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        淺談黃土高邊坡變形破壞特征

        2017-05-19 15:32:36鄭秀紅
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年14期

        摘 要:近年來,黃土高邊坡的變形破壞給黃土地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失,因此,文章通過分析黃土高邊坡的變形破壞的六種類型,不僅能更好地反映黃土高邊坡的特征,也為黃土地區(qū)的工程實(shí)踐提供了一定的參考依據(jù)。從而,避免對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成不必要的損失。

        關(guān)鍵詞:黃土高邊坡;變形破壞;類型和特征

        1 概述

        目前,在我國西北地區(qū)大規(guī)模的公路、鐵路建設(shè)中出現(xiàn)了大量高度大于30m的黃土邊坡,已建成的黃土邊坡最高可達(dá)108m。由于在現(xiàn)行規(guī)范中,對(duì)高度為30m以上的黃土邊坡缺乏明確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),以致因設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成的邊坡變形破壞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。據(jù)對(duì)陜、甘、寧等地區(qū)公路、鐵路黃土高邊坡的現(xiàn)狀調(diào)查,發(fā)現(xiàn)已建成的150多處高邊坡中約有60處已經(jīng)發(fā)生了不同程度的變形破壞[1]。近年

        來,隨著國家“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施,在我國西部黃土地區(qū)規(guī)劃有大量的鐵路和公路,因此,黃土高邊坡問題就顯得尤為突出。

        在黃土高邊坡存在的問題中,邊坡變形破壞最為普遍。對(duì)于基坑開挖、公路和鐵路修筑等過程中形成的邊坡,若是不規(guī)范施工,則會(huì)使得土體發(fā)生變形,變形過大時(shí)可能會(huì)引發(fā)滑坡;而已建成公路、鐵路在風(fēng)化、降雨和地震等作用下,也會(huì)引起邊坡的變形和破壞,如坡面沖刷、剝落、崩塌等。因此,黃土高邊坡的變形破壞是一種常見、多發(fā)、威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

        2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        黃土高邊坡災(zāi)害不僅危及人民生命、財(cái)產(chǎn)的安全,而且直接影響區(qū)域國民經(jīng)濟(jì)的順利發(fā)展,因此,對(duì)此開展研究十分必要。其中,邊坡變形是邊坡產(chǎn)生破壞的首要前提,是邊坡穩(wěn)定狀態(tài)最直觀的反映。因此,其變形破壞特征,是研究重點(diǎn)和難點(diǎn),是邊坡災(zāi)害預(yù)測(cè)、預(yù)防、預(yù)報(bào)和有效防治的理論基礎(chǔ)。

        上世紀(jì)80年代,國際工程地質(zhì)協(xié)會(huì)將瓦恩斯的滑坡分類方法作為國際標(biāo)準(zhǔn),即按照運(yùn)動(dòng)形式,邊坡可分為傾倒、流動(dòng)、側(cè)向擴(kuò)離、崩塌和滑動(dòng)[2]。

        谷德振等(1979)[3]、孫玉科(1980)[2]將邊坡的變形破壞模式歸納為:張裂順層追蹤破壞模式、追蹤平推滑移模式、水平剪切變形模式、傾倒變形破壞模式、順層高速滑動(dòng)模式。

        盧肇鈞(1989)[4]通過分析土體變形破壞的機(jī)理,發(fā)現(xiàn)土的各向異性、土中的孔隙水、應(yīng)變、受力時(shí)間和加載速率、應(yīng)力會(huì)影響土的變形和破壞。

        孫廣忠(1993)[5]把邊坡變形破壞的類型總結(jié)為:傾倒變形、崩塌、追蹤節(jié)理面破壞、潰屈破壞、水平滑動(dòng)、塊體滑動(dòng)、沿層面滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)。

        彭先孚等(1995)[6]通過分析萬縣豆芽棚邊坡的變形破壞特征,發(fā)現(xiàn)在遭遇洪水或者暴雨時(shí),邊坡的變形會(huì)進(jìn)一步加劇。

        陳守義(1996)[7]利用土的應(yīng)力應(yīng)變特性,將黃土滑坡分為漸進(jìn)破壞和突然失穩(wěn)兩類[8]。

        金德鐮(2000)[9]將邊坡變形分為六類:剝落、張裂、蠕動(dòng)、坍滑、滑動(dòng)、崩塌。

        倪萬魁、劉東燕、張永興(2002)[10]采用有限元法模擬了某黃土高邊坡在不同降雨和地震條件下坡體應(yīng)力場(chǎng)的變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著降雨的入滲,土體中含水量也逐漸增大,其塑性破壞區(qū)域不斷擴(kuò)大;地震使坡體中最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力明顯增大,應(yīng)力集中帶的范圍擴(kuò)大,坡體內(nèi)塑性區(qū)也隨之迅速擴(kuò)大;黃土高邊坡的變形破壞方式主要為滑塌型,其過程為:坡體蠕動(dòng)→后緣拉裂→滑帶在坡體中下部形成并向兩側(cè)擴(kuò)展→剪出口形成→坡體突滑。

        另外,根據(jù)野外調(diào)查和前人總結(jié)資料,王庚蓀(2001)[11]、陳志新等(2002)[12]、何紅前、陳志新、葉萬軍等(2005)[13]、王兆云、陳芳(2007)[14]、吳萍、張駿、趙雄偉(2007)[15]、王念秦、羅東海、姚勇(2009)[16]、李長發(fā)、鄒乾勝、羅東海(2010)[17]等對(duì)黃土高邊坡變形破壞的基本形式、模式進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

        盡管眾多學(xué)者進(jìn)行了這方面的探索、研究,但黃土高邊坡的變形破壞特征仍然以其特征不明確性、變形難覺察性、破壞不確定性等方面制約著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

        3 黃土高邊坡變形破壞類型及特征

        黃土高邊坡的變形破壞可分為坡面破壞和坡體破壞兩大類。坡面破壞是坡體自身穩(wěn)定性滿足要求,但因?yàn)槠旅骈L期暴露在自然環(huán)境中,在各類外地質(zhì)營力作用下,坡面土體發(fā)生失穩(wěn),包括坡面沖刷、剝落和濕陷變形;坡體破壞是因?yàn)槠麦w自身的穩(wěn)定性不滿足要求,隨著時(shí)間的推移,邊坡開始發(fā)生變形而最終失穩(wěn),包括崩塌、坍(滑)塌、滑坡[18]。

        3.1 坡面沖刷

        坡面沖刷是指降雨形成的坡面水流,在自重作用下向下流動(dòng),愈向下流速愈大,并沖走坡面表層土體的現(xiàn)象。使坡面形成溝狀或洞穴狀,是常見的路塹邊坡變形破壞形式[13]。

        沖刷主要受坡比的控制,坡比直接影響流速和匯水面積。坡面越陡,流速越大;坡面面積越大,匯流水的厚度也越大,沖刷力就越強(qiáng)[19]。在黃土邊坡的設(shè)計(jì)中,坡比一般最好控制在1:0.4~1:0.75。

        3.2 剝落

        剝落一般多發(fā)生在邊坡中部至坡腳。其特點(diǎn)為:陽坡要比陰坡剝落更為嚴(yán)重;在坡度變化部位剝落要比其他部位嚴(yán)重;含鹽量高或者粘粒含量大的土體容易發(fā)生剝落。

        其產(chǎn)生機(jī)理:黃土高邊坡在開挖過程中,使得坡面表層一定范圍內(nèi)的土體受到擾動(dòng),從而破壞了土體的完整性。又加之未及時(shí)防護(hù),導(dǎo)致表層水分蒸發(fā),進(jìn)而形成一個(gè)硬殼,雨水沖刷、晝夜溫差以及其他因素影響下,硬殼和下部土體逐漸發(fā)生分離,并在自身重力、風(fēng)和水等的作用下,沿坡面剝落,堆積于坡腳。

        3.3 濕陷變形

        由于黃土具有濕陷性,在一定壓力作用下,當(dāng)土體遇水浸濕后,在坡面上會(huì)形成一些陷穴,甚至整體發(fā)生下沉,使得破面的整體性發(fā)生破壞。

        3.4 崩塌

        崩塌又稱崩落、垮塌或塌方,是指陡坡上的巖土體被多組結(jié)構(gòu)面分割,在重力和其他外力作用下,突然脫離母體,以垂直運(yùn)動(dòng)為主快速向下崩落的表生地質(zhì)現(xiàn)象[20]。其特點(diǎn)是:沒有前兆,發(fā)生突然,每次崩塌都沿新的破壞面塌落。

        其產(chǎn)生的機(jī)理:坡面陡直、具有良好臨空面的邊坡,其坡頂附近的微裂縫在雨水沖刷或后期改造過程中,逐漸向深部擴(kuò)展,同時(shí),受結(jié)構(gòu)面切割的土塊在自身重力、水流沖刷或人類工程活動(dòng)的作用下失穩(wěn),產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)、滾動(dòng)破壞,形成崩塌[20]。

        崩塌主要發(fā)生在以下幾種情況:(1)沿節(jié)理面或交叉節(jié)理處崩塌;(2)反坡的形成造成崩塌;(3)黃土洞穴引發(fā)的崩塌。

        3.5 坍(滑)塌

        坍(滑)塌是指坡度較陡的黃土高邊坡在人類活動(dòng)或者自然因素作用下,誘發(fā)的具有崩塌、滑動(dòng)、倒塌特征以及先滑后塌的變形破壞過程。普遍發(fā)生在厚度較大的高陡邊坡頂部和中部,具有群發(fā)性、頻繁性和突發(fā)性等特點(diǎn)[21]。

        形成機(jī)理:坡體中的結(jié)構(gòu)面在地表水或者雨水的下滲侵蝕作用下,逐漸向深部擴(kuò)展,切割坡體,在自身重力或者其他因素作用下,坡體下部首先坍塌,由于上部失去支撐,繼而由下而上逐層發(fā)生坍塌,從而形成臨空面,進(jìn)而誘發(fā)滑坡。

        3.6 黃土滑坡

        滑坡是指邊坡上的部分巖土體,沿著一定的貫通性剪切破壞面,產(chǎn)生以水平運(yùn)動(dòng)為主的向下滑移的表生地質(zhì)現(xiàn)象[20]。具有多發(fā)性,是一種典型的、至今難以根除的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。

        雖然黃土的覆蓋較厚,降雨入滲不可能到達(dá)下部的隔水層,但是因?yàn)辄S土中存在大孔洞和張節(jié)理,地表水就會(huì)沿著這些大孔洞和張節(jié)理直接灌入,從而使得土體呈現(xiàn)為軟塑或者流塑狀態(tài)。坡體在自身重力作用下,沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng),導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。其滑動(dòng)面是三段折的圈椅形,即上陡下緩中間為圓弧形。

        4 結(jié)論和建議

        本文通過對(duì)黃土高邊坡變形破壞的六種類型進(jìn)行初步探討,進(jìn)而對(duì)黃土高邊坡的防治提出以下建議:

        (1)在對(duì)黃土高邊坡坡度和坡型的選擇中,既要結(jié)合邊坡自身的特點(diǎn),更要嚴(yán)格遵照行業(yè)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)。坡度太緩,挖方量較大、坡面受沖刷路徑較長;坡度太陡,容易使雨水對(duì)坡面產(chǎn)生沖刷、剝落甚至局部坍塌。因此,黃土邊坡的坡度,一般以1:0.4~1:0.75為易。

        (2)俗話說“無水不滑”,水是影響黃土高邊坡變形破壞的重要因素之一。因此,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤晏卣骱瓦吰滤幍匦蔚孛?,設(shè)置相應(yīng)的排水設(shè)施,包括地下排水和地表排水。

        (3)據(jù)調(diào)查,大部分黃土高邊坡坡面都沒有防護(hù)措施,以致造成嚴(yán)重的坡面沖刷,因此,應(yīng)盡早對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)。比如骨架植草。

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        作者簡(jiǎn)介:鄭秀紅(1988-),女,南寧學(xué)院助教,成都理工大學(xué)在職博士,主要從事地質(zhì)工程、巖土工程方面的教學(xué)與研究工作。

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