李 佳

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

膨脹土滑坡成因分析及錨桿(索)框架梁支護(hù)

李 佳

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

膨脹土邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)是工程建設(shè)中最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，筆者通過對膨脹土失穩(wěn)滑坡進(jìn)行了特征總結(jié)，并研究國內(nèi)常見的邊坡支護(hù)體系后選擇錨桿(索)框架梁支護(hù)體系進(jìn)行膨脹土邊坡失穩(wěn)滑坡的治理，通過分析錨桿(索)框架梁支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、力學(xué)機(jī)理和使用范圍等之后將其應(yīng)用于膨脹土邊坡失穩(wěn)滑坡的治理中。希望對今后的膨脹土邊坡治理工作提供一定的理論支持。

膨脹土邊坡；邊坡失穩(wěn)滑坡；錨桿(索)框架梁支護(hù)體系；邊坡支護(hù)

1 膨脹土邊坡失穩(wěn)特征

1.1 淺層性

通過對膨脹土滑坡事故的分析發(fā)現(xiàn)其滑移面的厚度比較小，一般在4～5m，當(dāng)膨脹土發(fā)生失穩(wěn)滑坡現(xiàn)象時(shí)，在土體上部荷載和自身膨脹等因素的影響下土體內(nèi)產(chǎn)生了很多細(xì)微裂縫，裂縫的出現(xiàn)進(jìn)一步增加了膨脹土的透水性，淺部土體在這種情況下遇到雨水時(shí)體積會(huì)迅速膨脹，這種體積膨脹的不同使得深淺不同的土體之間形成了巨大的水平剪應(yīng)力，則深淺交錯(cuò)的部分就是滑移平面的潛伏區(qū)[1]。

1.2 牽引性

由于膨脹土深部土體的強(qiáng)度比較高不容易發(fā)生滑動(dòng)情況，但淺層膨脹土的應(yīng)力情況使得膨脹土坡腳處的剪應(yīng)力處于最高點(diǎn)，同時(shí)由于坡腳處的側(cè)應(yīng)力б3導(dǎo)致土體強(qiáng)度也是最低的，所以這里是最容易形成土體斷層滑動(dòng)或者沿多個(gè)方向滑動(dòng)的地點(diǎn)。上部土體在下部土體發(fā)生滑移之后有極大的可能性會(huì)緊接著發(fā)生滑動(dòng)，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)多級(jí)滑動(dòng)的現(xiàn)象。

1.3 長期性

膨脹土邊坡的失穩(wěn)滑坡現(xiàn)象通常不是在剛完工的時(shí)期發(fā)生，而是在項(xiàng)目完工后的一兩年甚至有十幾年之后才發(fā)生滑坡現(xiàn)象的，這種情況主要是由于膨脹土土體內(nèi)縫隙的形成需要一定的時(shí)間，時(shí)間的長短與膨脹土的狀態(tài)和項(xiàng)目所在地的氣候情況有關(guān)。

1.4 季節(jié)性和局部性

由前文的論述我們知道，影響膨脹土邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)最大的因素就是水，所以膨脹土邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象多發(fā)生在雨季，同時(shí)由于氣溫變化、降水蒸發(fā)等因素的影響，膨脹土失穩(wěn)滑動(dòng)的情況容易發(fā)生在溫差大、降雨量明顯、降雨后蒸發(fā)迅速頻繁的地域。

2 膨脹土滑坡成因分析

不同土體之間的層間界面和土質(zhì)風(fēng)化界面的存在容易使土體發(fā)生滑移現(xiàn)象，同時(shí)膨脹土內(nèi)部縫隙的存在也會(huì)產(chǎn)生漸進(jìn)破壞面，這些因素是構(gòu)成膨脹土邊坡失穩(wěn)的內(nèi)在因素，同時(shí)也是膨脹土邊坡失穩(wěn)滑坡的宏觀表現(xiàn)，分析膨脹土的諸多表現(xiàn),筆者將膨脹土邊坡失穩(wěn)的成因概括為下面幾個(gè)點(diǎn)：

2.1 路塹的開挖使邊坡力學(xué)平衡遭到破壞

施工中進(jìn)行開挖路塹之后會(huì)令膨脹土邊坡的坡腳水平支持力下降，嚴(yán)重的甚至?xí)?，?dǎo)致邊坡坡腳失去了原有的水平支撐。再者，實(shí)際施工時(shí)往往會(huì)將開挖出的棄土堆棄在膨脹土邊坡頂部，致使邊坡荷載變大情況，嚴(yán)重的會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過邊坡的最大承載力而形成超載。隨著邊坡頂部荷載的增加膨脹土內(nèi)部的下滑力也隨之加大，會(huì)加速邊坡的失穩(wěn)滑移。

2.2 縫隙作用

對于膨脹土而言，不論是何種類型的組合方式，其內(nèi)部都存在兩種以上的縫隙形成的縫隙結(jié)構(gòu)體，并且這些縫隙大多被灰白色次生蒙脫土填充。土體內(nèi)的這些縫隙不一定會(huì)相互貫通，但這些縫隙的存在會(huì)極大程度的降低土體的強(qiáng)度。隨著荷載的增加縫隙附近會(huì)產(chǎn)生超過土體極限承載力的集中應(yīng)力，此時(shí)該處土體結(jié)構(gòu)被破壞多余應(yīng)力附加到了周圍的土體，如此反復(fù)形成了骨牌效應(yīng)，縫隙的存在會(huì)催化邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 水的作用

膨脹土內(nèi)水含量的增加可以降低其粘稠度從而降低膨脹土的強(qiáng)度。根據(jù)有關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著膨脹土內(nèi)水含量的增加其抗剪強(qiáng)度會(huì)減小；其次是對土體容重的影響，當(dāng)膨脹土內(nèi)的水含量增加后，土體的有效容重量會(huì)隨之降低，土體的抗剪強(qiáng)度也隨之降低。

2.4 風(fēng)化作用

由于土方開挖的實(shí)施使得邊坡出現(xiàn)新的臨空面，如果不對這些坡面加以保護(hù)而直接暴露在空氣中，這些新的臨空面會(huì)長期受到溫度、濕度變化、凍融循環(huán)的影響，土體淺部顆粒之間的連接也會(huì)相應(yīng)的受到破壞從而形成風(fēng)化帶。風(fēng)化帶的形成會(huì)使得邊坡表面發(fā)生剝落侵蝕現(xiàn)象，使邊坡的外貌發(fā)生改變。

3 膨脹土邊坡失穩(wěn)過程分析

應(yīng)用土力學(xué)的理論對膨脹土邊坡的失穩(wěn)過程進(jìn)行分析可知，邊坡的失穩(wěn)過程其實(shí)是膨脹土土體受到連續(xù)破壞之后形成了滑移面以及土體強(qiáng)度持續(xù)降低的過程。根據(jù)相關(guān)的研究表明膨脹土邊坡的滑動(dòng)是有三個(gè)要素構(gòu)成的：其一是邊坡土體的抗滑阻力(R)小于土體下滑力(T)或者是土體抗滑力矩(MR)小于土體下滑力矩(MT);其二是邊坡土體側(cè)面有足夠的下滑空間；其三是邊坡失穩(wěn)土體須要沿一定的方向或路徑滑動(dòng)[2]。

膨脹土邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)過程劃分為三個(gè)階段：初始張裂破壞階段、剪切破壞擴(kuò)展階段、整體破壞變形階段，通過對以上不同階段的觀察研究發(fā)現(xiàn)其基本特征可以概述為以下幾點(diǎn)：

(1) 初始張裂破壞階段(見圖1)。由于膨脹土有很強(qiáng)吸水膨脹現(xiàn)象、失水體積縮小的特點(diǎn)，這一特點(diǎn)決定了膨脹土在失水干燥后土體會(huì)內(nèi)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，在這一拉應(yīng)力的作用下土體會(huì)在從地表開始到一定深度范圍內(nèi)形成上寬下窄的張拉裂縫。張拉裂縫一旦形成則為水進(jìn)入土體深部提供了渠道，當(dāng)土體水含量不斷增加時(shí)土體也在不斷軟化強(qiáng)度降低，并在潛在滑動(dòng)面上形成封閉的塑形剪切區(qū)域，這一階段對應(yīng)于б～τ曲線中的ab段(見圖4)。

(2) 剪切破壞擴(kuò)展階段(見圖2)。當(dāng)土體內(nèi)的主要受剪區(qū)形成一定的規(guī)模后，圖體內(nèi)其余的非受剪去土體開始發(fā)生軟化剪切，并且這些區(qū)域開始漸漸連在了一起形成一個(gè)完整的大范圍的剪切面，土體內(nèi)的顆粒開始重新排布。在這一階段滑坡區(qū)域的前段依然處于不受壓的狀態(tài)所以滑動(dòng)面并沒有貫穿下部。這一階段對于與б～τ曲線中的bc段(見圖4)。

(3) 整體破壞變形階段(見圖3)。進(jìn)入這一階段后土體剪切面不斷擴(kuò)大延伸，滑坡區(qū)域的前段也開始受到擠壓而隆起并被剪切破壞，并與前面兩個(gè)區(qū)域貫通，到這一階段滑移面土體強(qiáng)度只有其參與強(qiáng)度在支持。這一階段對應(yīng)于б～τ曲線中的c點(diǎn)(見圖4)，到這一階段滑動(dòng)土體開始發(fā)生整體的水平位移。

圖1 初始張裂破壞階段

圖2 剪切破壞擴(kuò)展階段

圖3 整體破壞變形階段

圖4 б～τ關(guān)系曲線

4 錨桿(索)框架梁的構(gòu)造、力學(xué)支護(hù)機(jī)理

4.1 錨桿(索)框架梁的構(gòu)造特點(diǎn)

4.1.1 錨桿(索)的型式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

錨固加固膨脹土邊坡的方式其本質(zhì)是利用鋼筋(索)等承拉構(gòu)件，把這些承拉構(gòu)件的一段錨固在地底深處比較穩(wěn)定的巖層或圖層內(nèi)來提供足夠的錨固力以承受拉應(yīng)力，并與邊坡支護(hù)體系中的其他支擋構(gòu)件聯(lián)合承受膨脹土邊坡的下滑力，以使邊坡達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

錨桿(索)按照受力特點(diǎn)區(qū)別可以分為預(yù)應(yīng)力錨桿(索)和非預(yù)應(yīng)力錨桿(索)兩種。拉桿(索)通常采用的HRB335以上的螺紋鋼筋或鋼絞索，是錨固體系中最重要的構(gòu)件錨桿(索)由錨頭、自由段、錨固段三部分組成，比較特殊的全長黏結(jié)型錨桿指的是沒有自由段的錨桿，它只有錨頭和錨固段兩部分組成[3]。

4.1.2 框架護(hù)坡梁

鋼筋混凝土框架護(hù)坡指的是利用預(yù)制的鋼筋混凝土梁或現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁形成的框架在坡面上形成支護(hù)體系然后在框架內(nèi)填充細(xì)土并種植植被固定并綠化后的保護(hù)膨脹土邊坡的一種支護(hù)體系。鋼筋混凝土框架內(nèi)的植被可以對邊坡起到淺層的保護(hù)效果，更多的依靠的是框架梁對邊坡的支護(hù)。

4.2 錨桿(索)的力學(xué)特征

錨桿(索)支護(hù)體系目前被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的邊坡支護(hù)工作中，但由于巖土工程其復(fù)雜性和不均勻性的困擾錨桿和巖土之間的作用機(jī)理非常復(fù)雜，目前的研究深度還不夠，在當(dāng)下比較受到認(rèn)同的有兩種理論：懸吊理論、組合梁理論。

在懸吊理論中將錨桿的錨固作用解釋為錨桿把松動(dòng)和不穩(wěn)定的膨脹土懸吊在邊坡深部比較穩(wěn)固的巖土上以此達(dá)到了邊坡表層穩(wěn)定的效果，錨桿起到的是懸吊的作用，錨桿需要提供充足的拉力來抵抗滑動(dòng)土體的土壓力和剩余下滑力。

在組合梁理論的解釋中把巖土層當(dāng)作是一個(gè)簡支梁或者懸臂梁進(jìn)行處理，當(dāng)原始巖土層沒有錨固時(shí)，巖土層之間的抗滑移力不足，此時(shí)各個(gè)巖土層之間可以看作是簡單的疊合沒有相互之間的約束。當(dāng)外部荷載加載而來的時(shí)候各個(gè)巖土層梁產(chǎn)生了相應(yīng)的彎曲和變形，梁的上下兩端分別受壓和受拉。當(dāng)施加錨桿固定之后可以加強(qiáng)巖土層梁之間的摩擦力提高形成組合梁，提高組合梁的強(qiáng)度和剛度從而抵抗外部荷載減小形變和內(nèi)應(yīng)力。所以在這種理論中錨桿相當(dāng)于組合梁之中的螺栓，錨桿內(nèi)的拉力越大鉚接效果就越好邊坡穩(wěn)定性也越高[4]。

圖5 錨桿框架梁支護(hù)膨脹土邊坡示意圖

如圖5所示是錨桿框架梁體系支護(hù)膨脹土邊坡的示意圖，坡殘積膨脹土為滑動(dòng)體，滑動(dòng)面下邊的弱膨脹土和巖層是穩(wěn)固巖土?；瑒?dòng)體在自重作用下隨著滑動(dòng)面向下滑動(dòng)，此時(shí)錨桿受到了橫向的作用力從而受拉，此時(shí)錨桿會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用力來平衡滑動(dòng)體的下滑力[5]。我們知道膨脹土吸水后體積膨脹，框架梁體系還可以抑制這種膨脹并將膨脹應(yīng)力的反作用力作為錨桿的拉力用來維護(hù)邊坡的穩(wěn)定，所以這些因素要求錨桿具有足夠的抗拔和抗拉能力，所以全長黏結(jié)型錨桿更適合用作膨脹土邊坡的維護(hù)穩(wěn)固。

5 結(jié)束語

通過上述論證可得知錨桿(索)框架梁支護(hù)方法很好的克服了膨脹土在外界作用中的大多數(shù)不穩(wěn)定因素，有效的加強(qiáng)了膨脹土邊坡的穩(wěn)定性從而不使其產(chǎn)生滑動(dòng)甚至滑坡，而且此法操作簡單，造價(jià)低廉非常適合在我國西北部地區(qū)的膨脹土地帶進(jìn)行大規(guī)模的支護(hù)作業(yè)。本文只是對膨脹土地區(qū)的錨桿(索)框架梁支護(hù)方法進(jìn)行的初探，但希望對今后的膨脹土邊坡治理工作提供一定的理論支持。

[1] 張可嘉.景觀區(qū)膨脹土邊坡失穩(wěn)激勵(lì)分析及其治理方法研究[J].江蘇建筑,2009，(4):46-47.

[2] 袁從華，周健.高速公路膨脹土邊坡整治[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012,7(26):3073-3078.

[3] 王文生，謝永利.膨脹土路塹邊坡的破壞形式穩(wěn)定性[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011,25(1)，20-24.

[4] 蔡元德.膨脹土邊坡滑坡機(jī)理及成因分析[J].工程建筑，2013,(7):26-27.

[5] 曹國安，張鴻儒，張清.南昆線膨脹土土釘墻試驗(yàn)研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,(4):58-60.

Cause analysis of expansive soil landslide and support of bolt (cable) frame beam

LI Jia

(SanmenxiaPolytechnic,SanmenxiaHenan472000,China)

The expansive soil slope sliding is one of the most common geological disasters in engineering construction, the geotechnical academic does not have a detailed research conclusion on the calculation and data analysis of expansive soil slope theory, therefore in order to project management on expansive soil slope has a certain theoretical support, therefore the instability a landslide and domestic research on common slope supporting system after the selection of anchor (cable) frame beam supporting system for landslide stability loss of governance expansive soil slope, through the analysis of bolt (cable) after the frame beam supporting system structure, mechanism and scope of application of the governance of its application in the expansive soil slope instability in landslide. Hope to provide some theoretical support for the future expansion of soil slope treatment.

Expansive soil slope; Slope instability; Bolt (cable) frame beam support system; Slope support

2015-06-15

李 佳(1982-)，男，河南盧氏人，碩士，副教授，一級(jí)建造師，主要研究方向?yàn)閹r土工程技術(shù).

1001-9383(2015)03-0080-05

P642

A