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高液限土邊坡研究綜述論文
摘要:高液限土通常含有大量的蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土成分;其主要的特征是壓實(shí)性差,經(jīng)過壓實(shí)后的土的壓縮性仍然較大,且有明顯的應(yīng)變軟化。水的因素和人的活動(dòng)是導(dǎo)致高液限失穩(wěn)的主要原因。高液限土邊坡破壞防治必須堅(jiān)持“先發(fā)制坡,以防為主”的原則,必須工程措施與生物措施相結(jié)合。
關(guān)鍵詞:高液限土;邊坡;失穩(wěn)原因;防治措施
1、概述
在工程中判別高液限土的3個(gè)指標(biāo)為:小于0.074mm的顆粒含量大于50%、液限大于50%,塑性指數(shù)大于26的土。目前邊坡工程對(duì)具有膨脹性的高液限土設(shè)計(jì)思路基本是參考膨脹土進(jìn)行的,除了具有遇水膨脹、失水收縮的特征外,更主要的特征是高液限土壓實(shí)性差,經(jīng)過壓實(shí)后的土的壓縮性仍然較大,且有明顯的應(yīng)變軟化。很多邊坡工程失去效用,都是由于認(rèn)清楚高液限土的本質(zhì)特征而引起的。
2、高液限土的礦物組成及工程性質(zhì)
高液限土通常含有大量的蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土成分。其中蒙脫石是由顆粒極細(xì)的含水鋁硅酸鹽構(gòu)成的礦物,其晶格單元由兩層硅氧四面體層夾一層氧化鋁八面體層構(gòu)成,層間聯(lián)接依靠范得華力,較弱,水分子容易進(jìn)入晶胞之間,增大晶胞距離,脫水后,又產(chǎn)生相應(yīng)的收縮,其液限變化范圍可達(dá)到140~710%,塑限范圍為50~100%[1];在晶格之間,由于同晶置換作用,使蒙脫石具有很強(qiáng)的吸附能力,大量的Na+、Ca2+填充進(jìn)來,產(chǎn)生雙電層效應(yīng),導(dǎo)致粒間的膨脹。相似的,伊利石也具有2:1的三層晶體結(jié)構(gòu),但其吸附的陽離子主要為Na+、K+,晶格間連接力較強(qiáng),水分子不容易進(jìn)入,所以伊利石親水性、脹縮性不如蒙脫石,其液限變化范圍為80~120%,塑限為45~60%。伊利石屬于較不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物,性質(zhì)介于蒙脫石和高嶺石之間,并隨著層間K+含量的逐漸減少,而接近于蒙脫石。高嶺石的結(jié)構(gòu)單元是由一層鋁氫氧晶片和一層硅氧晶片組成的晶胞。晶胞之間的聯(lián)結(jié)是氧原子與氫氧基之間的氫鍵,聯(lián)結(jié)力較強(qiáng),晶胞之間的距離不易改變,水分子不能進(jìn)入,親水性及膨脹性較前兩種礦物成分小。
高液限土的工程性質(zhì)與其母巖成份、含水量、密實(shí)度、外荷載大小及作用方式、其他物理化學(xué)作用等都有關(guān)系。根據(jù)大量工程實(shí)踐可知:高液限土透水性較差;干硬時(shí)強(qiáng)度高,堅(jiān)硬不易挖掘, 不易壓實(shí);毛細(xì)現(xiàn)象明顯,吸水后能長(zhǎng)時(shí)間保持水分,故吸水后承載力小、穩(wěn)定性差;具有較大的可塑性、弱膨脹性和粘性。
3、高液限土邊坡工程失穩(wěn)的主要原因
3.1水的影響
3.1.1高液限土吸水引起的土體抗剪強(qiáng)度降低
高液限土的抗剪強(qiáng)度包括內(nèi)摩擦力和粘聚力兩部分。內(nèi)摩擦力是土體受剪切時(shí), 剪切面上下顆粒相對(duì)移動(dòng)時(shí), 土粒表面相互摩擦產(chǎn)生的阻力;粘聚力是使土體的顆粒粘結(jié)在一起成為團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的力。粘聚力來源于兩個(gè)部分:土吸力, 是土體孔隙、氣壓力與孔隙水壓力之差, 使之產(chǎn)生粘聚力;土中天然膠結(jié)物質(zhì)對(duì)土粒產(chǎn)生膠結(jié)作用,而具有的粘聚力。隨著雨水入滲,水分逐漸積累,土體漸漸飽和,一方面土體內(nèi)孔隙氣壓減小,孔隙水壓力增大,結(jié)果基質(zhì)吸力減小,再者水分在土粒表面形成潤(rùn)滑劑,使內(nèi)摩擦角減小,減小其的內(nèi)摩擦力,高液限土的抗剪強(qiáng)度不斷減小。
3.1.2高液限土邊坡不同的水文地質(zhì)條件引起坡體內(nèi)應(yīng)力的變化
高液限土不同的礦物組成、不同的層厚、不同的接觸關(guān)系以及坡體變形失穩(wěn)影響范圍內(nèi)地表水、地下水不同的補(bǔ)徑排條件,必然引起坡體局部的應(yīng)力的變化,對(duì)邊坡造成不利影響。
3.1.3坡體自重增加以及坡腳強(qiáng)度的降低
高液限土吸水,必然引起坡體自重增加;高液限土含水量高,強(qiáng)度較低,尤其坡腳附近容易積水潮濕,容易產(chǎn)生由于坡腳強(qiáng)度不足,導(dǎo)致坡腳過大變形而失穩(wěn)。
3.2人的活動(dòng)
對(duì)于人工開挖后高液限土坡,屬卸荷力學(xué)行為,卸荷將引起塹坡位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的改變,坡體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)在一定范圍內(nèi)調(diào)整,于塹坡內(nèi)坡緣拉應(yīng)力、坡中部最大壓力差、坡腳剪應(yīng)力三大應(yīng)力集中帶,導(dǎo)致最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力增加,并在坡腳附近和坡型突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中,并在一定的誘發(fā)因素下很可能演化為崩塌或滑坡[11]。
4、高液限土坡常見的防治措施
高液限土邊坡破壞防治必須堅(jiān)持“先發(fā)制坡,以防為主”的原則;依據(jù)高液限土的類別和挖方深度的不同,可從如下幾個(gè)方面考慮邊坡防治的措施。
4.1選擇合理的邊坡開挖方式
高液限土邊坡宜采用臺(tái)階級(jí),加寬各級(jí)平臺(tái)的寬度,把高邊坡降低為矮邊坡的組合形式,這樣不僅減輕了高邊坡土體對(duì)坡腳的壓力,而且減弱了地面水對(duì)坡面的沖蝕,同時(shí)平臺(tái)對(duì)坡腳有一定的支撐作用。
4.2設(shè)計(jì)較為保守的邊坡坡度
由于高液限土工程性質(zhì)極為復(fù)雜,環(huán)境條件影響很大,很難確定邊坡坡度和破壞位置。因此,坡比設(shè)計(jì)有必要比類似工程地質(zhì)采取趨于保守的坡比方案。
4.3施工時(shí)補(bǔ)強(qiáng)措施和反壓措施
邊坡土質(zhì)液限高、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差,在施工中坡面、平臺(tái)出現(xiàn)裂縫的采用水泥漿封補(bǔ), 防止雨水侵蝕發(fā)生近一步開裂。在裂縫段和滑移段采取填土反壓措施, 待反壓土以上的防護(hù)加固措施及卸載工程完成后,再進(jìn)行反壓段的開挖防護(hù)施工。 4.4水處理措施
水是高液限土的大敵,對(duì)地表水、地下水均需處理。
4.4.1排水措施
增設(shè)與加大路基坡腳的碎石盲溝,盲溝的縱坡適當(dāng)放大點(diǎn),以利于地下水盡快排放。在有擋墻的邊坡應(yīng)在擋墻位置增設(shè)仰斜排水孔,加大邊坡的排水功能,盡快減輕邊坡自身的重量。加強(qiáng)路塹邊坡的排水處理,根據(jù)坡面滲水情況,適當(dāng)加強(qiáng)設(shè)置仰斜排水孔;對(duì)于坡腳滲水,考慮滲水位置設(shè)置碎石透水層及管道排水。因坡面潮濕含水量較高,增設(shè)帶邊坡滲溝的路塹拱形骨架,滲溝出水口必須與擋墻的透水層和泄水孔連通。使其有規(guī)則的排放,防止其對(duì)邊坡的淺層沖刷。
4.4.2隔水措施
采用隔水措施來提高高液限土的遇水穩(wěn)定性,隔水措施包括設(shè)置粒料吸收層,包芯法或包邊法等;還可以配合使用一些輔助性的土工布、土工格柵等土工合成材料,起到增強(qiáng)強(qiáng)度的作用。利用隔離排水、摻粗粒土、土石混填等物理方法改變坡體內(nèi)原有地表水或者地下水的補(bǔ)徑排條件,使高液限土邊坡安全穩(wěn)定。
4.5其他措施
4.5.1化學(xué)加固措施
這種方法是在高液限土坡中,采用化學(xué)漿液灌入或噴入其中,使土體固結(jié)以加固地基的處理方法。這種方法加固高液限土坡的原理是,在其中灌入或噴入化學(xué)漿液,改變其化學(xué)物質(zhì)組成及粒度組成,提高土壤顆粒的黏結(jié)力和降低土中的天然含水量,減小其壓縮性和加強(qiáng)其穩(wěn)定性。主要摻石灰、水泥等固化材料、土壤穩(wěn)定劑和NCS土壤固化劑、穩(wěn)定劑等
4.5.2生物加固措施
生物加固措施是近十幾年的事情,就是用活的植物,單獨(dú)用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結(jié)合,以減輕高液限土坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕。主要是深根的錨固作用、淺跟的加固作用、降低高液限土坡體孔隙水壓力、植被能降雨截留削弱濺蝕、控制坡體表面土粒流失。由于生物措施對(duì)高液限土坡加固程度有限,往往與其它措施配合進(jìn)行。
5、高液限土坡將來可能的研究方向
高液限土是一種典型的非飽和土,目前對(duì)高液限土邊坡的設(shè)計(jì)主要是參考膨脹土邊坡的方法進(jìn)行,但高液限土并不完全等同于膨脹土,要做出合理優(yōu)化的設(shè)計(jì),必須認(rèn)識(shí)到高液限土與普通膨脹之間本質(zhì)的不同;因此從微細(xì)觀的角度分析高液限土的物質(zhì)組成及空間組構(gòu),解釋土體的特性及變形機(jī)理,以便找到一些防治措施,是高液限土坡將來可能的研究方向。由于離心模擬技術(shù)能在原型應(yīng)力狀態(tài)下研究和觀察高液限土邊坡的變形和破壞過程,并具有較好的經(jīng)濟(jì)性、可控性、可操作性、重復(fù)性及一定的可靠性,對(duì)模擬以自重為主要荷載的高液限土結(jié)構(gòu)物的性狀特別有效,可能也是高液限土坡將來可能的研究方向。
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