朱家劍

（甘肅路橋第三公路工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

高填方邊坡穩(wěn)定性是巖土工程領域的技術難點。近年來在高填方邊坡建設中，水泥改良土作為一種廉價改良材料，在確保高填方邊坡穩(wěn)定性上得到了廣泛應用。

1 水泥改良土影響因素

1.1 土質(zhì)類型的影響

在不同自然條件下形成的土層結(jié)構(gòu)截然不同，土層的顆粒大小不一，土層所含礦物成分和滲透性參數(shù)也不同。這些土質(zhì)與水泥混合成水泥改良土，在強度上也各有特點。

細沙和粉砂屬于無粘性土，由于土層是單粒結(jié)構(gòu)，顆粒大、空隙大，與水泥混合后水泥顆粒容易滲透到土顆粒空隙中，形成的水泥改良土強度較大。另外，由于細沙和粉砂的礦物質(zhì)成分是石英等原生礦物，與水泥化合物發(fā)生化學反應，提升了水泥改良土的強度。與非粘土的特性相反，粘性土礦物成分是高嶺石等次生礦物，由于受風化作用，結(jié)構(gòu)疏松，呈絮狀多孔，導致滲透性較低，當水泥化合物與粘性土發(fā)生化學反應時，由于水泥化合物的鈣離子數(shù)難以滿足粘性土的強吸收作用，生成的膠結(jié)物較少，導致水泥改良土的強度增加有限。

1.2 含水率和壓實度的影響

無論是改良土與水泥的拌和，還是水泥的水化反應和水化合物的形成，水的參與都至關重要。由于不同改良土的顆粒結(jié)構(gòu)不同，性能不同，使得不同改良土對應的含水率也不一樣，在與水泥拌和時，每種改良土都有其最優(yōu)含水率，而含水率越大，壓實度就越大。在一定范圍內(nèi)，壓實度和水泥改良土強度成正比，當壓實度超過了一定范圍后，水泥改良土的強度增長速度會放緩。從生產(chǎn)效率角度看，每種水泥改良土都有其最優(yōu)含水率，都有其最佳壓實度，這對于提高水泥改良土強度、降低成本有重要意義[1]。

1.3 養(yǎng)護方法的影響

水泥和改良土加水拌和會產(chǎn)生一系列物理反應和化學反應，反應時間的長短對水泥改良土的強度有很大影響。隨時間推移，反應結(jié)束后水泥改良土的強度會趨于穩(wěn)定。但在反應過程中，如養(yǎng)護方法不同，短齡期的水泥改良土的強度差異會較大，隨著反應趨于結(jié)束，養(yǎng)護方法造成的差異性會越來越小。由此可見，對于短齡期的水泥改良土，養(yǎng)護方法的選擇對于水泥改良土的強度影響較大，而對后期的水泥改良土強度影響較小。從這個角度考慮，選擇最佳養(yǎng)護方法，科學制定養(yǎng)護規(guī)范，對于短齡期水泥改良土質(zhì)量提升有重要意義。

1.4 水泥型號和劑量的影響

水泥根據(jù)所含成分和劑量不同有多種型號，標號越高，強度越大。不同型號的水泥與同類改良土混合，其強度隨著水泥標號的提高而增大。在其他參數(shù)值不變的條件下，水泥摻入量越大，水泥改良土的強度越大。研究發(fā)現(xiàn)，處在養(yǎng)護期的水泥改良土在不同時間摻入同等水泥量，對強度的影響也不一樣；而且，根據(jù)水泥改良土的強度要求，水泥摻入量應大于5%，從經(jīng)濟效益的角度考慮，水泥摻入量保持在7%-15%較為適宜。

2 高填方邊坡失穩(wěn)的破壞形式

2.1 雨水坡面沖刷破壞

高填方邊坡失穩(wěn)與水的作用密切相關。在環(huán)境干燥條件下，邊坡的自身穩(wěn)定性良好，巖土體保持在高強度狀態(tài)。但在雨季，雨水的沖刷和浸泡會破壞邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，雨水滲入巖土體內(nèi)部，巖土體容重增加，產(chǎn)生靜水壓力和動水壓力，從而抵消巖土體結(jié)構(gòu)的粘聚力，導致邊坡強度降低，造成坡面出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象，引發(fā)坡面破壞，出現(xiàn)失穩(wěn)。

2.2 坡面剝落掉塊

高填方邊坡施工結(jié)束后，其應力強度會保持在一定的穩(wěn)定狀態(tài)，但隨時間推移，其內(nèi)部的應力狀態(tài)會發(fā)生變化，當下滑力小于抗滑力時，邊坡會保持在穩(wěn)定狀態(tài)，當下滑力大于抗滑力時，邊坡會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。從自然條件看，受風化的影響，坡面會出現(xiàn)干裂等現(xiàn)象，加上雨水的沖刷，雨水滲入會導致巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，輕則引發(fā)巖土體濕陷變形，坡體原貌遭到破壞，出現(xiàn)坡面剝落掉塊現(xiàn)象，重則造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，出現(xiàn)滑坡等現(xiàn)象。

2.3 滑坡破壞

由于邊坡有一定的坡率，斜坡面巖體會因自重產(chǎn)生自上而下的下滑趨勢。受自然環(huán)境變化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)下滑力的影響，邊坡會出現(xiàn)坡角水平剪應力集中，產(chǎn)生剪切破壞，引發(fā)滑坡現(xiàn)象?；逻^程具有漸進性，首先是局部軟弱結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，逐漸向周圍巖體擴展，最后導致斜坡整體出現(xiàn)滑動破壞。一般來說，坡率越大，坡角越高，產(chǎn)生的剪應力越強。根據(jù)土質(zhì)的不同，滑坡發(fā)生概率也不同，通常土質(zhì)邊坡容易形成拉應力帶，滑坡現(xiàn)象較常見。

2.4 泥石流破壞

在惡劣的自然條件下，泥石流現(xiàn)象時有發(fā)生，特別是暴雨、暴雪、地震等自然災害很容易導致高填方邊坡依附的山體發(fā)生滑坡?；戮哂型话l(fā)性，且夾帶大量的泥沙和巖石，破壞性和危險性極大。一般來說，邊坡周邊有地下水暴露部位或者邊坡處于地勢險要處，需采取有效保護措施防范泥石流。

2.5 人類活動造成的破壞

在工程建設中，施工設計和技術等原因也會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，一是在邊坡坡角處施工操作不當，過渡開挖，會導致邊坡下滑力增大，出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)，二是現(xiàn)場管理失當，在坡面上過渡堆積棄土或其他材料，導致下滑力大于抗滑力，邊坡發(fā)生失穩(wěn)，三是施工過程中忽視機械設備的振動和爆破影響，導致邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，引發(fā)失穩(wěn)現(xiàn)象[2]。

3 高填方邊坡穩(wěn)定性影響因素

3.1 地質(zhì)因素

邊坡巖土體的斜面角度對邊坡穩(wěn)定性影響很大，一般來說，邊坡巖層結(jié)構(gòu)面與坡面呈直角，邊坡穩(wěn)定性最大，結(jié)構(gòu)面與邊坡呈水平狀態(tài)，則邊坡穩(wěn)定性最差[6]。

3.2 邊坡形態(tài)

邊坡形態(tài)決定了邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。邊坡形態(tài)可分為穩(wěn)定趨勢形態(tài)和失穩(wěn)趨勢形態(tài)。一般情況下，通過影響坡面形態(tài)的三要素，即坡面長寬高、邊坡平面和坡腳臨空角度來判斷。坡面長則坡面結(jié)構(gòu)易于穩(wěn)定，坡面高則坡面失穩(wěn)可能性加大；邊坡平面處于凹形，其穩(wěn)定性高于凸形的邊坡平面。邊坡形態(tài)失穩(wěn)是一個漸進過程，當邊坡局部出現(xiàn)軟弱結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生張力作用，使軟弱的巖土體出現(xiàn)裂縫，引發(fā)坡角剪應力增強，造成邊坡穩(wěn)定性降低[3]。

3.3 動力作用

當邊坡受到強動力荷載，會導致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，內(nèi)部應力平衡系統(tǒng)發(fā)生改變，進而造成失穩(wěn)現(xiàn)象。一般來說，地震和大型爆破等動力荷載是主要原因。

作為強動力荷載，地震對邊坡穩(wěn)定性造成的破壞是巨大的：一是引發(fā)邊坡失去應力支撐，巖土體局部下滑力增大，而抗滑力不變，導致邊坡失穩(wěn)；二是地震的沖擊力使邊坡坡面出現(xiàn)重組，新的結(jié)構(gòu)面對原有結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生擠壓、張拉等，使原有結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)裂縫甚至崩塌；三是邊坡在地震引發(fā)的山體泥石流等沖擊下會發(fā)生強烈的位移或變形，造成邊坡失穩(wěn)。

和地震相比，爆破的動力影響相對較小，主要有以下方面：一是大型爆破引發(fā)的山體或邊坡振動會產(chǎn)生慣性力，使邊坡巖土體局部滑力失衡，導致邊坡失穩(wěn)；二是爆破的振動沖力會對巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，加大巖土體縫隙，打破巖土體結(jié)構(gòu)應力平衡，引發(fā)剪切應力增大，使邊坡失穩(wěn)。因此，在實際施工中，采用爆破技術時要合理使用爆破用藥量，科學計算爆破對邊坡的影響，準確規(guī)劃爆破地點與邊坡的距離等。

3.4 地下水

地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響很大，主要體現(xiàn)在以下方面：一是地下水入滲導致巖土體內(nèi)部容重增加，粘聚力降低，打破了邊坡動靜水壓力平衡，從而導致失穩(wěn)；二是地下水不斷入滲，動水壓力增大[4]，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部軟弱，使地下水入滲通道被拓展加大，造成邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；三是地下水持續(xù)入滲，入滲量越來越大，巖土體的坡角處于沖刷浸泡狀態(tài)下，造成結(jié)構(gòu)軟化、流失，強度減弱，導致邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4 水泥改良土對邊坡穩(wěn)定性影響

水泥改良土摻入比例不同，對高填方邊坡的穩(wěn)定性影響也不同。本文采用試驗數(shù)據(jù)對不同摻入量水泥改良土對邊坡穩(wěn)定性的影響進行探討。

從表1可知，素土邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.95，穩(wěn)定性偏低，邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，極易發(fā)生坡面變形、局部崩塌及滑坡等現(xiàn)象。因此，對素土邊坡進行填料更換勢在必行。

表1 不同填料下邊坡穩(wěn)定系數(shù)和變化特征

4.1 不同填料對邊坡水平位移變化的影響

建成后的邊坡巖土體會由于自重力和應力發(fā)生沿坡面位移的現(xiàn)象。不同填料情況下，水平位移的規(guī)律沒有明顯差別，都是從巖土體坡角延伸到坡肩，從坡面延伸到坡內(nèi)，呈現(xiàn)遞進位移的態(tài)勢。由于坡體應力集中現(xiàn)象發(fā)生在坡角，在坡角位置發(fā)生的位移較大。但填料不同，坡面水平位移大小的差異很大。隨著水泥標號的遞增，邊坡位移抑制效果越好，但改善效果呈漸進的走勢（見表1）。

4.2 不同填料對邊坡剪應力變化的影響

剪應力失衡是導致邊坡失穩(wěn)的重要原因。當邊坡局部的剪應力大于抗剪能力時，會造成局部邊坡形成剪切面，導致邊坡失穩(wěn)。通過試驗證實，在保持同等摻入量的條件下，采用不同標號的水泥對邊坡剪應力有較大的影響。在沒有摻入水泥的條件下，形成的剪切面幾乎貫穿到坡頂，隨著水泥標號的不斷遞增，邊坡剪切力逐步遞減，形成的剪切面范圍不斷縮小[5]。

4.3 不同填料對塑性區(qū)變化的影響

邊坡巖土層內(nèi)塑性區(qū)的出現(xiàn)和擴張是邊坡失穩(wěn)的重要原因。在不同的填料下，塑性區(qū)的分布規(guī)律大致相同，都是從坡角擴張到坡頂。但填料不同，塑性區(qū)的擴張高度和寬度不同。隨著水泥標號的遞增，塑性區(qū)呈現(xiàn)逐步縮小的態(tài)勢，比如使用10%水泥改良土，塑性區(qū)變化的范圍很小，只發(fā)生在坡角處（見表2）。

表2 不同填料下邊坡穩(wěn)定系數(shù)和分布特征

5 結(jié)語

高填方邊坡失穩(wěn)造成的危害大，通過技術改良來有效避免邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，對于工程實施至關重要。本文在對水泥改良土和影響高填方邊坡失穩(wěn)因素和表現(xiàn)形式進行探討的基礎上，通過試驗數(shù)據(jù)分析，對不同填料下高填方邊坡的穩(wěn)定性進行了量化分析。