不同位置抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性分析

摘 要：為進(jìn)一步提高邊坡穩(wěn)定性，本文提出利用抗滑樁加固邊坡，并利用模型箱試驗(yàn)?zāi)M不同降雨時間及抗滑樁位置對邊坡穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)抗滑樁選擇在坡中上部附近時，基質(zhì)吸力下降幅度較小。當(dāng)樁布置位置位于邊坡的坡中及中上部時，土體基質(zhì)吸力受影響較大。在降雨過程中，不同抗滑樁位置的飽和度均呈先緩慢上升后急劇增加的趨勢。且坡中下部的土體飽和度僅為0.21，較坡中及坡中上部降低71.42%、42.85%。當(dāng)樁間距為6m時，穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最高。因此，當(dāng)樁位靠近邊坡中下部時，抗滑樁能起到較好的抗滑效果，防止坡體發(fā)生位移。

關(guān)鍵詞：抗滑樁；邊坡；穩(wěn)定性；基質(zhì)吸力；邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)

中圖分類號：TU 457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國道路與橋梁的數(shù)量持續(xù)遞增邊，邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象愈發(fā)頻繁。導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的原因有很多，從工程建設(shè)來看，不合理的邊坡設(shè)計、對周邊地形地質(zhì)片面的了解、錯誤的邊坡加固方法等都有可能誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，同時自然因素的影響也是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素[1]。由于邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的災(zāi)害對國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)事業(yè)造成危害。因此，在工程建設(shè)的過程中，不僅要對邊坡采取“因地制宜”的方法，同時也要加強(qiáng)日常對邊坡的監(jiān)測與防護(hù)[2]。

而邊坡加固管理的首要目標(biāo)是確保邊坡工程的穩(wěn)定性[3-4]。雖然關(guān)于樁長、抗滑樁材料等因素對邊坡抗滑穩(wěn)定性影響的研究成果較多，但目前較少研究不同位置的抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性影響，尤其是降雨過程中的邊坡穩(wěn)定性[5]。而降雨滲透是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。降雨入滲會改變邊坡的整體滲流場，使土體的力學(xué)特性發(fā)生一定程度衰減，從而降低邊坡的穩(wěn)定性。由于抗滑樁的存在，抗滑樁加固后的邊坡會改變邊坡內(nèi)部的滲流場?；诖?，本文利用模型試驗(yàn)，進(jìn)一步探究不同降雨時間及不同位置的抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性。

1 工程概況及試驗(yàn)方法

1.1 工程概況

邊坡地勢總體呈現(xiàn)北高南低趨勢，最高點(diǎn)位于北側(cè)山體坡頂，海拔92m。邊坡段道路海拔52m左右，最低點(diǎn)位于南側(cè)邊坡山溝地帶，海拔38m左右。地形坡度約40°，邊坡范圍內(nèi)自后緣到前緣海拔92m～38m，高差相對較大。場地表層分布?xì)埰路e坡洪積含黏性土碎石，灰黃色，中密狀，厚度為11m～18.8m；下伏基巖為茶灣組凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化層灰黃色，風(fēng)化強(qiáng)烈，厚度約2m～3m，中風(fēng)化層巖質(zhì)較硬，巖體較完整，邊坡土體主要由回填土、粉質(zhì)黏土、淤泥黏土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等組成，土壤參數(shù)見表1。

邊坡體目前主要表現(xiàn)為邊坡體后緣下錯0.5m～1.6m，已建道路擋土墻出現(xiàn)平行于坡向?qū)?m～30cm的貫通裂縫，前緣出現(xiàn)局部隆起、推移產(chǎn)生的裂縫。邊坡區(qū)屬剝蝕—侵蝕作用形成的斜坡—溝谷地貌類型。邊坡區(qū)巖體分布連續(xù)，由上部的強(qiáng)風(fēng)化巖石與下部的中風(fēng)化巖石組成。邊坡區(qū)強(qiáng)風(fēng)化層巖質(zhì)軟、巖體破碎且存在泥化，埋深較淺，厚度變化較大，力學(xué)強(qiáng)度較低，抗風(fēng)化能力較差。邊坡區(qū)中風(fēng)化層巖質(zhì)較硬、巖體致密較破碎，埋深較深，厚度較大，力學(xué)強(qiáng)度較高，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，巖體穩(wěn)定性良好。邊坡高度為13.7m，邊坡角度為30°。邊坡土質(zhì)均勻，黏聚力為15kPa，內(nèi)摩擦角為20°。邊坡危害對象為附近居民、過往車輛及邊坡前緣勞作的群眾，邊坡危害對象等級為三級，因此需要對邊坡進(jìn)行加固。

1.2 模型箱制備

為提高邊坡穩(wěn)定性，本文利用抗滑樁對邊坡進(jìn)行加固，采用模型箱模擬實(shí)際邊坡，邊坡抗滑樁模型裝置為自主設(shè)計制造。根據(jù)相似性原理進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)。通過熱傳導(dǎo)傳感器測量邊坡土體基質(zhì)吸力，環(huán)刀切取土樣進(jìn)行飽和度測試。模型箱由支撐柱、支座、兩側(cè)擋土板、坡腳擋土板和兩塊坡面擋土板組裝而成。組裝后的模型箱頂部和一側(cè)不封閉，箱底的傾角為30°。模型箱的外觀尺寸為3m×6m×5m，相似比為1∶100[6]。模型箱由3mm厚的鐵質(zhì)材料制成。為防止其他因素對試驗(yàn)結(jié)果造成干擾，在試驗(yàn)過程中對土體進(jìn)行充分壓實(shí)，將加載板水平放置在邊坡頂部，將砝碼作為恒載放置在加載板上并固定模型盒的位置，以防止模型盒移動。在物理模型試驗(yàn)中，模型樁由空心鋁合金制成。模型樁與原型樁的幾何相似比為1∶100。模型樁底部用圓形平底鋁蓋密封。裝置安裝完成后，將土骨料分批次倒入模型裝置中，并在澆筑骨料的同時分層埋設(shè)土壓箱。將7個土壓箱埋在設(shè)計位置，對骨料進(jìn)行靜壓并重復(fù)多次，直到達(dá)到設(shè)計高度。卸掉下部擋土擋板，待骨料受重力影響后，樁柱周邊集料達(dá)到平衡，停止運(yùn)動。

邊坡坡高度為2m，地基深度為1.7m，地下水位低于地面，邊坡水平總長度為6.0m，斜坡坡度為1∶1.5。同時設(shè)置A、B、C、D 4個監(jiān)測單元，A點(diǎn)設(shè)置在坡腳，B點(diǎn)和C點(diǎn)分別設(shè)置樁中下部及樁中上部，D點(diǎn)在坡頂?？够瑯赌Ｐ脱b置為自主設(shè)計制造。根據(jù)相似性原理，進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)?？够瑯兜臉渡沓尚筒牧蠟榫郯滨ジ叻肿泳酆衔颷7-8]，樁直徑D為0.2m，樁長為0.7m，邊坡土質(zhì)材料為非飽和土。在模擬箱頂部安裝噴水設(shè)備，以模擬實(shí)際降雨，降水速度為0.11mm/h，且降雨持續(xù)時間分別為10h、20h和30h。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同抗滑樁位置對邊坡基質(zhì)吸力的影響

抗滑樁的位置不同，其與土體的接觸面也不同，在其接觸區(qū)內(nèi)，土體與樁體之間的作用力也不同，因此，抗滑樁加固邊坡后，對邊坡基質(zhì)吸力的影響也不同。

由于抗滑樁是支護(hù)結(jié)構(gòu)，抗滑樁受力均勻，只受軸力作用，因此計算分析時只考慮軸力作用。在本研究中，抗滑樁設(shè)置在3個位置：坡中下部（距離坡腳1/3處）、坡中（距離坡腳1/2處）和坡中上部（距離坡腳2/3處），利用傳感器進(jìn)一步探究不同抗滑樁位置條件下的邊坡基質(zhì)吸力變化。

圖1為不同抗滑樁位置條件下的邊坡土體基質(zhì)吸力變化。由圖1可知，隨著抗滑樁位置不同，邊坡基質(zhì)吸力均呈下降的趨勢，但是變化幅度有一定差異；抗滑樁位于坡中上部時，邊坡基質(zhì)吸力降低幅度最大。且當(dāng)降雨時間為10h時，不同抗滑樁位置的土體基質(zhì)吸力數(shù)值均較大，最大基質(zhì)吸力高達(dá)180kPa，且平均基質(zhì)吸力為173kPa。而基質(zhì)吸力越大時，會進(jìn)一步增加土體抗剪強(qiáng)度，?有利用提高邊坡穩(wěn)定性。而當(dāng)降雨時間為20h時，邊坡土體基質(zhì)吸力急劇下降，坡中下部的基質(zhì)吸力為80kPa，比降雨時間10h下降55.55%，且坡中及坡中上部的基質(zhì)吸力比降雨時間10h分別下降73.52%、78.31%，主要原因?yàn)榻涤耆霛B使邊坡土體的水分增大，?導(dǎo)致邊坡土體產(chǎn)生一定軟化，且此時土體顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度和內(nèi)摩擦力急劇下降，進(jìn)一步影響土體抗剪強(qiáng)度。同時，抗滑樁的位置不同，其與土體的接觸面也不同，在其接觸區(qū)內(nèi)，土體與樁體之間的作用力也不同，因此，抗滑樁加固邊坡后，對邊坡基質(zhì)吸力的影響也不同。

當(dāng)抗滑樁選擇在坡中上部附近時，基質(zhì)吸力下降幅度較小。當(dāng)樁布置位置位于邊坡的坡中及中上部時，土體基質(zhì)吸力受影響較大[9]，主要原因?yàn)槠轮幸陨喜课徊焕谂潘陀晁疂B流，且樁前的土體達(dá)到飽和所需的時間較少，會導(dǎo)致樁前土體的塑性破壞較多。當(dāng)降雨時間達(dá)到30h時，不同樁位置的基質(zhì)吸力持續(xù)減小，最小基質(zhì)吸力為30kPa。因此，當(dāng)抗滑樁位移坡中下部位置時，不同降雨時間條件下的邊坡土體基質(zhì)吸力較大，有利用抵抗土體滑移，提高邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)抗滑樁位于中下部時，坡體中的土壓力增加了土體與抗滑樁的接觸面摩擦力；而抗滑樁位于中下部時，坡體中的土壓力減少了土體與抗滑樁之間的接觸面摩擦力。

2.2 不同抗滑樁位置對邊坡飽和度的影響

將不同抗滑樁放置在不同邊坡位置后，實(shí)施不同降雨時間，并在降雨時間10h、20h、30h后，利于環(huán)刀切取土樣進(jìn)行飽和度測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在降雨過程中，不同抗滑樁位置的飽和度均呈先緩慢上升后急劇增加的趨勢。且土壤飽和度從0.09開始持續(xù)增加（降雨時間10h）。當(dāng)降雨時間開始延長時，雨水不斷入滲邊坡土體，土壤飽和度迅速增加。當(dāng)降雨時間為20h時，坡中下部、坡中及坡中上部的飽和度數(shù)值較接近，平均飽和度為0.15，當(dāng)邊坡飽和度增加時，?邊坡垂直位移會進(jìn)一步增大，影響邊坡的不穩(wěn)定性。而在降雨過程中，當(dāng)樁位靠近邊坡中下部布置時，邊坡土體飽和度低于坡中及坡中上部，主要原因?yàn)闃段晃挥谥邢虏繒r，滲入雨水利于流排，可以在一定程度上改善樁前土體的力學(xué)特性。由于坡中及中上部的土體黏聚力較差，抗滑樁加固的土體不能提供足夠的抗滑力，同時，邊坡作為一個整體受到不同程度的應(yīng)變，導(dǎo)致土梯飽和度變大。而當(dāng)降雨時間為30h時，坡中及坡中上部的飽和度增加幅度變大，較降雨10h分別增加300%、233.3%。而坡中下部的土體飽和度僅為0.21，較坡中及坡中上部降低71.42%、42.85%，進(jìn)一步表明坡中及中上部過高的土體邊坡飽和度，會增加滑坡現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)樁位靠近邊坡中下部時，抗滑樁能起到較好的抗滑效果，防止坡體發(fā)生位移。

2.3 抗滑樁間距對邊坡穩(wěn)定性的影響

抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性分析是邊坡加固設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，由于抗滑樁加固邊坡后，其間距不同，對邊坡的穩(wěn)定性影響也不相同。因此，抗滑樁間距的選取至關(guān)重要。且由2.1、2.2節(jié)可知，當(dāng)抗滑樁位于坡中下部處，邊坡穩(wěn)定性最好。而抗滑樁的間距也會進(jìn)一步影響邊坡的穩(wěn)定性，因此本節(jié)進(jìn)一步探究不同抗滑樁間距及降雨時間條件下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在不同降雨時間下，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于1，而邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1，表明邊坡較穩(wěn)定，數(shù)值越接近1，邊坡的穩(wěn)定性越差。隨著降雨時間延長，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均呈下降的趨勢，且降雨時間越長，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)下降的速度越快，主要原因?yàn)榻涤陼r間延長，邊坡土力學(xué)特性的恢復(fù)能力逐漸降低，且導(dǎo)致土體的基質(zhì)吸力下降，邊坡土體的力學(xué)性能下降，易使邊坡發(fā)生塑性破壞。當(dāng)降雨時間為10h時，不同抗滑樁間距的安全系數(shù)均接近2，邊坡穩(wěn)定性較好。當(dāng)降雨時間為20h時，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)開始下降。當(dāng)樁間距為2m、4m、6m、8m時，降雨時間20h的安全系數(shù)比降雨時間10h分別下降11.76%、10.52%、4.76%、11.11%。而當(dāng)降雨時間達(dá)到30h時，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)數(shù)值達(dá)到最低，不同抗滑樁間距的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.2、1.5、1.7、1.3，比降雨時間10h分別下降36.84%、28.57%、22.7%、35%，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)下降幅度較大，因此隨著抗滑樁遭受的降雨時間延長，邊坡的安全系數(shù)越大，且雨水對坡體的損害較大，由于抗滑樁對邊坡的作用有限，抗滑樁無法起到加固邊坡的作用。因此在實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮多種因素來確定抗滑樁的位置。當(dāng)樁間距為6m時，穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最高。而在相同降雨時間下，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著抗滑樁間距增加，呈先增加后下降的趨勢。當(dāng)降雨時間為10h時，抗滑樁間距為6.0m的穩(wěn)定性安全系數(shù)最大；抗滑樁間距為2.0m時的安全系數(shù)最小。因此，將樁間距設(shè)置為6m，可以讓抗滑樁的樁群效應(yīng)更容易發(fā)揮作用，使抗滑樁的加固效果更好。

3 結(jié)語

當(dāng)降雨時間達(dá)到30h時，不同樁位置的基質(zhì)吸力持續(xù)減小，最小基質(zhì)吸力為30kPa。因此當(dāng)抗滑樁位移坡中下部位置時，不同降雨時間條件下的邊坡土體基質(zhì)吸力較大，有利用抵抗土體滑移，提高邊坡的穩(wěn)定性土體蠕變效應(yīng)。

當(dāng)樁位靠近邊坡中下部布置時，邊坡土體飽和度低于坡中及坡中上部，當(dāng)樁位位于中下部時，滲入雨水利于流排。

隨著降雨時間延長，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)均呈下降的趨勢，且降雨時間越長，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)下降的速度越快。當(dāng)抗滑樁間距為6.0m時的穩(wěn)定性安全系數(shù)最大。

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