雨水滲透下巖土邊坡縱向抗剪強度勘察技術分析

彭 軍

福建省水文地質工程地質勘察研究院 福建漳州 363000

在巖土工程中,通過巖土勘查工作可以確定邊坡結構的穩定性,落實針對性的邊坡防護措施,不僅如此,通過具體的勘查數據可以確定場地本身的適宜性,必須得到重視。但考慮到雨水滲透環境中會對巖土邊坡的縱向抗剪強度造成較大的負面影響,進而威脅到工程的施工質量和施工安全,因此相應的勘查技術還需要得到進一步優化,從而展開更加具體的風險控制和修復工作。

1 巖土邊坡縱向抗剪強度勘察技術作用分析

巖土邊坡的縱向抗剪強度是邊坡構造穩定的一個主要指數,對其進行勘察有助于工程人員發現可能存在的滑坡穩定性問題,并基于觀測資料對其結構進行優化。在巖土工程中,如果邊坡構造不穩定,極易引發滑坡,從而對周邊的建筑物、道路及居民的生活等構成嚴重危害,并且由于邊坡的不穩定,會引起巖石、土壤等物質流失,最終影響到周邊的生態系統。目前,我國大部分區域已出臺了相應的建筑工程技術規范,對巖土邊坡進行了規定,以求在保證工程滿足相應技術規范的同時,降低施工成本,確保工程的設計與維修工作可以高效開展。

在實際巖土工程過程中,邊坡防護工作不容小覷,設計人員需要對周圍環境進行勘查,綜合分析各種防護方法進行可行性及執行效果,能夠確保周邊的地面及房屋進行有效的保護,避免出現裂縫、滑坡等邊坡穩定問題。邊坡防護工作如果出現問題,很有可能會給周圍建筑、生產生活帶來較大的安全風險,增強其安全性需要采取恰當的方式。這就需要落實巖土邊坡縱向抗剪強度勘察技術,降低或防止邊坡上的水土流失,在某種意義上減輕對生態環境的沖擊。

除了上述兩個方面之外,巖土邊坡縱向抗剪強度勘察可以讓工作人員了解施工地點的適應性。根據巖土邊坡縱向抗剪強度數據,確定區域內的土體、巖體的性質,確保區域內施工的可行性。在巖土工程領域,如何選取合理的施工方案,將直接關系到地基的穩定性和安全性。在實際勘察過程中,不僅需要判斷地基的實際情況,確定地基的整體狀態,又能對地基的巖土特性進行評價與研究,進一步確定地基的合理與安全,確保地基的穩定性。同時,在巖土建筑中,基礎的承載力也是一個重要的因素,通過對基礎的適合度評價,能夠為基礎承載力參數的選擇奠定基礎,減少項目的風險。巖土邊坡縱向抗剪強度勘察得到的數據既可以作為相應的試驗資料,還可以作為后續的評價工作提供支撐。尤其是在數字時代背景下,通過巖土邊坡縱向抗剪強度勘察工作,工作人員可以及時了解項目運行狀態,對巖石邊坡穩定性進行穩定預報與監控,讓工程符合建設標準和規范要求,為對可能出現的問題與隱患展開全面的剖析與評價。根據數據與監控結果來進行相關的風險管理,這對整個項目的質量與安全有著非常重要的影響,也可以通過巖土邊坡縱向抗剪強度勘察進行長期的監控與評價。

2 巖土邊坡縱向抗剪強度勘察技術方法分析

首先,在進行實地勘查前,必須對相關地質、地貌以及周邊的基本條件有所了解,這樣才能更好地展開巖土邊坡縱向抗剪強度勘察,確定邊坡穩定性情況,從而為巖土工程項目的開展奠定基礎。其次,通過對采集到的土體和巖石樣品進行實驗室測試,獲得相應的力學、壓縮、剪切、變形等指標,為各種條件下的土體和巖石樣品的穩定評價和預測奠定基礎。與此同時,在勘查工作中,測量和監測是十分關鍵的一部分,在此過程中,利用諸如位移計、地下水位測量儀、激光掃描數據、邊坡表面水位計等的測量儀表進行勘測,而利用這些監測數據,可以及時了解和處理巖土邊坡上出現的各種意外狀況和問題,及時應對。除此之外,還可以使用有關的建模分析軟件,比如Plaxis等,對邊坡的穩定進行研究。

在此基礎上,針對雨水滲透條件下巖石邊坡的縱向抗剪強度問題,提出一系列新穎的地質調查技術與方法。例如,以現場實測資料為基礎,以高精度的3D成像技術為基礎,構建出一種精確的巖土邊坡的3D物理模型,可以有助于勘察人員對其進行深入的分析,對其在各種條件下的應力狀態進行仿真,并在此基礎上進行大規模的仿真計算,從而找到并修補邊坡中存在的問題。同時,將光纖作為一種新的檢測手段,用于對邊坡進行長時間、高精度的檢測,也是一種非常新穎的檢測手段。其中,所測得的數據包括應變、水壓力、溫度、位移等,可以用來進行自動化處理和分析,并對問題進行及時發現和處理。再比如,將GIS與衛星技術相融合,對巖土體邊坡處的含水層、受載區等進行了研究。將基于人工智能與大數據技術的邊坡數據融合,逐步將其運用到實際地質調查項目中,從而更加深入地認識邊坡狀況,并對其將來可能出現的問題做出準確判斷,為后續的工程建設提供依據。

很多地區氣溫、降水季節及非周期性波動明顯,巖土邊坡常年處在干濕交替的氣候條件下,雨水滲透問題突出,工程機械性能退化更加明顯。需要結合具體情況,設計出更加多元化的巖土邊坡縱向抗剪強度勘察技術同意,對不同含水量下的巖土邊坡縱向抗剪強度指標進行了分析,重點針對雨水滲透下的巖土邊坡縱向抗剪強度進行分析。根據過往的分析工作來看,雨水滲透下抗剪強度的衰變與降雨次數、降雨振幅、初始含水量等因素密切相關。雨水滲透作用下,膨脹土的黏性會隨著雨水滲透作用而逐步衰減。

3 巖土邊坡縱向抗剪強度勘察技術實例分析

為深入探討雨水滲透作用下,巖土邊坡縱向抗剪強度變化情況,揭示雨水對巖土邊坡縱向抗剪強度的作用機理,本項目以某工程項目的巖土邊坡為例,通過室內實驗,并針對當地的降水條件,開展典型的室內實驗,采用室內、室外實驗相結合的方法,進行有限元計算和有限元仿真。

3.1 工程概述

以某項目工程為例,該建設項目用地在平緩的丘陵地帶,整體走勢為坡地,在實際施工過程中,涉及諸多不同的邊坡施工環節,需要展開相應的邊坡支護設計,為了確保設計工作的穩定性,展開了相應的巖土邊坡縱向抗剪強度的勘察,并且考慮到當地氣候環境,分析在雨水滲透條件因素下,巖土邊坡縱向抗剪強度變化情況,明確邊坡穩定性,進一步確定具體的支護方案。以該施工項目為例,在實際施工過程中,具體包括三個巖土工程邊坡內容,分別為兩個一級邊坡和一個三級邊坡。以基坑周邊東部為主,多為陡峭基坑,其斜率為1類,最高巖土邊坡為70米。另外,還有一些基坑周邊為土質邊坡,以基坑周邊為重點,最高巖土邊坡高度為38米,為一類邊坡。還有一些開挖方邊坡,也有少數的填筑方邊坡,多為三級斜率,多為4～8米的巖土邊坡高度。為了確保施工項目的順利開展,針對巖土邊坡縱向抗剪強度進行了探討,從過往的施工經驗來看,巖土邊坡縱向抗剪強度參數會影響到邊坡殘余下滑力,因此,確定巖土邊坡縱向抗剪強度是確保邊坡穩定的重要依據。

3.2 數據分析

因為該工程項目位于一個高差109.0m的巖土邊坡上,所以在進行縱向抗剪強度勘察之前,還需要確定具體的施工方案、施工要求、施工標準,進而展開相應的檢驗。該工程項目團隊利用巖土計算軟件和Bishop條分法,對開挖邊坡的現有穩定進行了研究,表1為巖土物理力學性指標參數和表2為邊坡穩定性計算結果分析。根據表1和表2的數據可以看出,該工程項目存在較大的安全風險,必須要落實相應的支護工作,以此避免出現邊坡失穩等問題。但在實際落實過程中,還需要對巖土邊坡縱向抗剪強度衰減情況進行分析,以此判斷具體的衰減積累量和單次雨水滲透下衰減量,式(1)、式(2)為具體的計算公式。從實際數據來看,縱向抗剪強度衰減主要由黏聚力的衰減作用產生,內摩擦角的衰減作用較小。基于此,進一步計算分析抗剪強度衰減擬合,以此掌握衰減規律,式(3)為擬合函數公式。其中T為黏聚力衰減累積量,N為雨水次數、C1和C2為擬合參數。

表2 邊坡穩定性計算結果

(1)

(2)

T=C1ln(N)+C2

(3)

3.3 結果分析

為了對雨水滲透下的巖土邊坡縱向抗剪強度的改變進行深入的分析,在每次降水之后,在巖土邊坡下2cm和8cm的地方,分別采集六個圓刀形的樣品,對它們進行直接剪切實驗,獲得它們在各種垂直載荷(50,100,200,300和400kPa)下,在這些樣品的相同深度(50,100,200,300和400kPa)下,在這些樣品中,選取了最具有代表性的垂直載荷(100kPa)下,在這些樣品的不同深度和重復范圍內,它們的剪切強度會隨著時間的推移而發生相應的改變。在雨水滲透的條件下,邊坡土壤的剪切強度與其干、濕周復變的關系。隨著雨水滲透增大,縱向抗剪強度逐步降低,直至達到一個相對平穩的水平;在雨水滲透之后縱向抗剪強度的衰減程度最大,并且會隨著雨水循環持續降低,但隨后縱向抗剪強度達到一個相對穩定的水平。雨水滲透下,2cm的土的抗剪強度的衰減大于8cm,表明該效應對表層土的作用較弱。在相同的厚度下,降水量較大的情況下,巖土邊坡縱向抗剪強度的衰減要大于輕微降水下的土壤。研究表明,隨著雨水滲透的增加,邊坡的安全指數逐漸減小,當雨水滲透率達到最高時,安全指數趨于1,隨后就有可能出現滑坡問題。隨著雨水滲透的增大,邊坡的安全系數逐漸減小,因其層理及幾何學特征,在邊坡的薄弱點部位,首先發生了塑性形變,然后,屈服點逐漸上升,直至形成一條貫穿土壤的剪力斷裂[1]。

4 雨水滲透下巖土邊坡縱向抗剪強度勘察工作分析

雨水滲透是影響巖土體縱剖面剪切性能的主要因素之一,結合上述實際案例來看,其顯著影響了巖土體的黏結力、降低了內部摩擦力、加劇了裂縫擴展、影響了基巖的穩定等,給巖土工程的安全帶來了巨大的威脅。具體表現在以下幾點:

第一,加強黏性,降低內摩擦。在雨水滲透后,巖石中的黏性將得到加強,從而提高巖石的力學性能。雨水滲透效應使巖石與土體之間的摩擦減小,使巖石與土體之間的縱向抗剪強度下降。為解決該問題,需要通過增加土壤有機質含量、調整土壤結構、使用合適的土壤改良劑來改善土壤的黏性與穩定性。另一方面,地面上的植物能夠提高土體的水分吸收,維持地面上的植物或表層的草皮可以降低雨水對土體的直接侵蝕,進而降低土體的摩擦系數。此外,適當的灌溉方法還有助于增加土體的凝固性,降低內摩擦力,比如利用滴灌、噴灌等方法,使得水分的分配更加合理,避免了過多的水分損失,降低了沖刷[2]。

第二,使裂隙擴大。在坡度較大的地方,由于雨水滲透頻繁,有沖擊作用,使得巖石的裂隙擴展速度加快,更多的水分進入巖石中,使得巖石的裂隙擴展更加嚴重。為解決這一問題,本項目擬通過修建防護墻、增加植被、種植耐旱性較好的植被等方式,減少地下水侵蝕和地表裂紋擴展[3]。在此基礎上,提出了一套合理的、有效的儲水措施,并提出了相應的防滲措施。比如,在雨季來臨前,可以設置一個蓄水池,將雨水集中起來,這樣既能防止快速損失,又能緩慢地滲入土地。除此之外,對于比較明顯的地面裂縫,還必須通過對其進行擠出或填充的方法來對其進行修補,從而減小其擴展的幅度。除此之外,進行合理的強化和固化,從而減少其對土壤的侵蝕,顯著降低其下沉的危險[4]。

第三,對基礎巖體的穩定的影響:除了以上所說之外,雨水滲透的浸潤還會將基礎巖體表層的泥土及疏松材料沖刷掉,從而將基礎巖體挖出表層,更是對基礎巖石的穩定造成了更大的損害,進而造成整個邊坡滑坡。為了應對此問題,必須通過定時測定水位高度,實時監控巖石內孔隙內的水汽對巖石內的滲透作用,從而能夠對井筒內存在的隱患進行有效防治。在地下水滲漏比較嚴重的地區,應該在巖石表層涂以防滲層。比如,可以通過打孔灌漿來建立一個密閉的三維防水結構,有了這個防水材料,雨水就會被擋在墻外,這樣就可以降低墻內的滲水量。此外,為了減輕對巖體體系的沖擊,還應在關鍵地段設置一條排泄管道,以便將雨水排入巖體中。這些被回收的水可以被重新使用,或者被用于周圍的純凈水系統。

結語

綜上所述,雨水滲透下巖土邊坡縱向抗剪強度會隨著時間的推移而逐漸降低,且在斜坡中部因層理、幾何形態等原因形成的軟弱部位會發生塑變,進而形成一條貫穿整個斜坡的剪力區,因此還需要在巖土邊坡中部較弱部位加設防滑支撐以增強其穩定的方案。