工程措施對邊坡覆蓋土加固效果的影響研究

代佳雨

（貴州省水利水電工程咨詢有限責任公司,貴州 貴陽 550081）

1 引言

隨著我國水利事業的快速發展,我國現有水庫已超過98000 座,其中,小型水庫占比高達 95%,大約有93000 座,隨著這些小型水庫的長時間運行,其中的很多水庫都出現了病害和險情[1]。本文以某水庫為研究對象進行現場勘察,發現水庫上游壩坡混凝土護坡部分有存在裂縫的情況,針對水庫存在的問題,對水庫上游邊坡進行現場勘測。其邊坡土質多為黃灰色砂土和巖土等構成,因此在邊坡加固工程中,岸坡整體穩定性和不均勻沉降日益突出。在現有邊坡上鋪設覆蓋土,以加寬和修復邊坡時,需要穩定邊坡表面來提高排水性能[2]。本文開發了一種采用帶葉片的小直徑穿孔鋼管（以下簡稱為鋼管）的邊坡穩定方法,見圖1。這些鋼管橫向安裝在側面,不僅是為了加固邊坡,還為邊坡提供排水。

圖1 帶葉片和過濾器的鋼管

在本研究中,為了檢驗橫向安裝鋼管對覆蓋土穩定的加固效果,對實際邊坡進行了離心機模型試驗和現場試驗。設置了兩次試驗：SF 情況和LF 情況,研究了加固區域和未加固區域邊坡破壞機理的不同之處,闡明了承重板和鋼管的加固效果。

2 增強效應及其機理

張逴[3]通過加載試驗過程中觀察了模型邊坡中的應變分布,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計模型,通過對模型邊坡的卸載試驗檢驗了加固效果[4-6],得出結論：（a）鋼筋的抗拉阻力和（b）承重板或邊坡框架的護坡方法相互影響。

傳統的滑坡預防樁是垂直安裝的,鋼樁的抗彎剛度有助于滑移面的傾斜。其設計方法已確立,并對其加固效果進行了深入研究[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,導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期加固效果。由于在該方法中未對鋼筋施加預應力,因此需要用覆蓋土的位移來調動管道的抗滑阻力。當管道的抗拉阻力被調動時,抗滑動安全系數可用基于極限平衡法的方程式見式（1）。當覆蓋土位移變大時,覆蓋土中的鋼管會隨著管道下方土壤圍壓的增加而向下彎曲。此時,由于圍壓（緊固效應）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,安全系數可用方程式見式（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；W 為鋼管加固有效區域的覆蓋土重量；為覆蓋土與水平面的傾角；L 為滑動面的長度；c 為滑動面處的粘聚力；為內摩擦角。在方程式中,假設鋼管是水平安裝的。

圖2 預期的加固效果

3 巖土離心機邊坡卸荷試驗

3.1 試驗過程

為了確認承重板和鋼管的加固效果,在塔里木大學使用MarkIII 型離心機在現場進行了離心機模型試驗。模型邊坡的側視圖和前視圖見圖3。在本試驗中,邊坡高度為400 mm（原型高度為8 m,以下括號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,采用當地砂土制成,其特性見表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固箱內的千斤頂上。通過在40 g 的離心加速度下向外拉動塊體,模擬了從坡腳開始的邊坡破壞。

表1 砂土的特性（Dc=85%）

圖3 模型邊坡

3.2 結果與討論

本文進行了兩次試驗；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）。邊坡破壞時的邊坡前視圖見圖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,沒有觀察到這種局部破壞。

圖4 邊坡坍塌時的邊坡前視圖

圖5 顯示了軸向力和單位寬度彎矩隨滑塊運動的變化。這些值以原型比例表示。在這兩種情況下,軸向力從塊體移動開始增加,而彎矩從塊體移動大約20 mm～30 mm 開始增加,僅在SF 情況下。坡腳處的反作用力與塊體運動之間的關系見圖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,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。在本試驗中,由于覆蓋土不能獨立存在,即在沒有加固的情況下,覆蓋土會滑動,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。例如,當塊體位移為88 mm 時,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以下方式求出：

圖5 彎矩和軸向力隨滑塊運動的變化

圖6 坡腳反作用力的變化

此時,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引起的阻力為ΔRt=3.6 kN/m。

4 實際邊坡卸載試驗

4.1 實驗過程

試驗邊坡基本情況見圖7。在試驗中,通過開挖鋼管下面的邊坡來模擬從坡腳開始的邊坡失穩。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 厚的粉質土。原邊坡主要由礫石混合砂土組成。這些土壤的性質見表2。用隔板將覆蓋土劃分為安裝鋼管的加固區域和無加固區域。鋼管直徑為76.3 mm,葉片外徑為176 mm,管道長度為5.8 m。這些鋼管分三排,間隔2 m 錯排安裝在邊坡下半部分,兩根測量用鋼管安裝在卸載試驗開挖區域（GL+1.5 m）的正上方,仰角為5°。

表2 試驗邊坡中的土壤特性

圖7 試驗邊坡示意圖

4.2 結果與討論

在本試驗中,使用反鏟將GL+1.2 m 以下的坡腳開挖至懸空,并測量了目標在邊坡上的移動。懸挑開挖后的邊坡見圖8。懸挑開挖后,未加固區域的覆蓋土立即坍塌,而加固區域覆蓋土的切割面則獨立存在。此時,應變計測得的拉力為0.08 kN,鋼筋區域內鋼管的最大彎矩為0.04 kN·m,均小于預測值。

圖8 懸挑開挖后的邊坡

根據未加固區域內邊坡的破壞機理,假定邊坡的破壞機理見圖9。由于在實驗室試驗中,滑移面長度為1.5 m,c 為17 kN/m2,因此懸挑部分的估計抗滑阻力（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域內坍塌。

圖9 在試驗中的強化效應

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

5 結論

本文通過離心模型試驗和實際邊坡的現場試驗,研究橫向安裝鋼管對覆蓋土邊坡穩定的加固作用。結果表明,橫向安裝鋼管對覆蓋土邊坡穩定的影響是顯著的。本研究得出的結論如下：

（1）離心機模型試驗證實,當邊坡上的覆蓋土發生位移時,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生的緊固效應都會被調動。

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