探析膨脹土路基邊坡雨季失穩(wěn)破壞機(jī)理的預(yù)應(yīng)能力

李文坤

摘要：本文通過(guò)對(duì)路基邊坡降雨前后的應(yīng)力應(yīng)變分布的差別進(jìn)行對(duì)比，對(duì)膨脹屠戮基邊坡預(yù)計(jì)大量失穩(wěn)破壞進(jìn)行了分析，經(jīng)研究可以發(fā)現(xiàn)邊坡表層土體存在大量吸水的現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的膨脹力，而這種現(xiàn)象正是導(dǎo)致路基邊坡出現(xiàn)表層滑塌的主要原因注意。

關(guān)鍵詞：路基邊坡；失穩(wěn)；膨脹土

膨脹土路基邊坡的雨季失穩(wěn)破壞現(xiàn)象一直都是公路、鐵路工程中的一個(gè)難題。膨脹土路基邊坡在降雨之后會(huì)產(chǎn)生大面積的滑塌現(xiàn)象，使得地區(qū)經(jīng)濟(jì)受到非常大的損失。較多的學(xué)者和工程師針對(duì)此問(wèn)題開展了一系列的研究，比如，對(duì)膨脹土地區(qū)路基邊坡大量雨季失穩(wěn)的情況進(jìn)行摸底調(diào)查；從膨脹土的抗剪強(qiáng)度的公式開始計(jì)算并運(yùn)用極限平衡法進(jìn)行應(yīng)力分析；對(duì)膨脹土地區(qū)的邊坡的灌區(qū)邊坡失穩(wěn)進(jìn)行相應(yīng)的分析。

1.膨脹土邊坡破壞的幾種形式

1.1滑坡的形式

滑坡具有明顯的滑床，其具有前緣平緩、后壁陡直、具有弧形外貌的特點(diǎn)，滑坡一般都是以牽引式出現(xiàn)的，具有疊瓦的形狀，滑坡一般都是成群的發(fā)生的，所以這種滑坡一般具有很強(qiáng)的破壞性。滑體的厚度一般是1.0m～0.3m之間，大多的滑體的厚度都是小于6m的，這種淺層性的滑體與大氣風(fēng)化作用層度、土的類型有很密切的聯(lián)系，與高度和坡度無(wú)關(guān)。

1.2坍滑的形式

在膨脹土體干縮效應(yīng)和分化的作用下，裂縫切割和水的作用下，土體失去了穩(wěn)定的性能，造成了其強(qiáng)度的嚴(yán)重衰減。雨季是坍滑高發(fā)期，滑體裂縫密集，其畫面清晰，不僅如此還有較為明顯的擦痕，滑體多在坡腳滑出，又或者是軟弱的夾層滑出，如果不加以控制的話會(huì)產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。

1.3溜塌現(xiàn)象

邊坡表層的土體吸水過(guò)飽和，在重力參透壓力的作用下，沿著坡面向下產(chǎn)生溜塌現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是膨脹土邊坡表層最為常見的一種病害，發(fā)生頻率較多的時(shí)候是雨季，與坡度沒(méi)有關(guān)系。溜塌表面沒(méi)有裂縫和滑面，上方的位置有弧形小坎，其溜塌所以移動(dòng)的具體較短，并且很快的就可以穩(wěn)定在坡面上，厚度在1m以內(nèi)，最高不超過(guò)1.5m。

2.膨脹土路基邊坡雨季失穩(wěn)變形分析

2.1平衡微分方法在濕度應(yīng)力場(chǎng)中的使用

膨脹土體由于含水量增加而發(fā)生的應(yīng)變分量公式如下：

再將公式（2）帶惡補(bǔ)公式（6）中，就可以構(gòu)成濕度應(yīng)力的控制微分方程式。運(yùn)用其方程式，可以求的濕度場(chǎng)中的應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)然，其條件是當(dāng)濕度場(chǎng)發(fā)生變化的。

3.運(yùn)用有限元分析膨脹土邊坡破壞的肌理

3.1有限元素的選用

本次試驗(yàn)選用的路基是膨脹填筑路基，高13m、底部4m、頂部1m。是非膨脹土。運(yùn)用路基結(jié)構(gòu)對(duì)稱的特性，選取路基的半幅橫斷滿作為計(jì)算區(qū)域。路基中線為豎向位移，給提供滑支便捷條件。為了避免計(jì)算過(guò)程中膨脹力對(duì)路基表層產(chǎn)生不良影響，故將表層土體使用單元網(wǎng)格加密，由此來(lái)提升其計(jì)算精度。

3.2計(jì)算結(jié)果分析

因?yàn)榻涤甑淖饔?，膨脹路基表層土體吸水膨脹后產(chǎn)生向外的膨脹力，膨脹力是水平向外、豎直向上的。這種膨脹力使得路基結(jié)構(gòu)變形，其應(yīng)變和應(yīng)力產(chǎn)生很大的改變。路基的失穩(wěn)破壞其實(shí)是在變形的過(guò)程中產(chǎn)生的，因此，只有將膨脹力作用下的路基變化的規(guī)律進(jìn)行研究，才可以保障其路基的穩(wěn)定性。由下圖可以發(fā)展，路基膨脹土填筑層的側(cè)向變形在膨脹力的作用下開始增加，初次之外路基內(nèi)的各點(diǎn)的位移矢量在膨脹力的作用之下，數(shù)值開始逐漸增加，隨之傾斜度也隨之加大。越靠近路基邊坡表面，這種現(xiàn)象就越明顯。路基邊坡側(cè)向位移如表1所示，邊坡變形圖如圖1所示。

如表1所示，路基頂面下的7m處的應(yīng)力和應(yīng)變值是路基內(nèi)大小主應(yīng)力場(chǎng)。從圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膨脹力增加以后，路基土體單元大主應(yīng)力保持不變，而小主應(yīng)力程減小趨勢(shì)，坡面部分出現(xiàn)拉應(yīng)力，單元土體的應(yīng)力水平得到了相應(yīng)的提升，整個(gè)路基穩(wěn)定系數(shù)降低。同過(guò)限元計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加膨脹力之后路基出現(xiàn)了很大的受拉區(qū)域。一般的，土體的拉抗強(qiáng)度是非常小的，不能承受拉應(yīng)力，因此，受拉區(qū)的土體是非常容易裂開的，吸水膨脹也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度失穩(wěn)，這也是雨季后膨脹土出現(xiàn)表層失穩(wěn)的重要原因之一。

4.膨脹土邊坡破壞的防御

防御膨脹土邊坡的破壞，就必須先防滑、防水，水是膨脹土產(chǎn)生破壞的主要原因之一，因此，對(duì)于地表水、地下水等都需要及時(shí)處理。路墊之上有雨水滲透，要設(shè)置相應(yīng)排水設(shè)施，將水排出。根據(jù)膨脹土的類別和挖方深度的不同，可以進(jìn)行以下措施。

4.1邊坡開挖式

膨脹土邊坡可以使用臺(tái)階形的方式，它是將高邊坡降低為矮邊坡，使用這種方法，不僅可以減輕邊皮對(duì)坡腳的壓力，還可以減弱地面雨水對(duì)邊坡的沖蝕。除此之外還對(duì)邊坡進(jìn)行了有效的支撐。

4.2邊坡坡度的選擇

因?yàn)榄h(huán)境的影響，加大了膨脹土的工程性質(zhì)的難度，這樣就導(dǎo)致邊坡坡度和破壞的位置難以確定，所以，對(duì)邊坡設(shè)計(jì)有必要采取保守的坡比方案。

4.3邊坡的防護(hù)和加固

膨脹土路墊邊坡一般都會(huì)設(shè)置當(dāng)涂墻，預(yù)埋的深度有1.5m以上。另外，為了保證墻基干燥的穩(wěn)定性，可以在墻背設(shè)置較為厚的反濾層，用來(lái)抵消墻后部分的應(yīng)力以及膨脹力的釋放。墻頂?shù)膶挾瓤梢允菈Ω叩囊话?，擋土墻的面積應(yīng)擴(kuò)大，為了防止墻背土的壓力。坡面設(shè)置骨架護(hù)坡?？梢凿佋O(shè)較多的草皮，因?yàn)椴萜?duì)邊坡的隔熱、保溫、保濕、干縮濕脹有移動(dòng)的作用。雖然草皮的有多種益處，但是在遇到雨季的時(shí)候，容易被沖刷，因?yàn)樯疃鹊南拗?，就更不容易圍護(hù)邊坡。因此，設(shè)置一些可以支撐土體的漿砌片，或者是石骨架，都會(huì)有不錯(cuò)的效果。

5.結(jié)論

膨脹土邊坡的失穩(wěn)破壞已經(jīng)收到了廣泛的關(guān)注，本文通過(guò)對(duì)有限元分析膨脹邊坡破壞的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探討和分析，發(fā)現(xiàn)引發(fā)膨脹邊坡失穩(wěn)的主要原因是水，所以，只有做好邊坡的排水工作，及時(shí)封閉坡面，加強(qiáng)對(duì)邊坡坡腳的防護(hù)治理工作，才可以使得減少邊坡受到的損害。