代佳雨

（貴州省水利水電工程咨詢有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 引言

隨著我國(guó)水利事業(yè)的快速發(fā)展,我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)已超過(guò)98000 座,其中,小型水庫(kù)占比高達(dá) 95%,大約有93000 座,隨著這些小型水庫(kù)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,其中的很多水庫(kù)都出現(xiàn)了病害和險(xiǎn)情[1]。本文以某水庫(kù)為研究對(duì)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察,發(fā)現(xiàn)水庫(kù)上游壩坡混凝土護(hù)坡部分有存在裂縫的情況,針對(duì)水庫(kù)存在的問(wèn)題,對(duì)水庫(kù)上游邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)。其邊坡土質(zhì)多為黃灰色砂土和巖土等構(gòu)成,因此在邊坡加固工程中,岸坡整體穩(wěn)定性和不均勻沉降日益突出。在現(xiàn)有邊坡上鋪設(shè)覆蓋土,以加寬和修復(fù)邊坡時(shí),需要穩(wěn)定邊坡表面來(lái)提高排水性能[2]。本文開(kāi)發(fā)了一種采用帶葉片的小直徑穿孔鋼管（以下簡(jiǎn)稱為鋼管）的邊坡穩(wěn)定方法,見(jiàn)圖1。這些鋼管橫向安裝在側(cè)面,不僅是為了加固邊坡,還為邊坡提供排水。

圖1 帶葉片和過(guò)濾器的鋼管

在本研究中,為了檢驗(yàn)橫向安裝鋼管對(duì)覆蓋土穩(wěn)定的加固效果,對(duì)實(shí)際邊坡進(jìn)行了離心機(jī)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。設(shè)置了兩次試驗(yàn)：SF 情況和LF 情況,研究了加固區(qū)域和未加固區(qū)域邊坡破壞機(jī)理的不同之處,闡明了承重板和鋼管的加固效果。

2 增強(qiáng)效應(yīng)及其機(jī)理

張逴[3]通過(guò)加載試驗(yàn)過(guò)程中觀察了模型邊坡中的應(yīng)變分布,并提出了加固材料的有效配置。不少研究者展示了各種加固材料的設(shè)計(jì)模型,通過(guò)對(duì)模型邊坡的卸載試驗(yàn)檢驗(yàn)了加固效果[4-6],得出結(jié)論：（a）鋼筋的抗拉阻力和（b）承重板或邊坡框架的護(hù)坡方法相互影響。

傳統(tǒng)的滑坡預(yù)防樁是垂直安裝的,鋼樁的抗彎剛度有助于滑移面的傾斜。其設(shè)計(jì)方法已確立,并對(duì)其加固效果進(jìn)行了深入研究[7-8]。黃錦文等[9]指出,承重板和鋼管抑制了鋼筋下方土壤的移動(dòng),導(dǎo)致鋼筋附近的圍壓增加,從而增加了覆蓋土和原邊坡接觸面的抗滑阻力。圖2 顯示了除排水功能外鋼管的預(yù)期加固效果。由于在該方法中未對(duì)鋼筋施加預(yù)應(yīng)力,因此需要用覆蓋土的位移來(lái)調(diào)動(dòng)管道的抗滑阻力。當(dāng)管道的抗拉阻力被調(diào)動(dòng)時(shí),抗滑動(dòng)安全系數(shù)可用基于極限平衡法的方程式見(jiàn)式（1）。當(dāng)覆蓋土位移變大時(shí),覆蓋土中的鋼管會(huì)隨著管道下方土壤圍壓的增加而向下彎曲。此時(shí),由于圍壓（緊固效應(yīng)）的增加,管道的抗剪阻力和覆蓋土-原邊坡接觸面的摩擦阻力增加,安全系數(shù)可用方程式見(jiàn)式（2）。式中：Rn為鋼管的抗拉阻力；Rs為鋼管的抗剪阻力；Rt為鋼管和承重板向下位移引起的緊固效應(yīng)；W 為鋼管加固有效區(qū)域的覆蓋土重量；為覆蓋土與水平面的傾角；L 為滑動(dòng)面的長(zhǎng)度；c 為滑動(dòng)面處的粘聚力；為內(nèi)摩擦角。在方程式中,假設(shè)鋼管是水平安裝的。

圖2 預(yù)期的加固效果

3 巖土離心機(jī)邊坡卸荷試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

為了確認(rèn)承重板和鋼管的加固效果,在塔里木大學(xué)使用MarkIII 型離心機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了離心機(jī)模型試驗(yàn)。模型邊坡的側(cè)視圖和前視圖見(jiàn)圖3。在本試驗(yàn)中,邊坡高度為400 mm（原型高度為8 m,以下括號(hào)中的尺寸表示原型比例中的尺寸）。邊坡傾斜角度為55°。邊坡由兩層（覆蓋土和原邊坡）組成,采用當(dāng)?shù)厣巴林瞥?其特性見(jiàn)表1。在該邊坡上,采用直徑為4 mm（160 mm）的丙烯酸圓棒制成的模型管道水平放置在3×3 交錯(cuò)模式中,間隔為50 mm（2 m）。在底部第二排和第三排的管道上,安裝了用鋁板制作的模型承重板。鋁塊被放置在邊坡的坡腳處,鋁塊被連接到鋼制堅(jiān)固箱內(nèi)的千斤頂上。通過(guò)在40 g 的離心加速度下向外拉動(dòng)塊體,模擬了從坡腳開(kāi)始的邊坡破壞。

表1 砂土的特性（Dc=85%）

圖3 模型邊坡

3.2 結(jié)果與討論

本文進(jìn)行了兩次試驗(yàn)；一是SF 情況下承重板尺寸為10 mm×10 mm（400 mm）,二是LF 情況下承重板尺寸為20 mm×20 mm（800 mm）。邊坡破壞時(shí)的邊坡前視圖見(jiàn)圖4。在SF情況下,覆蓋土在鋼筋H 和I 之間滑移。另一方面,在情況LF 中,沒(méi)有觀察到這種局部破壞。

圖4 邊坡坍塌時(shí)的邊坡前視圖

圖5 顯示了軸向力和單位寬度彎矩隨滑塊運(yùn)動(dòng)的變化。這些值以原型比例表示。在這兩種情況下,軸向力從塊體移動(dòng)開(kāi)始增加,而彎矩從塊體移動(dòng)大約20 mm～30 mm 開(kāi)始增加,僅在SF 情況下。坡腳處的反作用力與塊體運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系見(jiàn)圖6。在這兩種情況下,坡腳處初始反作用力均為26 kN/m。隨著塊體移動(dòng),在SF 情況下的反作用力增加,而在LF 情況下,反作用力降低至10 kN/m。在本試驗(yàn)中,由于覆蓋土不能獨(dú)立存在,即在沒(méi)有加固的情況下,覆蓋土?xí)瑒?dòng),因此LF情況下,坡腳處的反作用力減小表明鋼管和承重板能夠抵抗覆蓋土的滑動(dòng)。例如,當(dāng)塊體位移為88 mm 時(shí),鋼筋提供的阻力為ΔRj=15 kN/m。利用方程式（1）和（2）,如果覆蓋土重量W 恒定且c=0,則鋼筋提供的阻力可通過(guò)以下方式求出：

圖5 彎矩和軸向力隨滑塊運(yùn)動(dòng)的變化

圖6 坡腳反作用力的變化

此時(shí),由于軸向力和估算剪切力的變化分別為ΔRn=3.7 kN/m和ΔRs=1.7 kN/m,因此可估算由于緊固效應(yīng)引起的阻力為ΔRt=3.6 kN/m。

4 實(shí)際邊坡卸載試驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)邊坡基本情況見(jiàn)圖7。在試驗(yàn)中,通過(guò)開(kāi)挖鋼管下面的邊坡來(lái)模擬從坡腳開(kāi)始的邊坡失穩(wěn)。邊坡高度為8 m,坡度為V∶H 為1∶1.33,在原邊坡上覆蓋0.6 m～1.0 m 厚的粉質(zhì)土。原邊坡主要由礫石混合砂土組成。這些土壤的性質(zhì)見(jiàn)表2。用隔板將覆蓋土劃分為安裝鋼管的加固區(qū)域和無(wú)加固區(qū)域。鋼管直徑為76.3 mm,葉片外徑為176 mm,管道長(zhǎng)度為5.8 m。這些鋼管分三排,間隔2 m 錯(cuò)排安裝在邊坡下半部分,兩根測(cè)量用鋼管安裝在卸載試驗(yàn)開(kāi)挖區(qū)域（GL+1.5 m）的正上方,仰角為5°。

表2 試驗(yàn)邊坡中的土壤特性

圖7 試驗(yàn)邊坡示意圖

4.2 結(jié)果與討論

在本試驗(yàn)中,使用反鏟將GL+1.2 m 以下的坡腳開(kāi)挖至懸空,并測(cè)量了目標(biāo)在邊坡上的移動(dòng)。懸挑開(kāi)挖后的邊坡見(jiàn)圖8。懸挑開(kāi)挖后,未加固區(qū)域的覆蓋土立即坍塌,而加固區(qū)域覆蓋土的切割面則獨(dú)立存在。此時(shí),應(yīng)變計(jì)測(cè)得的拉力為0.08 kN,鋼筋區(qū)域內(nèi)鋼管的最大彎矩為0.04 kN·m,均小于預(yù)測(cè)值。

圖8 懸挑開(kāi)挖后的邊坡

根據(jù)未加固區(qū)域內(nèi)邊坡的破壞機(jī)理,假定邊坡的破壞機(jī)理見(jiàn)圖9。由于在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中,滑移面長(zhǎng)度為1.5 m,c 為17 kN/m2,因此懸挑部分的估計(jì)抗滑阻力（W=13.3 kN/m）為1.5×17=25.5 kN/m。盡管粘性覆蓋土對(duì)懸挑部分的脫落具有足夠的抵抗阻力,但懸挑部分在未加固區(qū)域內(nèi)坍塌。

圖9 在試驗(yàn)中的強(qiáng)化效應(yīng)

其原因可能是由于土體懸垂引起的力矩導(dǎo)致邊坡表面開(kāi)裂,無(wú)法提供足夠的阻力。另一方面,在加固區(qū)域,由于鋼管的抗拉阻力阻止了裂縫的形成,因此懸挑部分是獨(dú)立存在的。

5 結(jié)論

本文通過(guò)離心模型試驗(yàn)和實(shí)際邊坡的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究橫向安裝鋼管對(duì)覆蓋土邊坡穩(wěn)定的加固作用。結(jié)果表明,橫向安裝鋼管對(duì)覆蓋土邊坡穩(wěn)定的影響是顯著的。本研究得出的結(jié)論如下：

（1）離心機(jī)模型試驗(yàn)證實(shí),當(dāng)邊坡上的覆蓋土發(fā)生位移時(shí),鋼管提供的阻力,即抗拔阻力、剪切阻力以及鋼管和承重板向下位移所產(chǎn)生的緊固效應(yīng)都會(huì)被調(diào)動(dòng)。

（2）在實(shí)際邊坡上進(jìn)行的邊坡卸載試驗(yàn)表明,即使沒(méi)有承重板,橫向安裝鋼管也能最大限度地減少邊坡表面裂縫的形成。