维普资讯 http://www.cqvip.com
第26卷第2期 2006年4月 桂林工学院学报 Vo1.26 No.2 Journal of Guilin University of Technology Apt.2006 文章编号:1006—544X(2006)02—0200—05 土工格栅柔性支护在处治膨胀土路堑滑坡中的应用 谭 波 ,杨和平 ,罗 奕。 (1.长沙理工大学公路工程学院,长沙410076;2.桂林工学院土木工程系,广西桂林541004) 541004; 3.桂林电子工业学院机电与交通工程系,广西桂林摘要:膨胀土路堑滑坡是公路建设中最为严重且难以处治的工程病害,目前缺乏既经济合理又 安全可靠的处治技术手段.通过分析宁明膨胀土路堑边坡土体的工程特点以及滑坡规律,提出了 柔性支护综合处治措施.介绍了土工格栅柔性支护的处治措施的原理、设计方案以及施工方法, 采用有限元方法对柔性支护体和刚性挡墙的支挡变形进行了对比计算.该措施对边坡既能起到 “保湿防渗”封闭处治作用,又具有良好的支挡效果. 关键词:膨胀土;路堑滑坡;土工格栅;柔性支护 中图分类号:U416.1 文献标志码:A 膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和 此,交通部西部膨胀土研究项目课题组在充分研 伊利石组成的,具有膨胀结构,以及多裂隙性、 究宁明膨胀土工程性质和路堑滑坡特征的基础上 强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘土 J.膨胀土 提出了“保湿防渗”、“刚柔结合”的支挡处治原 特殊的工程性质往往造成路堑边坡的多种病害, 则,并首创了采用土工格栅加筋柔性支护处治方 具体表现为边坡剥落、冲蚀、结构物破坏、溜塌 案,完成了试验边坡的施工,取得了较好的处治 以及滑坡等,常常使公路建设蒙受巨大的经济损 效果. 失,因此,膨胀土路堑边坡的处治问题日益受到 重视.南宁一友谊关高速公路(以下简称南友路) 1 宁明膨胀土的土性、工程地质和 滑坡特征 在穿越宁明盆地边缘时遇到成片连续分布14 km 长的膨胀土,施工前期由于对膨胀土路堑滑坡的 南友路宁明膨胀土是一种棕黄色或灰白色、 认识不足,未对开挖的边坡进行即时有效的处治, 斑纹状的残积型膨胀土(厚2~6 m),其母岩是 经历一个雨季,区域内几乎所有的堑坡均出现不 下第三系那读组深灰色、灰褐色粘土页岩.路堑 同程度的滑坍,有的边坡经多次整治放缓至l:3仍 开挖揭示出宁明膨胀土具有明显的地质构造,从 不稳定,膨胀土路堑滑坡的处治问题已成为南友 上至下,土层依次为表土覆盖层(1~2 m),膨胀 路建设中的难点. 土(2~4 m),强风化泥岩(4~6 m),弱风化膨 对于路堑滑坡的治理目前还找不到一种既行 胀泥岩(厚度未揭露) J.宁明膨胀土具有残积型 之有效又经济合理的方法.原因在于,膨胀土路 膨胀土共有的低密度、高含水量、高分散性、强 堑的滑坡不仅与土性有关,而且还与地质结构、 收缩等一系列不良工程性质,其下泥岩一经开挖 气候环境、地下水等因素密切相关,这就使得对 暴露便很快开裂、崩解成碎块进而变成粉末状, 于滑坡的研究将更加复杂,处治方案中考虑的因 从路堑开挖揭露的典型地质剖面可清楚看到构造 素将更多,同时还应考虑到经济和环保要求.为 节理与裂隙和风化裂隙极为发育,有竖向、斜交 收稿日期:2005—08—18 基金项目:交通部西部交通建设科技项目“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”(2002318000) 作者简介:谭波 (1977一),男,硕士研究生,研究方向:路基路面工程. 通讯作者:杨和平,教授. 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 谭波等:土工格栅柔性支护在处治膨胀土路堑滑坡中的应用 201 和水平3种,分层明显,贯通性层间裂隙与岩土 ~5。,而边坡坡比为(1:2.5)~(1:3). 体分层一致,是控制滑坡的主要因素.通过对灰 (4)季节性.绝大部分滑坡都发生在雨季后 色白膨胀土和深灰色膨胀混岩进行基本物理一力 期,或一场大雨过后. 学性质试验后发现,该土体吸水后的膨胀量特别 (5)滑面形态多为折线.这与地质剖面的土、 大,最大收缩率达4.85%,最大膨胀力可达80 岩层分布和各种成因裂隙的发育有关,滑动面后 kPa,土体强度低,水稳性差,属中一强膨胀土. 缘受上层膨胀土竖向裂隙的控制,形成陡直的后 针对边坡分析中所需的强度参数,作了在不同含 缘,高一般为l~3 m.中部、前缘滑面受岩层节 水量下以及历经数次干湿度循环后抗剪强度的实 理和沉积软弱层结构面控制为直线. 验,结果见表l、2. 根据宁明膨胀土滑坡的规律,可概括出如图l 所示的一般滑坡破坏模式. 表1 残积土强度随含水量、饱和度变化的测试结果 Table 1 Testing results of residual soil intension change adapt to water content and saturation 图1 宁明膨胀土路堑滑坡的一般破坏模式 Fig.1 Generic failure mode of expansive soil cutting lnadslide in Ningming 表2 击实膨胀土干湿循环下抗剪强度的比较 Table 2 Comparison of shear strength of compacted expansive soil 对于A处发生的破坏属于小型滑坡,一般是 in condition of id'y—humid circulation 王 墼 由于开挖卸荷膨胀土应力释放或土体膨胀变形所 O 1 2 3 4 5 致,在开挖不久后出现,较容易处治;B或C处 往往是有一定规模的滑坡,滑坡的位置主要位于 土岩界面或强风化页岩中,这些界面裂隙发育或 富集次生蒙脱石粘土,从而抗剪强度极低,受环 结果表明,边坡土体的强度受水和风化营力 境的影响明显,是滑坡的主要控制因素.尽管如 的影响较大,这说明边坡一经开挖应即时采用 此,对于这些软弱结构面还很难通过实验直接测 “保湿防渗”的封闭措施来保持土体强度. 出其准确的强度参数,通过对已经滑塌的边坡进 掌握滑坡的规律是进行滑坡处治的前提,为 行反算并参考有关资料 J,可近似得出:土岩界 此课题组于2004年3月对全线膨胀土主要分布区 面c=10 kPa, =3。,强风化页岩c=15 kPa, (K132~K142路段)31个路堑边坡中的23个滑 =10。.滑坡规律表明:宁明膨胀土路堑滑坡的处 坡破坏情况进行了详细勘察与统计,通过分析发 治不能采用清方卸荷的方法;由于下滑力不大, 现如下规律: 较为经济的方法仍应该是支挡方法,但应充分考 (1)浅层性.小型破坏69%都发生在灰白色 虑膨胀力对支挡体的作用;支挡体应位于软弱结 膨胀土中,有规模的破坏78%发生在土岩界面和 构面之上,并采取封闭措施保持边坡土体的强度. 强风化页岩中,而土岩交界面主要分布在3~5.5 m之间,滑面埋深很少有超过6 m. 2 柔性支护的设计原理及方案 (2)顺层性.小型破坏都是顺层顺坡发生的, 2.1 原理 有规模的滑坍中顺层占绝大部分(94%),说明页 目前,土工格栅在道路工程建设中已大量使 岩层理面、残积膨胀土中的残余层理面是边坡破 用,并且在软基处理、路面开裂、高路堤稳定性 坏的控制因素. 处治等方面取得了许多成功经验,其主要作用在 (3)平缓性.滑坍边坡页岩层的产状为倾向 于土工格栅加筋补强以及与填料的摩擦咬和作用. 135。~158。,倾角2。~6。,大多数滑面倾角仅2。 但国内对于土工格栅在路堑滑坡处治的应用较少, 维普资讯 http://www.cqvip.com
桂林工学院学报 2006正 在宁明膨胀土滑坡研究中,课题组首创了土工格 填料,以确保强度和排水要求.碎石土填料要求 栅柔性挡墙的处治方法,其设计思想在于利用格 具有一定的强度和渗透能力,最大料径小于10 栅与土摩擦咬和作用将土工格栅分层摊铺、反包 cm,膨胀土填料采用中、弱膨胀土,控制含水量, 将膨胀土包裹成一个整体,并利用格栅的加筋作 可就近取材,最大料径小于5 cm. 用以及压实工艺改善土体的强度,土体的水 (5)为防止雨水冲刷,在坡顶及坡面采用30 平膨胀变形,使其成为能承受一定膨胀推力的柔 cm耕植土层植草绿化.墙顶后土体边坡放缓至 性支挡体,以取代常规的刚性支挡体.由于柔性 1:3,并在其上部铺高“两布一膜”至截水沟处, 支挡体允许较大变形可释放边坡土体大部分应力 再回填50 cm的红粘土以防止雨水下渗.墙后设 和膨胀产生的破坏力,起到更好的支挡效果.同 碎石土排水层50 cm,以疏干膨胀土内裂隙水,墙 时柔性支挡体对于墙后土坡而言具有很好的防护 底部设渗沟两道,以降低墙后边坡以及路床的地 作用,这样就阻止或减小了各种如风化、降雨等 下水位,实现排水分流. 环境因素对边坡的影响,在柔性处治方案中还充 分考虑了排水系统以达到“保湿防渗”的处治效 果. 3 柔性支护体的变形计算 刚性支挡结构由于自身不能变形,在膨胀力 的作用下常常发生变形破坏,因而起不到好的支 2.2 设计方案 根据加筋土边坡的设计方法,并考虑膨胀土 挡效果.柔性支护体的最大特点在于自身允许变 的土性特征、地质水文特点、施工等要求,经初 形,但变形过大同样将造成破坏,因此对支护体 步计算提出了土工柔性支护的设计方案,如图2 的变形计算是对设计尺寸合理性以及支挡效果的 所示.说明如下: 起到更好的支挡、封闭效果. 比保证墙体的稳定和对墙后土体的反压作用. 验证.本文采用有限元法模拟柔性支护体在支挡 土墙的变形以作参考.采用ansys有限元软件进行 (图1)作为计算模型的基础,而有关的计算参数 (1)墙宽设5 m可以满足机械施工要求以及 过程中的变形情况,同时计算相同条件下刚性挡 (2)土工格栅加筋体的边坡采用1:1.5的坡 计算,以宁明膨胀土路堑滑坡的主要破坏模式 (3)根据初步计算及参考有关工程经验,土 均取于相应的实验数据.为简化计算,土体采用 工格栅的设计抗拉强度为35 kN/m,采用每两层 线弹性模型;格栅采用杆单元模拟并设置接触单 填土(压实厚度50 cm)铺一层土工格栅,每层格 元模拟界面摩擦;采用ansys中的接触单元 模拟 栅的摊铺长度3.5 m,与上一层格栅的搭接长度 两道软弱结构面,位置分别为土体以下4 m以及8 0.6 m(土工格栅的裁剪长度为摊铺长度+反包和 m处;将膨胀力考虑为作用于墙背的梯形面力, 搭接长度1.5 m,共5 m). 上端为40 kPa,下端为10 kPa,计算模型与网格 (4)柔性支挡体下部1~3层采用碎石土作为 划分如图3所示. 公路界碑 回填碎石土 两布一 面 坚 说明: 黯 碎石土 面 兰渗沟 。 沟 单位:cm (A)柔性挡墙剖面 膜封层 1.第一级挡墙回填采用碎石土, 第二、三级挡墙回填采用开 挖膨胀土,机械压实; 2本图适用于边坡高度H>12m; 3.坡顶采用底部铺设两布一膜, 另培土30cm植草防护 (B)土工格栅锚固大样 图2柔性挡墙处治边坡 Fig.2 Flexible retaining wall to deal with side slope 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 谭波等:土工格栅柔性支护在处治膨胀土路堑滑坡中的应用 203 图3有限元计算模型(A)及网格划分(B) Fig.3 Calculating model of finite element(A)and partiiton of d(B) 计算范围长150 in,路面以下30 in,墙体为 8.5 in,坡比1:1.5.有关计算参数如表3所示, 计算结果如图4所示. 采用相同方法对尺寸为2in×8in,墙背坡比 1:0.25的刚性挡墙进行了相应计算用以对比,对 比结果如表4所示. 表3路堑边坡强度取值 Table 3 Intention value of cutting slope 表4刚性挡墙与柔性挡墙墙背横向变形对比 Table 4 Contrast of lateral deformation oftied and lfexible retaining wall back 图4水平位移(A)及垂直位移五图(B) F 4 Nephogram of horizontal displacement(A) nad uptight displacement(B) 计算结果表明,柔性挡墙墙背各点的水平位 移均小于刚性挡墙,墙底处最大位移3.15 am可 以满足变形的要求.通过计算求得刚性挡墙内部 最大拉应力为176 kPa(应力云图未列出),远大 于其抗拉强度(50~100 kPa),说明挡墙已经发 生破坏,应加大设计尺寸才能满足要求.而柔性 挡墙的造价仅为该尺寸刚性挡墙的70%,这说明 柔性挡墙对于处治膨胀土滑坡更具有优越性. 4 柔性挡墙的施工 土工格栅柔性挡墙的另一优势在于施工简便, 采用常用的道路施工机械即可,无更高的技术要 求,首次实现路堑施工的机械化,并且非常适合 大面积、大范围的滑坡处治. 施工工艺流程如图5所示.施工要点: (1)边坡的超挖.边坡开挖应安排在旱季.由 于膨胀土的超固结性,边坡超挖将难以避免地造成 边坡的局部失稳滑坍.因此,边坡开挖应自上而下 逐步迅速进行,对于局部有滑坍的地段进行清方卸 荷,而后,随挡墙的修筑逐层回填、压实. (2)基底的处理.边坡开挖完毕后,应对基 底进行整平、碾压,局部湿软地段可采用掺拌石 灰并碾压的方法进行处理. 维普资讯 http://www.cqvip.com
桂林工学院学报 2006钲 最后在格栅尾部和中部打人U型钉固定,拔出钢 钎完成摊铺工序.修坡后将下层格栅反包上来, 并拉紧固定.在摊铺上层格栅时,用土工连接棒 穿接下层已反包固定好的格栅,然后将格栅拉紧, 此时连接棒被夹紧,用手不能抽出. 5 结论 采用土工格栅柔性支护处治路堑滑坡在国内 属首创,是针对膨胀土滑坡特点的一种比较有效 的处治方法;通过有限元方法对柔性支挡体的变 形计算发现,柔性挡墙较刚性挡墙有更好的支挡 效果,其自身的安全性更好.由于柔性挡墙施工 简便、造价低廉、施工进度快因而具有很好的推 广价值. 图5土工格栅柔性挡墙的施工工艺流程 参考文献: Fig.5 Construction process flow of geogrid flexible retaining wall [1]廖世文.膨胀土与铁路工程[M].北京:中国铁道出版 社.1984:40—44. (3)土工格栅的摊铺、反包和搭接.先按设 [2]郑健龙,杨和平.膨胀土处治理论、技术与实践[M]. 计长度裁剪土工格栅,在场地上划出反包线位置, 北京:人民交通出版社,2004:186—193. 根据反包线位置留出反包长度.在反包线位置用 [3]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建 筑工业出版社.1998:50—58. u型钉将格栅固定于土中,然后在格栅尾部空隙 [4]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水 处打人钢钎,依靠钢钎拉紧格栅,使其紧贴地面, 利水电出版社,2005:217—220. Application of geogrid flexible support in dealing with expansive soil cutting landslide TAN Bo ,YANG He.ping 。LUO Yi (1.School ofHighway Engineering,Changsha University ofScience&Technology,Changsha 410076,China; 2.Department ofCivil Engienering,Guilin University ofTechnology,Guilin 541004,Chian; 3.Departemnt ofElectronic Machienry and Traff ̄Engienering,Guilin University ofElectronic Technology, Guilin 541004,Chian) Abstract:Expansive soil cutting landslide is serious and diifcult to deal with in highway constructi0n.The present economical,reasonable and secure treatment technology iS not satisfied.Based on the analysis of engi. neering features and rules of landslide in Ningming expansive soil slope,the integrated treatment method 0f lfex. ible supporting structure is presented.The treatment mechanism,the treatment plna and construction method 0f geogrid flexible supporting structure are introduced.The finite element method is used in contrastive calcu1ate 0f distortion between flexible and rigid supporting structure.This approach can contribute to the hermetical treat. ment of keeping humid and anti—seepage,as well as good supporting effect. Key words:expansive soil;cutting lnadslide;geogrid;flexible support