始坐標(biāo),模型運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后,坡體側(cè)面的網(wǎng)格點(diǎn)會(huì)隨著邊坡內(nèi)部土體的位移變化而獲得新的坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)邊坡側(cè)面網(wǎng)格點(diǎn)在模型運(yùn)轉(zhuǎn)前后坐標(biāo)的相對(duì)變化分析，間接得出坡內(nèi)土體位移的大小和方向。

(2)位移傳感器

本次試驗(yàn)選用接觸式位移傳感器,型號(hào)為QSY9703,量程為0～10 mm,輸出電壓為0～4 V。

2 試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程

邊坡模型制作完成后用密度稍大于土體密度的砂將開挖面以外的空間填筑并夯實(shí),試驗(yàn)中以分層卸砂的形式來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)的分步開挖。模擬開挖分3次進(jìn)行,第一次開挖坡高99 mm,第二次開挖坡高99 mm,第三次開挖坡高169 mm。每級(jí)邊坡開挖運(yùn)行結(jié)束后,減速停機(jī)進(jìn)行下一級(jí)開挖運(yùn)行,直至全部開挖。每次運(yùn)行離心力加載歷程如圖1所示。

每次運(yùn)轉(zhuǎn)離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起始加速度為0g,并隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐級(jí)增加,分別在20g、40g、60g、80g的離心力條件下穩(wěn)定運(yùn)行10 min,待模型土體位移、應(yīng)變值變化很小之后,再繼續(xù)增大離心加速度。最終加載至加速度100g,使得模擬坡體和現(xiàn)場(chǎng)的受力情況一樣,在100g狀態(tài)下分別運(yùn)行10 min(M1),30 min(M2),45 min(M3)模擬現(xiàn)場(chǎng)開挖后2個(gè)月,6個(gè)月和9個(gè)月時(shí)間。

圖1 加載歷程(以第一組模型為例)

3 邊坡變形及滑面分析

模型模擬現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)開挖,每次開挖后邊坡都會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形,最后一次開挖完成運(yùn)行后,邊坡的變形破壞程度達(dá)到最大。文章將3組模型停機(jī)后的實(shí)測(cè)破壞面作對(duì)比分析如下。

3.1 模型一

在距模型右邊界150 mm和模型下邊界150 mm的一個(gè)三角形區(qū)域范圍內(nèi)的網(wǎng)格變形不明顯,土體變形主要以豎直沉降為主,消除模型固結(jié)沉降的影響,可認(rèn)為土體沒有變形或者變形量不大。

在距坡面90～180 mm深度范圍內(nèi)的網(wǎng)格變形比較明顯,局部地方網(wǎng)格嚴(yán)重扭曲變形,土體變形除了較明顯的沉降外,還發(fā)生了較大的水平位移。

從圖2可看出，這部分土體出現(xiàn)了很多小的裂縫,這些小的裂縫是滑體錯(cuò)動(dòng)剪切形成,呈雁列狀分布,形成一個(gè)圓弧形滑帶,帶長(zhǎng)約570 mm,滑體沿著此滑帶向前運(yùn)移了125 mm。

圖2 M1實(shí)測(cè)滑面(單位：mm)

3.2 模型二

在模型箱右下角距模型右邊界90 mm和下邊界90 mm一個(gè)三角形區(qū)域內(nèi)，模型的變形主要以豎直沉降為主。這個(gè)三角區(qū)域以外的坡體除了發(fā)生豎直沉降外,還發(fā)生較明顯的水平位移。與模型一相比,模型二的邊坡土體變形范圍變大,更多的土體被調(diào)動(dòng),并發(fā)生了運(yùn)移。

在距坡面130～220 mm深度范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)了很多小的裂縫,這些小的裂縫是滑體下滑錯(cuò)動(dòng)剪切形成,呈雁列狀分布,形成一個(gè)圓弧形滑帶,滑帶長(zhǎng)約700 mm,滑體沿著此滑帶向前運(yùn)移了210 mm。

由圖3可以看到，土釘加固范圍內(nèi)的土體未發(fā)生較大變形,整體沿著滑面[10]向前滑移,滑面清晰可見,第三級(jí)邊坡上部土釘靠坡里一端有彎曲變形現(xiàn)象。由此說(shuō)明隨著開挖深度的增大,模型邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)趨于失穩(wěn),土釘作為模型二的支護(hù)手段,使得支護(hù)范圍內(nèi)的土體作為一個(gè)整體,沒有發(fā)生大的變形,并且把潛在滑面向更深的土體內(nèi)傳遞,起到了應(yīng)有的作用,但是由于邊坡太高,坡體含水量太大,模型邊坡最終發(fā)生失穩(wěn)滑坡。

圖3 M2實(shí)測(cè)滑面(單位：mm)

3.3 模型三

在模型箱右下角距模型右邊界120 mm和下邊界120 mm一個(gè)三角形區(qū)域內(nèi)，模型的變形主要以豎直沉降為主。這個(gè)三角區(qū)域以外的坡體除了發(fā)生豎直沉降外,還有水平位移趨勢(shì)。

與模型一、模型二相比,邊坡側(cè)面的網(wǎng)格變形不明顯,沒有扭曲錯(cuò)動(dòng)帶,在距模型坡面平均距離110～140 mm深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了一些小的裂縫,如圖4所示。這些裂縫連成一個(gè)圓弧形的滑帶,模型土體有沿此滑帶運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),但是由于有抗滑樁的支護(hù)作用,盡管有少部分土體擠出,坡體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 M3實(shí)測(cè)滑面(單位：mm)

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)3組模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理和分析,可以得到如下結(jié)論。

(1)模型邊坡的變形隨著開挖深度和離心加速度的增大而增大,第三次開挖后,模型一和模型二都發(fā)生了破壞,模型二在更小的離心加速度狀態(tài)下失穩(wěn)滑坡,滑體沿滑面滑移距離比模型一更遠(yuǎn)。

(2)模型二的破壞說(shuō)明只用土釘支護(hù)邊坡的支護(hù)形式不可行,土釘支護(hù)范圍內(nèi)的土體得到了加強(qiáng),成為一個(gè)整體,但是土釘?shù)闹ёo(hù)作用會(huì)把潛在滑面?zhèn)鬟f到更深的土體中,當(dāng)潛在滑面超出了土釘?shù)闹ёo(hù)范圍,土釘支護(hù)范圍內(nèi)的土體就會(huì)整體下滑,加劇邊坡的破壞程度。

(3)模型三沒有發(fā)生破壞,說(shuō)明土釘抗滑樁復(fù)合支護(hù)是可行的,土釘?shù)募庸套饔冒褲撛诨娴募舫隹谙拗圃诳够瑯稑额^以下,把滑坡推力傳遞到抗滑樁上。兩種支護(hù)形式的有機(jī)結(jié)合,很好地發(fā)揮了各自在邊坡支護(hù)中的優(yōu)點(diǎn),收到了比較好的支護(hù)效果。

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