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        膨脹巖路塹邊坡病害機(jī)理與防護(hù)技術(shù)探討

        2014-11-19 06:52:57王建軍何小林王濤
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2014年26期
        關(guān)鍵詞:邊坡防護(hù)路塹

        王建軍+何小林+王濤

        摘 要:膨脹巖因其脹縮機(jī)理、力學(xué)性狀以及空間分布上的復(fù)雜性,使其成為工程地質(zhì)學(xué)和巖土工程領(lǐng)域中最復(fù)雜的研究課題之一。該文針對(duì)工程中常遇的膨脹巖路塹邊坡工程,從其病害特征出發(fā),探討了膨脹巖路塹邊坡的破壞機(jī)理,并分析了影響因素;給出膨脹巖路塹邊坡設(shè)計(jì)的基本原則,并總結(jié)了工程實(shí)踐中的膨脹巖邊坡防治技術(shù)措施。強(qiáng)調(diào)“以膨脹巖基本工程性狀認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ),采取綜合防治方法,靈活運(yùn)用各類(lèi)防治措施”的思想,為膨脹巖邊坡工程建設(shè)提供有益的參考。

        關(guān)鍵詞:膨脹巖 路塹 邊坡防護(hù) 破壞機(jī)理

        中圖分類(lèi)號(hào):U213.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2014)09(b)-0105-04

        膨脹巖土屬于特殊巖土,在我國(guó)分布較廣[1]。因膨脹巖具有顯著的脹縮特性,工程中往往不宜做出正確的評(píng)價(jià),且施工方法缺乏應(yīng)變能力,給實(shí)際工程帶來(lái)許多預(yù)料不到的危害[2]。近年來(lái),隨著高速公路、鐵路等工程的建設(shè)的快速發(fā)展,許多工程涉及到了膨脹巖路塹邊坡問(wèn)題。

        工程人員借助工程地質(zhì)學(xué)、巖體力學(xué)和土力學(xué)等學(xué)科的知識(shí)和成果,對(duì)膨脹巖邊坡進(jìn)行了研究與探討,在理論和實(shí)踐兩方面均取得了一些進(jìn)展[3]。蔣忠信等[4]從膨脹巖的脹縮性、碎裂性、低強(qiáng)度性及膨脹巖路塹邊坡支護(hù)工程的適應(yīng)性分析入手,提出了以膨脹巖工程地質(zhì)分類(lèi)為基礎(chǔ)的膨脹巖地區(qū)鐵路選線和路塹邊坡設(shè)計(jì)原則;答治華等[5]在對(duì)膨脹巖邊坡進(jìn)行病害特征地質(zhì)調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上,提出了膨脹巖邊坡的防護(hù)加固原則;楊慶等[6]總結(jié)近幾年的研究成果,認(rèn)為在處理膨脹巖邊坡工程時(shí),應(yīng)盡量避免原巖擾動(dòng),減小活化程度,有效的隔離膨脹巖與水分的接觸,做好防排水工作,利用錨桿、錨索、支護(hù)或擋板等加固巖體,采取控制與適度膨脹相結(jié)合的防治方法;李青云等[7]對(duì)南水北調(diào)中線工程中的典型膨脹巖進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究,提出了膨脹巖渠坡治理的主要措施和設(shè)計(jì)施工導(dǎo)則,并對(duì)比了不同措施的處治效果。

        盡管在工程實(shí)踐中,對(duì)膨脹巖邊坡已積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn),但其邊坡病害問(wèn)題仍不斷出現(xiàn),這與膨脹巖邊坡的工程特性與病害機(jī)理認(rèn)識(shí)不足不無(wú)關(guān)系。因此,該文從膨脹巖路塹邊坡的病害特征出發(fā),闡述膨脹巖邊坡的破壞機(jī)理及影響因素,總結(jié)了膨脹巖路塹邊坡的設(shè)計(jì)基本原則,并針對(duì)其病害提出可采取的防治技術(shù)措施,以期為加深對(duì)膨脹巖邊坡的認(rèn)識(shí)提供一定參考。

        1 膨脹巖路塹邊坡病害特點(diǎn)

        膨脹巖路塹邊坡病害多是在工程開(kāi)挖暴露條件下,因水的作用而發(fā)生,暴露失水、風(fēng)化和降雨是膨脹巖產(chǎn)生強(qiáng)烈干縮膨脹的先決條件。因此,膨脹巖的病害分析必須考慮工程開(kāi)挖和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能引起的工程環(huán)境變化。

        膨脹巖邊坡失穩(wěn)的特點(diǎn)是在無(wú)支護(hù)條件下,淺層逐次發(fā)生開(kāi)裂、剝落和滑塌,如圖1所示;在有支護(hù)條件下,常見(jiàn)表面開(kāi)裂,嚴(yán)重時(shí)支護(hù)整體性喪失穩(wěn)定性。在反復(fù)浸水和失水作用下,淺層膨脹巖邊坡體反復(fù)脹縮,使巖體結(jié)構(gòu)遭破壞,原有力學(xué)強(qiáng)度衰減,直至無(wú)法自穩(wěn)而滑塌,巨大的膨脹壓力是引起支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的根本原因。膨脹巖滑坡往往具有:①季節(jié)性;②區(qū)域氣候性;③逐級(jí)牽引性;④漸進(jìn)性;⑤結(jié)構(gòu)與構(gòu)造性;⑥淺層性;⑦在相當(dāng)平緩的邊坡上也會(huì)發(fā)生滑坡。膨脹巖滑坡的這些特征,除了當(dāng)?shù)氐臍夂蚝偷匦蔚纫蛩赝猓€與膨脹巖本身所具有的多裂隙結(jié)構(gòu)和構(gòu)造性有關(guān),其邊坡破壞受到軟弱結(jié)構(gòu)面的控制,如圖2所示。

        膨脹巖邊坡的破壞形態(tài)既不同于巖石的破壞形態(tài),也不同于土體的破壞形態(tài),其破壞形態(tài)可分為:①單平面滑動(dòng);②平面張裂滑動(dòng);③追蹤式階梯形滑動(dòng);④屈服拉裂剪切滑動(dòng);⑤弧形滑動(dòng);⑥脹裂破壞。工程中最為常見(jiàn)的破壞形態(tài)為脹裂破壞。就膨脹巖邊坡的變形破壞類(lèi)型而言,可分為三種破壞類(lèi)型。①坡體失穩(wěn);②坡面失穩(wěn);③邊坡失穩(wěn)[8]。其中又以坡面失穩(wěn)和邊坡失穩(wěn)兩種類(lèi)型為主。坡面失穩(wěn)的破壞形式有剝落、溜塌、局部崩塌;邊坡失穩(wěn)的破壞形式有坍塌和滑坡。膨脹巖的坡面病害一般發(fā)生在邊坡表層受氣候影響較大的區(qū)帶內(nèi),其深度與大氣營(yíng)力的作用直接相關(guān),但一般不超過(guò)lm。濕脹干縮是膨脹巖產(chǎn)生這類(lèi)病害的原因。坍塌是膨脹巖邊坡中最常見(jiàn)的病害形式之一。邊坡開(kāi)挖引起坡腳應(yīng)力集中,同時(shí)膨脹巖巖體結(jié)構(gòu)破碎,吸水膨脹導(dǎo)致巖體強(qiáng)度衰減是產(chǎn)生這類(lèi)病害的根本原因。坍塌體的邊界受到巖體結(jié)構(gòu)面控制,規(guī)模不一,大的可波及到整個(gè)坡體。

        2 膨脹巖路塹邊坡破壞機(jī)理

        膨脹巖邊坡在開(kāi)挖后將經(jīng)歷不同階段的動(dòng)態(tài)變形。開(kāi)挖后邊坡表現(xiàn)出前緣水平滑動(dòng)為主,后緣垂直下坐的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),但裂縫充水,受到持續(xù)孔隙水壓力作用時(shí),邊坡表現(xiàn)出整體滑動(dòng)趨勢(shì)。在強(qiáng)膨脹巖中,常沿強(qiáng)度較低的面形成中型滑坡。但下伏砂巖、泥質(zhì)砂巖中有地下水補(bǔ)給時(shí),滑帶可向下發(fā)展至膨脹巖內(nèi),出現(xiàn)順層滑動(dòng),也可以產(chǎn)生切層滑動(dòng)。

        3 膨脹巖邊坡失穩(wěn)的影響因素

        影響膨脹巖邊坡失穩(wěn)的主要影響因素有工程特性、邊坡形狀和工作條件、干濕效應(yīng)、開(kāi)挖及加固措施等[9]。歸納起來(lái),分為三個(gè)方面:巖體內(nèi)在原因、外在環(huán)境影響和人類(lèi)工程活動(dòng)[10]。①巖體內(nèi)在原因主要表現(xiàn)在物質(zhì)組成、裂隙作用和濕化性影響。膨脹巖含有大量親水粘土礦物,如蒙脫石、伊利石等,具有吸水膨脹和失水干縮特性,這是影響其宏觀工程性質(zhì)的最關(guān)鍵因素。裂隙的存在破壞了巖體的連續(xù)性,同時(shí)也為風(fēng)化營(yíng)力進(jìn)入巖體提供了通道,使得風(fēng)化作用隨著結(jié)構(gòu)構(gòu)造面延伸至地表以下較深的部位,也為工程性質(zhì)更差的裂隙面填充物質(zhì)提供了場(chǎng)所;此外,裂隙造成了巖體應(yīng)力集中,為邊坡的連續(xù)破壞創(chuàng)造條件。濕化性決定著膨脹巖邊坡的坡面風(fēng)化病害特征,同時(shí)也影響著邊坡的坡體病害。②外在環(huán)境因素主要有:氣候、地形地貌、地表水與地下水條件等。對(duì)于膨脹巖邊坡,水的軟化作用不容忽視,水能加劇膨脹巖的干濕循環(huán)作用,降低滑面(帶)巖土強(qiáng)度,促使和加劇滑坡的形成和滑動(dòng)。氣候變遷與氣象變化,也常導(dǎo)致膨脹巖邊坡失穩(wěn),歸根結(jié)底也是因?yàn)樗挠绊?。③人?lèi)工程活動(dòng)的影響。人們?cè)谂蛎泿r地區(qū)所采取的不當(dāng)工程活動(dòng)(如勘察不準(zhǔn)確、設(shè)計(jì)方案不合理或施工方法欠妥等)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,也是觸發(fā)滑坡發(fā)生和發(fā)展的重要因素。endprint

        4 膨脹巖路塹邊坡的設(shè)計(jì)原則

        膨脹巖邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)基于其變形機(jī)制和破壞模式,根據(jù)不同的變形機(jī)制和潛在破壞模式設(shè)計(jì)相應(yīng)的防護(hù)加固對(duì)策,以“放緩邊坡、坡腳支擋、非全封閉防護(hù)”為宜[11]。用樁、墻固腳可解決坡腳巖體強(qiáng)度不足的問(wèn)題并抵御滑動(dòng),以采用抗滑樁、重力式抗滑擋土墻或重力式錨桿擋土墻較有效??够瑯缎枰紤]側(cè)壁應(yīng)力的控制,加大埋深。擋土墻埋深需要超過(guò)氣候劇烈影響層,考慮附加膨脹力加大截面以抗傾覆[12]。另外,邊坡設(shè)計(jì)時(shí),還必須綜合考慮膨脹巖土的類(lèi)型、性質(zhì)、填筑條件,工程措施以及地區(qū)氣候特點(diǎn)等因素。上部邊坡放緩至穩(wěn)定坡率,與巖體低剪切強(qiáng)度相適應(yīng)。分級(jí)留平臺(tái)以減小趾部壓力。坡面防護(hù)措施貫徹“允許膨脹力釋放和裂隙水排泄”的宜疏勿堵的原則,以采用錨桿框架加草皮護(hù)坡和干砌片石護(hù)坡等非全封閉防護(hù)為宜。若采用全封閉的漿砌片石護(hù)坡,則應(yīng)注意泄水,加大厚度;若采用漿砌片石骨架加草皮護(hù)坡,則應(yīng)加大骨架的埋深和截面,避免淺層溜坍和坡面鼓脹。

        現(xiàn)行《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10035-2006)[13]提出膨脹巖路塹邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)遵循:“緩坡率、寬平臺(tái)、加固坡腳和適宜的坡面防護(hù)相結(jié)合的原則”;邊坡坡率及平臺(tái)寬度視邊坡的高度及巖土質(zhì)條件按表1設(shè)計(jì),邊坡高度大于10 m時(shí)應(yīng)結(jié)合穩(wěn)定性分析計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)規(guī)范對(duì)邊坡防護(hù)加固給出了應(yīng)遵循的規(guī)定:

        a)可能發(fā)生淺層破壞時(shí),宜采取半封閉的相對(duì)保濕防滲措施;

        b)可能發(fā)生深層破壞時(shí),應(yīng)結(jié)合淺層破壞,通過(guò)邊坡穩(wěn)定性分析確定加固處理措施;

        c)膨脹巖強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)采用低于峰值強(qiáng)度值,可采用反算和經(jīng)驗(yàn)指標(biāo);

        d)支擋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深應(yīng)大于氣候影響層深度,反濾層厚度應(yīng)適當(dāng)加厚;

        e)路塹邊坡防護(hù)加固類(lèi)型依據(jù)工程地質(zhì)條件、環(huán)境因素和邊坡高度按表2~表3設(shè)計(jì)。

        由于膨脹巖的復(fù)雜性、可變性和不確定性,地質(zhì)勘察參數(shù)往往難以準(zhǔn)確確定,而設(shè)計(jì)理論尚不完善,且設(shè)計(jì)方法帶有經(jīng)驗(yàn)性和類(lèi)比性。因此,膨脹巖地區(qū)的路塹邊坡工程設(shè)計(jì),不應(yīng)忽視的重要內(nèi)容是根據(jù)施工中的信息反饋和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控資料進(jìn)行不斷校核、補(bǔ)充和完善原始設(shè)計(jì),即采取信息化設(shè)計(jì)的原則。

        5 膨脹巖邊坡防治技術(shù)措施

        膨脹巖邊坡治理的工程實(shí)踐表明,膨脹巖邊坡防治應(yīng)從邊坡控制和邊坡治理兩個(gè)方面著手,綜合運(yùn)用邊坡控制和邊坡治理技術(shù)措施,保證邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。邊坡控制技術(shù)措施主要有:排水工程、削方減載、漿砌片石、格構(gòu)護(hù)坡、植物防護(hù)等;邊坡治理的措施主要有:抗滑樁支擋、擋土墻支擋及格構(gòu)錨固等。

        5.1 排水工程措施

        水分遷移變化是導(dǎo)致膨脹巖工程性狀?lèi)夯?,誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要原因之一。因此,在膨脹巖路塹邊坡治理中,要始至終保證邊坡不受或降低遭受外界地表水及地下水的侵蝕。在易發(fā)生滑坡或已經(jīng)產(chǎn)生滑坡的邊緣上方修筑截水溝,隔離滑坡體以外的地面水,由截水溝引向橋涵或排水溝排出;在坡面上設(shè)置樹(shù)枝狀排水溝來(lái)排除坡體范圍內(nèi)的地表水;對(duì)于坡面裂縫,或截水溝滲水形成的大裂縫,應(yīng)及時(shí)予以充填夯實(shí),防止地表水向下入滲。對(duì)于地下水一般以疏導(dǎo)為主,通常設(shè)置盲溝排水。

        5.2 坡面防護(hù)措施

        (1)物理防護(hù)。

        隨著大氣營(yíng)力的作用,邊坡表層暴露的膨脹巖巖體強(qiáng)度逐漸降低,使得坡面難于維持原有坡率,進(jìn)而導(dǎo)致坡面病害的產(chǎn)生。因此,膨脹巖邊坡坡面防風(fēng)化是坡面防護(hù)的重要內(nèi)容。目前,常用的物理性坡面防護(hù)技術(shù)措施主要有:水泥砂漿抹面、噴漿、噴混凝土、灰土捶面、漿砌片石骨架護(hù)坡、漿砌片(條、卵)石護(hù)坡、錨桿掛網(wǎng)噴混凝土、鋼纖維混凝土噴錨、土工織物、植被防護(hù)等。這些坡面物理防護(hù)技術(shù)措施在許多大型工程中已得到廣泛應(yīng)用,但不同的技術(shù)措施在使用中各有利弊[14]。

        (2)化學(xué)防護(hù)。

        化學(xué)防護(hù)主要是使用化學(xué)改性方法改良膨脹巖土自身的膨脹性。常用的化學(xué)改性劑有:DAH(十二胺氯化物)混合溶液、樹(shù)根樁+CMA混合溶液、土壤生態(tài)改性劑、NT無(wú)機(jī)防水材料等。該類(lèi)方法主要用于膨脹土邊坡的坡面防護(hù)[15]。對(duì)于膨脹巖坡面防護(hù),不宜采用全封閉措施,護(hù)坡過(guò)程應(yīng)以非全封閉或柔性封閉類(lèi)型為宜。

        5.3 坡體支護(hù)措施

        膨脹巖坡體支護(hù)措施有傳統(tǒng)的坡腳重力式擋土墻及新型的錨桿框架護(hù)坡、板樁墻、錨桿擋土墻等。其中,以漿砌片石坡腳擋墻應(yīng)用的最多,對(duì)弱~中等的膨脹巖邊坡支護(hù)效果較好。但對(duì)于強(qiáng)膨脹巖邊坡,因坡腳擋墻設(shè)計(jì)尺寸不足而出現(xiàn)破壞的實(shí)例較多;錨桿框架護(hù)坡和錨桿擋土墻在膨脹巖塹坡的應(yīng)用效果良好,但錨桿框架護(hù)坡的框架間坡面巖體的防風(fēng)化措施必不可少,否則,坡面剝落、碎落、溜塌病害不斷發(fā)展,會(huì)使框架梁支護(hù)作用失去效果;邊坡較低時(shí)可采用干砌片石護(hù)坡、漿砌片石骨架護(hù)坡,地面反坡時(shí)方可采用漿砌片石護(hù)坡,草皮作為框架、骨架護(hù)坡補(bǔ)充,支撐滲溝、石灰土樁可作固坡之用。土釘墻在膨脹巖邊坡工程中應(yīng)慎用。另外,在弱成巖或強(qiáng)或全風(fēng)化的膨脹巖塹坡中,支撐滲溝的作用是明顯的。

        6 結(jié)語(yǔ)

        膨脹巖是一類(lèi)受氣候和環(huán)境影響較敏感的巖土體,因其易擾動(dòng),且具有脹縮性、裂隙性、崩解性和流變性等復(fù)雜工程性狀,使膨脹巖邊坡病害及其防治成為工程中的突出難題之一。對(duì)于工程中常遇的膨脹巖路塹邊坡,應(yīng)充分認(rèn)識(shí)膨脹巖工程力學(xué)特性和病害產(chǎn)生機(jī)理,采用綜合防治方法,以“穩(wěn)固坡腳,保濕防滲、剛?cè)峤Y(jié)合、以柔治脹”為主要思路,同時(shí)應(yīng)針對(duì)主要病因和膨脹巖性質(zhì)不同而有所側(cè)重??傊蛎泿r路塹邊坡工程有章可循,但決不可生搬硬套,無(wú)論采取何種技術(shù)措施,把握膨脹巖的工程力學(xué)屬性才是根本。

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