雨水滲透下巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察技術(shù)分析

彭 軍

福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察研究院 福建漳州 363000

在巖土工程中,通過(guò)巖土勘查工作可以確定邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,落實(shí)針對(duì)性的邊坡防護(hù)措施,不僅如此,通過(guò)具體的勘查數(shù)據(jù)可以確定場(chǎng)地本身的適宜性,必須得到重視。但考慮到雨水滲透環(huán)境中會(huì)對(duì)巖土邊坡的縱向抗剪強(qiáng)度造成較大的負(fù)面影響,進(jìn)而威脅到工程的施工質(zhì)量和施工安全,因此相應(yīng)的勘查技術(shù)還需要得到進(jìn)一步優(yōu)化,從而展開(kāi)更加具體的風(fēng)險(xiǎn)控制和修復(fù)工作。

1 巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察技術(shù)作用分析

巖土邊坡的縱向抗剪強(qiáng)度是邊坡構(gòu)造穩(wěn)定的一個(gè)主要指數(shù),對(duì)其進(jìn)行勘察有助于工程人員發(fā)現(xiàn)可能存在的滑坡穩(wěn)定性問(wèn)題,并基于觀測(cè)資料對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在巖土工程中,如果邊坡構(gòu)造不穩(wěn)定,極易引發(fā)滑坡,從而對(duì)周邊的建筑物、道路及居民的生活等構(gòu)成嚴(yán)重危害,并且由于邊坡的不穩(wěn)定,會(huì)引起巖石、土壤等物質(zhì)流失,最終影響到周邊的生態(tài)系統(tǒng)。目前,我國(guó)大部分區(qū)域已出臺(tái)了相應(yīng)的建筑工程技術(shù)規(guī)范,對(duì)巖土邊坡進(jìn)行了規(guī)定,以求在保證工程滿足相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的同時(shí),降低施工成本,確保工程的設(shè)計(jì)與維修工作可以高效開(kāi)展。

在實(shí)際巖土工程過(guò)程中,邊坡防護(hù)工作不容小覷,設(shè)計(jì)人員需要對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行勘查,綜合分析各種防護(hù)方法進(jìn)行可行性及執(zhí)行效果,能夠確保周邊的地面及房屋進(jìn)行有效的保護(hù),避免出現(xiàn)裂縫、滑坡等邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。邊坡防護(hù)工作如果出現(xiàn)問(wèn)題,很有可能會(huì)給周?chē)ㄖ?、生產(chǎn)生活帶來(lái)較大的安全風(fēng)險(xiǎn),增強(qiáng)其安全性需要采取恰當(dāng)?shù)姆绞健＿@就需要落實(shí)巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察技術(shù),降低或防止邊坡上的水土流失,在某種意義上減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的沖擊。

除了上述兩個(gè)方面之外,巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察可以讓工作人員了解施工地點(diǎn)的適應(yīng)性。根據(jù)巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù),確定區(qū)域內(nèi)的土體、巖體的性質(zhì),確保區(qū)域內(nèi)施工的可行性。在巖土工程領(lǐng)域,如何選取合理的施工方案,將直接關(guān)系到地基的穩(wěn)定性和安全性。在實(shí)際勘察過(guò)程中,不僅需要判斷地基的實(shí)際情況,確定地基的整體狀態(tài),又能對(duì)地基的巖土特性進(jìn)行評(píng)價(jià)與研究,進(jìn)一步確定地基的合理與安全,確保地基的穩(wěn)定性。同時(shí),在巖土建筑中,基礎(chǔ)的承載力也是一個(gè)重要的因素,通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)的適合度評(píng)價(jià),能夠?yàn)榛A(chǔ)承載力參數(shù)的選擇奠定基礎(chǔ),減少項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)。巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察得到的數(shù)據(jù)既可以作為相應(yīng)的試驗(yàn)資料,還可以作為后續(xù)的評(píng)價(jià)工作提供支撐。尤其是在數(shù)字時(shí)代背景下,通過(guò)巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察工作,工作人員可以及時(shí)了解項(xiàng)目運(yùn)行狀態(tài),對(duì)巖石邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行穩(wěn)定預(yù)報(bào)與監(jiān)控,讓工程符合建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求,為對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題與隱患展開(kāi)全面的剖析與評(píng)價(jià)。根據(jù)數(shù)據(jù)與監(jiān)控結(jié)果來(lái)進(jìn)行相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)管理,這對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量與安全有著非常重要的影響,也可以通過(guò)巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)控與評(píng)價(jià)。

2 巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察技術(shù)方法分析

首先,在進(jìn)行實(shí)地勘查前,必須對(duì)相關(guān)地質(zhì)、地貌以及周邊的基本條件有所了解,這樣才能更好地展開(kāi)巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察,確定邊坡穩(wěn)定性情況,從而為巖土工程項(xiàng)目的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。其次,通過(guò)對(duì)采集到的土體和巖石樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,獲得相應(yīng)的力學(xué)、壓縮、剪切、變形等指標(biāo),為各種條件下的土體和巖石樣品的穩(wěn)定評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。與此同時(shí),在勘查工作中,測(cè)量和監(jiān)測(cè)是十分關(guān)鍵的一部分,在此過(guò)程中,利用諸如位移計(jì)、地下水位測(cè)量?jī)x、激光掃描數(shù)據(jù)、邊坡表面水位計(jì)等的測(cè)量?jī)x表進(jìn)行勘測(cè),而利用這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以及時(shí)了解和處理巖土邊坡上出現(xiàn)的各種意外狀況和問(wèn)題,及時(shí)應(yīng)對(duì)。除此之外,還可以使用有關(guān)的建模分析軟件,比如Plaxis等,對(duì)邊坡的穩(wěn)定進(jìn)行研究。

在此基礎(chǔ)上,針對(duì)雨水滲透條件下巖石邊坡的縱向抗剪強(qiáng)度問(wèn)題,提出一系列新穎的地質(zhì)調(diào)查技術(shù)與方法。例如,以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ),以高精度的3D成像技術(shù)為基礎(chǔ),構(gòu)建出一種精確的巖土邊坡的3D物理模型,可以有助于勘察人員對(duì)其進(jìn)行深入的分析,對(duì)其在各種條件下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行仿真,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大規(guī)模的仿真計(jì)算,從而找到并修補(bǔ)邊坡中存在的問(wèn)題。同時(shí),將光纖作為一種新的檢測(cè)手段,用于對(duì)邊坡進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、高精度的檢測(cè),也是一種非常新穎的檢測(cè)手段。其中,所測(cè)得的數(shù)據(jù)包括應(yīng)變、水壓力、溫度、位移等,可以用來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化處理和分析,并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。再比如,將GIS與衛(wèi)星技術(shù)相融合,對(duì)巖土體邊坡處的含水層、受載區(qū)等進(jìn)行了研究。將基于人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的邊坡數(shù)據(jù)融合,逐步將其運(yùn)用到實(shí)際地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中,從而更加深入地認(rèn)識(shí)邊坡?tīng)顩r,并對(duì)其將來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題做出準(zhǔn)確判斷,為后續(xù)的工程建設(shè)提供依據(jù)。

很多地區(qū)氣溫、降水季節(jié)及非周期性波動(dòng)明顯,巖土邊坡常年處在干濕交替的氣候條件下,雨水滲透問(wèn)題突出,工程機(jī)械性能退化更加明顯。需要結(jié)合具體情況,設(shè)計(jì)出更加多元化的巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察技術(shù)同意,對(duì)不同含水量下的巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了分析,重點(diǎn)針對(duì)雨水滲透下的巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析。根據(jù)過(guò)往的分析工作來(lái)看,雨水滲透下抗剪強(qiáng)度的衰變與降雨次數(shù)、降雨振幅、初始含水量等因素密切相關(guān)。雨水滲透作用下,膨脹土的黏性會(huì)隨著雨水滲透作用而逐步衰減。

3 巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察技術(shù)實(shí)例分析

為深入探討雨水滲透作用下,巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度變化情況,揭示雨水對(duì)巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度的作用機(jī)理,本項(xiàng)目以某工程項(xiàng)目的巖土邊坡為例,通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),并針對(duì)當(dāng)?shù)氐慕邓畻l件,開(kāi)展典型的室內(nèi)實(shí)驗(yàn),采用室內(nèi)、室外實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,進(jìn)行有限元計(jì)算和有限元仿真。

3.1 工程概述

以某項(xiàng)目工程為例,該建設(shè)項(xiàng)目用地在平緩的丘陵地帶,整體走勢(shì)為坡地,在實(shí)際施工過(guò)程中,涉及諸多不同的邊坡施工環(huán)節(jié),需要展開(kāi)相應(yīng)的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì),為了確保設(shè)計(jì)工作的穩(wěn)定性,展開(kāi)了相應(yīng)的巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度的勘察,并且考慮到當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境,分析在雨水滲透條件因素下,巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度變化情況,明確邊坡穩(wěn)定性,進(jìn)一步確定具體的支護(hù)方案。以該施工項(xiàng)目為例,在實(shí)際施工過(guò)程中,具體包括三個(gè)巖土工程邊坡內(nèi)容,分別為兩個(gè)一級(jí)邊坡和一個(gè)三級(jí)邊坡。以基坑周邊東部為主,多為陡峭基坑,其斜率為1類(lèi),最高巖土邊坡為70米。另外,還有一些基坑周邊為土質(zhì)邊坡,以基坑周邊為重點(diǎn),最高巖土邊坡高度為38米,為一類(lèi)邊坡。還有一些開(kāi)挖方邊坡,也有少數(shù)的填筑方邊坡,多為三級(jí)斜率,多為4～8米的巖土邊坡高度。為了確保施工項(xiàng)目的順利開(kāi)展,針對(duì)巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了探討,從過(guò)往的施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度參數(shù)會(huì)影響到邊坡殘余下滑力,因此,確定巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度是確保邊坡穩(wěn)定的重要依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

因?yàn)樵摴こ添?xiàng)目位于一個(gè)高差109.0m的巖土邊坡上,所以在進(jìn)行縱向抗剪強(qiáng)度勘察之前,還需要確定具體的施工方案、施工要求、施工標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而展開(kāi)相應(yīng)的檢驗(yàn)。該工程項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用巖土計(jì)算軟件和Bishop條分法,對(duì)開(kāi)挖邊坡的現(xiàn)有穩(wěn)定進(jìn)行了研究,表1為巖土物理力學(xué)性指標(biāo)參數(shù)和表2為邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出,該工程項(xiàng)目存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn),必須要落實(shí)相應(yīng)的支護(hù)工作,以此避免出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)等問(wèn)題。但在實(shí)際落實(shí)過(guò)程中,還需要對(duì)巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度衰減情況進(jìn)行分析,以此判斷具體的衰減積累量和單次雨水滲透下衰減量,式(1)、式(2)為具體的計(jì)算公式。從實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)看,縱向抗剪強(qiáng)度衰減主要由黏聚力的衰減作用產(chǎn)生,內(nèi)摩擦角的衰減作用較小?；诖?進(jìn)一步計(jì)算分析抗剪強(qiáng)度衰減擬合,以此掌握衰減規(guī)律,式(3)為擬合函數(shù)公式。其中T為黏聚力衰減累積量,N為雨水次數(shù)、C1和C2為擬合參數(shù)。

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

(1)

(2)

T=C1ln(N)+C2

(3)

3.3 結(jié)果分析

為了對(duì)雨水滲透下的巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度的改變進(jìn)行深入的分析,在每次降水之后,在巖土邊坡下2cm和8cm的地方,分別采集六個(gè)圓刀形的樣品,對(duì)它們進(jìn)行直接剪切實(shí)驗(yàn),獲得它們?cè)诟鞣N垂直載荷(50,100,200,300和400kPa)下,在這些樣品的相同深度(50,100,200,300和400kPa)下,在這些樣品中,選取了最具有代表性的垂直載荷(100kPa)下,在這些樣品的不同深度和重復(fù)范圍內(nèi),它們的剪切強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生相應(yīng)的改變。在雨水滲透的條件下,邊坡土壤的剪切強(qiáng)度與其干、濕周復(fù)變的關(guān)系。隨著雨水滲透增大,縱向抗剪強(qiáng)度逐步降低,直至達(dá)到一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的水平;在雨水滲透之后縱向抗剪強(qiáng)度的衰減程度最大,并且會(huì)隨著雨水循環(huán)持續(xù)降低,但隨后縱向抗剪強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。雨水滲透下,2cm的土的抗剪強(qiáng)度的衰減大于8cm,表明該效應(yīng)對(duì)表層土的作用較弱。在相同的厚度下,降水量較大的情況下,巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度的衰減要大于輕微降水下的土壤。研究表明,隨著雨水滲透的增加,邊坡的安全指數(shù)逐漸減小,當(dāng)雨水滲透率達(dá)到最高時(shí),安全指數(shù)趨于1,隨后就有可能出現(xiàn)滑坡問(wèn)題。隨著雨水滲透的增大,邊坡的安全系數(shù)逐漸減小,因其層理及幾何學(xué)特征,在邊坡的薄弱點(diǎn)部位,首先發(fā)生了塑性形變,然后,屈服點(diǎn)逐漸上升,直至形成一條貫穿土壤的剪力斷裂[1]。

4 雨水滲透下巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度勘察工作分析

雨水滲透是影響巖土體縱剖面剪切性能的主要因素之一,結(jié)合上述實(shí)際案例來(lái)看,其顯著影響了巖土體的黏結(jié)力、降低了內(nèi)部摩擦力、加劇了裂縫擴(kuò)展、影響了基巖的穩(wěn)定等,給巖土工程的安全帶來(lái)了巨大的威脅。具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

第一,加強(qiáng)黏性,降低內(nèi)摩擦。在雨水滲透后,巖石中的黏性將得到加強(qiáng),從而提高巖石的力學(xué)性能。雨水滲透效應(yīng)使巖石與土體之間的摩擦減小,使巖石與土體之間的縱向抗剪強(qiáng)度下降。為解決該問(wèn)題,需要通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、調(diào)整土壤結(jié)構(gòu)、使用合適的土壤改良劑來(lái)改善土壤的黏性與穩(wěn)定性。另一方面,地面上的植物能夠提高土體的水分吸收,維持地面上的植物或表層的草皮可以降低雨水對(duì)土體的直接侵蝕,進(jìn)而降低土體的摩擦系數(shù)。此外,適當(dāng)?shù)墓喔确椒ㄟ€有助于增加土體的凝固性,降低內(nèi)摩擦力,比如利用滴灌、噴灌等方法,使得水分的分配更加合理,避免了過(guò)多的水分損失,降低了沖刷[2]。

第二,使裂隙擴(kuò)大。在坡度較大的地方,由于雨水滲透頻繁,有沖擊作用,使得巖石的裂隙擴(kuò)展速度加快,更多的水分進(jìn)入巖石中,使得巖石的裂隙擴(kuò)展更加嚴(yán)重。為解決這一問(wèn)題,本項(xiàng)目擬通過(guò)修建防護(hù)墻、增加植被、種植耐旱性較好的植被等方式,減少地下水侵蝕和地表裂紋擴(kuò)展[3]。在此基礎(chǔ)上,提出了一套合理的、有效的儲(chǔ)水措施,并提出了相應(yīng)的防滲措施。比如,在雨季來(lái)臨前,可以設(shè)置一個(gè)蓄水池,將雨水集中起來(lái),這樣既能防止快速損失,又能緩慢地滲入土地。除此之外,對(duì)于比較明顯的地面裂縫,還必須通過(guò)對(duì)其進(jìn)行擠出或填充的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ),從而減小其擴(kuò)展的幅度。除此之外,進(jìn)行合理的強(qiáng)化和固化,從而減少其對(duì)土壤的侵蝕,顯著降低其下沉的危險(xiǎn)[4]。

第三,對(duì)基礎(chǔ)巖體的穩(wěn)定的影響:除了以上所說(shuō)之外,雨水滲透的浸潤(rùn)還會(huì)將基礎(chǔ)巖體表層的泥土及疏松材料沖刷掉,從而將基礎(chǔ)巖體挖出表層,更是對(duì)基礎(chǔ)巖石的穩(wěn)定造成了更大的損害,進(jìn)而造成整個(gè)邊坡滑坡。為了應(yīng)對(duì)此問(wèn)題,必須通過(guò)定時(shí)測(cè)定水位高度,實(shí)時(shí)監(jiān)控巖石內(nèi)孔隙內(nèi)的水汽對(duì)巖石內(nèi)的滲透作用,從而能夠?qū)矁?nèi)存在的隱患進(jìn)行有效防治。在地下水滲漏比較嚴(yán)重的地區(qū),應(yīng)該在巖石表層涂以防滲層。比如,可以通過(guò)打孔灌漿來(lái)建立一個(gè)密閉的三維防水結(jié)構(gòu),有了這個(gè)防水材料,雨水就會(huì)被擋在墻外,這樣就可以降低墻內(nèi)的滲水量。此外,為了減輕對(duì)巖體體系的沖擊,還應(yīng)在關(guān)鍵地段設(shè)置一條排泄管道,以便將雨水排入巖體中。這些被回收的水可以被重新使用,或者被用于周?chē)募儍羲到y(tǒng)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述,雨水滲透下巖土邊坡縱向抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸降低,且在斜坡中部因?qū)永?、幾何形態(tài)等原因形成的軟弱部位會(huì)發(fā)生塑變,進(jìn)而形成一條貫穿整個(gè)斜坡的剪力區(qū),因此還需要在巖土邊坡中部較弱部位加設(shè)防滑支撐以增強(qiáng)其穩(wěn)定的方案。