王　勝, 趙　雪

(1. 遼寧建筑職業(yè)學(xué)院, 遼寧 遼陽　111000; 2. 煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司, 遼寧 撫順　113122)

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考慮孔隙水壓效應(yīng)的非飽和土邊坡失穩(wěn)分析與防滑對策

王勝1, 趙雪2

(1. 遼寧建筑職業(yè)學(xué)院, 遼寧 遼陽111000; 2. 煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司, 遼寧 撫順113122)

摘要:以某排土場為背景,基于Terzaghi有效應(yīng)力原理,建立排土場土體抗剪強(qiáng)度與孔隙水壓關(guān)系函數(shù),得到土體抗剪強(qiáng)度隨孔隙水壓力的增加而降低的結(jié)論.在此基礎(chǔ)上,以非飽和土邊坡穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則為基準(zhǔn),通過Morgenstern-Price法分析在孔隙水壓力作用下排土場邊坡的穩(wěn)定性,得出其破壞模式主要沿淤泥層或基底風(fēng)化泥巖層滑動.根據(jù)計算結(jié)果,從邊坡參數(shù)優(yōu)化、水壩止水、抗滑樁加固三方面出發(fā),提出邊坡治理措施,以確保礦區(qū)安全生產(chǎn).

關(guān)鍵詞:孔隙水壓力; 非飽和土邊坡; 邊坡穩(wěn)定性; 治理

近年來國內(nèi)外發(fā)生的多起邊坡失穩(wěn)事件均與水有著息息相關(guān)的聯(lián)系,這是由于地下水和降雨入滲所產(chǎn)生的孔隙水壓力對邊坡,特別是對非飽和土邊坡穩(wěn)定性有著不容忽視的作用[1].為提高邊坡穩(wěn)定性,國內(nèi)外許多專家針對這一問題開展了一系列的研究.1955年Bishop[2]首次將孔隙水壓力系數(shù)引入實際工程計算中.Wright和Duncan[3]采用將孔隙水壓力和巖土材料的力學(xué)參數(shù)分別考慮的方法分析水位變化對邊坡穩(wěn)定性影響.柳群義等[4-6]利用試驗方法或數(shù)值方法,研究了孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響.

本文采用有效應(yīng)力原理,探討孔隙水壓力對土體強(qiáng)度的影響,以非飽和土邊坡穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則為基準(zhǔn),分析孔隙水壓力對某排土場邊坡穩(wěn)定性的影響,并根據(jù)計算結(jié)果,提出邊坡治理方案,以保證礦區(qū)的安全生產(chǎn).

1孔隙水壓力對土體強(qiáng)度的影響

在地下水富集或降雨量較大地區(qū),當(dāng)土體孔隙介質(zhì)中充滿水時,將產(chǎn)生孔隙水壓力.在大多數(shù)情況下,邊坡穩(wěn)定性與孔隙水壓力有密切關(guān)系.這是由于巖土抗剪強(qiáng)度弱化,引起孔隙水壓力上升,相當(dāng)于減少了作用在土體上的有效正壓力,從而引起邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低.因此在外載作用下,只有土體中孔隙水壓力消散、有效正應(yīng)力增加,土體抗剪強(qiáng)度才能提高.

根據(jù)有效應(yīng)力定律:

(1)

式中:τ為土體抗剪強(qiáng)度;σ′為有效正應(yīng)力;σ為總應(yīng)力;u為孔隙水壓力;c為粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角.

由于排土場的面積相對于基底壓縮土體的厚度要大得多,地基土體自重應(yīng)力作用下的有效應(yīng)力途徑可由式(1)表述:

(2)

在排土場載荷∑Δp的作用下有:

(3)

(4)

式中:p′為正應(yīng)力;q′為剪應(yīng)力;k為側(cè)壓力系數(shù);σc為土體的有效自重應(yīng)力;σz為土體中的附加應(yīng)力,且σz=σ1;σx=σy=σ3.

根據(jù)土體三軸固結(jié)不排水剪切試驗引入k=1-sinφ,確定上式的各項系數(shù),有

(5)

由式(5)可見,在土體自重與附加載荷即定的條件下,土體抗剪強(qiáng)度與孔隙水壓的相關(guān)函數(shù),并隨孔隙水壓力的增加而降低.

2非飽和土邊坡穩(wěn)定分析

2.1　非飽和土邊坡穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則

近年來,隨著新的學(xué)科與理論的發(fā)展,邊坡穩(wěn)定性評價方法得到了進(jìn)一步的發(fā)展.其中極限平衡分析法成為工程實踐中應(yīng)用最早、使用最普遍的一種定量分析方法.本文中采用摩根斯坦-普瑞斯(Morgenstern-Price)法來確定邊坡的安全系數(shù)[7-9].

由于非飽和土中負(fù)孔隙水壓力的存在,根據(jù)Mohr-Coulomb公式,非飽和土的剪力:

(6)

式中:ua為孔隙氣體壓力;uw為孔隙水壓力;φb為引力增量引起的剪力增量.

假設(shè)孔隙氣體壓力為零,則可得土的安全系數(shù)公式:

(7)

2.2　孔隙水壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響

以某礦區(qū)排土場GK1剖面為例,分析孔隙水壓力對其排土場邊坡穩(wěn)定性影響,巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1.計算結(jié)果見圖1、圖2.

表1　巖土物理力學(xué)參數(shù)

由圖1,圖2可知在考慮孔隙水壓力作用下,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)fs從1.182減小為1.131;其滑坡模式主要為沿淤泥層或基底風(fēng)化泥巖層滑動.究其原因有二:一是排土場基底在地下水和積水不斷入滲的共同作用下,形成一個動態(tài)的滲流場,而滲流場中存在的孔隙水壓力使基底巖土體嚴(yán)重弱化,致使粉土和粉質(zhì)黏土演化為強(qiáng)度極低的淤泥層,成為控制邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵層位;二是排土場在上游匯水長期沖刷下,水土流失嚴(yán)重,致使第四系變薄甚至大面積缺失、基巖大面積裸露.

圖2　穩(wěn)定計算結(jié)果(考慮孔隙水壓力)

3邊坡綜合治理方案

在孔隙水壓力作用下,土體及風(fēng)化泥巖的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)急劇降低,從而導(dǎo)致排土場邊坡系統(tǒng)穩(wěn)定性下降.若不進(jìn)一步對采取治理措施,有可能導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生.為使該排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.3以上,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,從邊坡參數(shù)優(yōu)化、水壩止水及邊坡加固三個方面對邊坡進(jìn)行綜合治理.

3.1　邊坡參數(shù)優(yōu)化

首先對部分回填的黃土沿路面方向開挖10 m;其次對控制邊坡穩(wěn)定性的軟弱層進(jìn)行清淤處理,施工開口寬度及每幅推進(jìn)寬度不得大于45 m,清淤厚度可根據(jù)施工現(xiàn)場所見巖石強(qiáng)度情況適當(dāng)調(diào)整;最后對開挖部分進(jìn)行置換壓腳,壓腳寬度為40 m,壓腳巖石中可添加適量水泥以增加碎石再生粘聚力及坡體防滲能力,提高邊坡穩(wěn)定性.治理方案見圖3,計算結(jié)果見圖4.

圖3　GK1治理斷面

圖4　GK1剖面參數(shù)優(yōu)化后計算結(jié)果

3.2　邊坡止水措施

排土場基底入滲水主要來源包括庫內(nèi)積水和大氣降水兩方面,其中積水通過攔水壩入滲是主導(dǎo)因素.

(1) 建立排水系統(tǒng).首先應(yīng)在排土場邊坡坡腳處布設(shè)有效的排洪、排水設(shè)施,減少積水.其次應(yīng)在庫內(nèi)及壩體下游布置泵排,不但利于庫區(qū)調(diào)節(jié)一部分洪峰,使水位在短時間內(nèi)下降,實現(xiàn)空庫迎汛;而且減少積水入滲排土場,實現(xiàn)排土場邊坡坡腳的干燥.

(2) 排土場邊坡坡腳防滲.在排土場坡腳壓腳工程的實施過程中,對壓腳邊坡采取工程措施進(jìn)行防滲處理,防止水繼續(xù)入滲至排土場基底.同時在排土場3～5 m高范圍內(nèi)采用片石擋墻護(hù)坡,防止雨水或積水沖刷坡面.對邊坡坡腳進(jìn)行壓密注漿,將風(fēng)化泥巖層裂隙填充,防止水流通過裂隙導(dǎo)入排土場基底;還可采用地下連續(xù)墻工藝,既滿足了隔水、止水又達(dá)到了對邊坡進(jìn)行加固支護(hù)的雙重效果.

(3) 水庫攔水壩主動防御措施.為防止排土場上游積水通過攔水壩或庫區(qū)底部風(fēng)化泥巖裂隙入滲至排土場邊坡底部,應(yīng)在攔水壩兩側(cè)做防滲墻以達(dá)到主動防御的目的.

攔水壩防滲墻多采用水泥土墻, 即多排深層攪拌樁或高壓旋噴樁形成隔水墻; 防滲墻嵌入深度hd應(yīng)超出水庫庫底 ,滿足hd=1.2(h-ha). 其中h為大壩設(shè)計高度;ha為庫區(qū)歷史最高水位面與壩頂間的距離. 水壩防滲墻設(shè)計示意圖見圖5.

圖5　攔水壩防滲墻示意圖

3.3　抗滑樁加固邊坡

在邊坡加固措施中,采用抗滑樁能夠產(chǎn)生與土體運(yùn)動相反的抗滑力,從而減小邊坡滑動的可能性.為達(dá)到更好的加固效果,抗滑樁應(yīng)布置在加固前土坡臨界滑動面的范圍內(nèi)[10].因此針對該排土場邊坡,建議在1150平盤處打抗滑樁,見圖6,而樁間距、樁徑及樁長等參數(shù)應(yīng)詳細(xì)計算,在保證邊坡穩(wěn)定的情況下減小經(jīng)濟(jì)的投入.

圖6　抗滑樁位置示意圖

4結(jié)論與建議

(1) 由于邊坡穩(wěn)定性與孔隙水壓力有著密切的關(guān)系,為深入地探討二者之間的關(guān)系,基于Terzaghi有效應(yīng)力原理,在假設(shè)土體自重與附加載荷一定的情況下,建立土體抗剪強(qiáng)度模型,得出抗剪強(qiáng)度隨孔隙水壓力的增加而降低的結(jié)論.

(2) 基于非飽和土邊坡穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則,采用Morgenstern-Price法分析邊坡的穩(wěn)定性,分析孔隙水壓力作用下非飽和土邊坡的穩(wěn)定性,得出邊坡受孔隙水壓力影響,穩(wěn)定系數(shù)fs從1.182下降為1.131,不滿足安全儲備系數(shù)要求的結(jié)論.

(3) 由于排土場長期受積水入滲影響,在孔隙水壓力作用下,粉土和粉質(zhì)粘土演化為強(qiáng)度極低的淤泥層,成為控制邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵層位,使邊坡易出現(xiàn)沿淤泥層或基底風(fēng)化泥巖層滑動的破壞模式.

(4) 針對邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果,結(jié)合排土場實際情況,從邊坡參數(shù)優(yōu)化、攔水壩止水、抗滑樁加固三方面出發(fā),提出相應(yīng)的邊坡治理措施,使其穩(wěn)定性提高,滿足礦區(qū)安全生產(chǎn)的要求.

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【責(zé)任編輯: 曹一萍】

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Slope Instability Analysis and Anti-slip Countermeasures of Unsaturated Soil by Considering Effect of Pore Water Pressure

WangSheng1,ZhaoXue2

(1. Liaoning Jianzhu Vocational University, Liaoyang 111000, China; 2. Shenyang Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Fushun 113122, China)

Abstract:Under the background of a waste dump, the principle of Terzaghi effective stress is adopted and a function relationship between soil shear strength and pore water pressure is established. A conclusion is got that the soil shear strength decreases with the increase of the pore water pressure. Taking the stability criterion of unsaturated soil slope as benchmark, the method of Morgenstern-price is used to analyze the stability of the slope under the pressure of pore water pressure and it is found that the damages of the slope are mainly caused in silt layer or basal weathered mudstone layer. According to the results, some treatment measures are proposed to ensure the production safety of diggings, such as, optimizing the slope parameters, sealing water of the dam and reinforce the anti-slide pile.

Key words:pore water pressure; unsaturated soil slope; slope stability; treatment

收稿日期:2014-10-11

中圖分類號:TV 223.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

作者簡介:王勝(1984-),男,遼寧沈陽人,遼寧建筑職業(yè)學(xué)院講師,碩士.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51179031); 遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目資助項目(L2013524).

文章編號:2095-5456(2015)01-0064-05