高液限土边坡研究综述

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高液限土边坡研究综述

山东茂隆新材料 2020-11-16 1743


1、概述

  在工程中判别高液限土的3个指标为:小于0.074mm的颗粒含量大于50%、液限大于50%,塑性指数大于26的土。目前边坡工程对具有膨胀性的高液限土设计思路基本是参考膨胀土进行的,除了具有遇水膨胀、失水收缩的特征外,更主要的特征是高液限土压实性差,经过压实后的土的压缩性仍然较大,且有明显的应变软化。很多边坡工程失去效用,都是由于认清楚高液限土的本质特征而引起的。

  2、高液限土的矿物组成及工程性质

  高液限土通常含有大量的蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土成分。其中蒙脱石是由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的矿物,其晶格单元由两层硅氧四面体层夹一层氧化铝八面体层构成,层间联接依靠范得华力,较弱,水分子容易进入晶胞之间,增大晶胞距离,脱水

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后,又产生相应的收缩,其液限变化范围可达到140~710%,塑限范围为50~100%[1];在晶格之间,由于同晶置换作用,使蒙脱石具有很强的吸附能力,大量的Na+、Ca2+填充进来,产生双电层效应,导致粒间的膨胀。相似的,伊利石也具有2:1的三层晶体结构,但其吸附的阳离子主要为Na+、K+,晶格间连接力较强,水分子不容易进入,所以伊利石亲水性、胀缩性不如蒙脱石,其液限变化范围为80~120%,塑限为45~60%.伊利石属于较不稳定的中间产物,性质介于蒙脱石和高岭石之间,并随着层间K+含量的逐渐减少,而接近于蒙脱石。高岭石的结构单元是由一层铝氢氧晶片和一层硅氧晶片组成的晶胞。晶胞之间的联结是氧原子与氢氧基之间的氢键,联结力较强,晶胞之间的距离不易改变,水分子不能进入,亲水性及膨胀性较前两种矿物成分小。

  高液限土的工程性质与其母岩成份、含水量、密实度、外荷载大小及作用方式、其他物理化学作用等都有关系。根据大量工程实践可知:高液限土透水性较差;干硬时强度高,坚硬不易挖掘, 不易压实;毛细现象明显,吸水后能长时间保持水分,故吸水后承载力小、稳定性差;具有较大的可塑性、弱膨胀性和粘性。

  3、高液限土边坡工程失稳的主要原因

  3.1水的影响

  3.1.1高液限土吸水引起的土体抗剪强度降低

  高液限土的抗剪强度包括内摩擦力和粘聚力两部分。内摩擦力是土体受剪切时, 剪切面上下颗粒相对移动时, 土粒表面相互摩擦产生的阻力;粘聚力是使土体的颗粒粘结在一起成为团粒结构的力。粘聚力来源于两个部分:土吸力, 是土体孔隙、气压力与孔隙水压力之差, 使之产生粘聚力;土中天然胶结物质对土粒产生胶结作用,而具有的粘聚力。随着雨水入渗,水分逐渐积累,土体渐渐饱和,一方面土体内孔隙气压减小,孔隙水压力增大,结果基质吸力减小,再者水分在土粒表面形成润滑剂,使内摩擦角减小,减小其的内摩擦力,高液限土的抗剪强度不断减小。

  3.1.2高液限土边坡不同的水文地质条件引起坡体内应力的变化

  高液限土不同的矿物组成、不同的层厚、不同的接触关系以及坡体变形失稳影响范围内地表水、地下水不同的补径排条件,必然引起坡体局部的应力的变化,对边坡造成不利影响。

  3.1.3坡体自重增加以及坡脚强度的降低

  高液限土吸水,必然引起坡体自重增加;高液限土含水量高,强度较低,尤其坡脚附近容易积水潮湿,容易产生由于坡脚强度不足,导致坡脚过大变形而失稳。

  3.2人的活动

  对于人工开挖后高液限土坡,属卸荷力学行为,卸荷将引起堑坡位移场和应力场的改变,坡体内的应力状态在一定范围内调整,于堑坡内坡缘拉应力、坡中部最大压力差、坡脚剪应力三大应力集中带,导致最大主应力和剪应力增加,并在坡脚附近和坡型突变处产生应力集中,并在一定的诱发因素下很可能演化为崩塌或滑坡[11].

  4、高液限土坡常见的防治措施

  高液限土边坡破坏防治必须坚持“先发制坡,以防为主”的原则;依据高液限土的类别和挖方深度的不同,可从如下几个方面考虑边坡防治的措施。

  4.1选择合理的边坡开挖方式

  高液限土边坡宜采用台阶级,加宽各级平台的宽度,把高边坡降低为矮边坡的组合形式,这样不仅减轻了高边坡土体对坡脚的压力,而且减弱了地面水对坡面的冲蚀,同时平台对坡脚有一定的支撑作用。

  4.2设计较为保守的边坡坡度

  由于高液限土工程性质极为复杂,环境条件影响很大,很难确定边坡坡度和破坏位置。因此,坡比设计有必要比类似工程地质采取趋于保守的坡比方案。

  4.3施工时补强措施和反压措施

  边坡土质液限高、强度低、稳定性差,在施工中坡面、平台出现裂缝的采用水泥浆封补, 防止雨水侵蚀发生近一步开裂。在裂缝段和滑移段采取填土反压措施, 待反压土以上的防护加固措施及卸载工程完成后,再进行反压段的开挖防护施工。

  4.4水处理措施

  水是高液限土的大敌,对地表水、地下水均需处理。

  4.4.1排水措施

  增设与加大路基坡脚的碎石盲沟,盲沟的纵坡适当放大点,以利于地下水尽快排放。在有挡墙的边坡应在挡墙位置增设仰斜排水孔,加大边坡的排水功能,尽快减轻边坡自身的重量。加强路堑边坡的排水处理,根据坡面渗水情况,适当加强设置仰斜排水孔;对于坡脚渗水,考虑渗水位置设置碎石透水层及管道排水。因坡面潮湿含水量较高,增设带边坡渗沟的路堑拱形骨架,渗沟出水口必须与挡墙的透水层和泄水孔连通。使其有规则的排放,防止其对边坡的浅层冲刷。

  4.4.2隔水措施

  采用隔水措施来提高高液限土的遇水稳定性,隔水措施包括设置粒料吸收层,包芯法或包边法等;还可以配合使用一些辅助性的土工布、土工格栅等土工合成材料,起到增强强度的作用。利用隔离排水、掺粗粒土、土石混填等物理方法改变坡体内原有地表水或者地下水的补径排条件,使高液限土边坡安全稳定。

  4.5其他措施

  4.5.1化学加固措施

  这种方法是在高液限土坡中,采用化学浆液灌入或喷入其中,使土体固结以加固地基的处理方法。这种方法加固高液限土坡的原理是,在其中灌入或喷入化学浆液,改变其化学物质组成及粒度组成,提高土壤颗粒的黏结力和降低土中的天然含水量,减小其压缩性和加强其稳定性。主要掺石灰、水泥等固化材料、土壤稳定剂和NCS土壤固化剂、稳定剂等

  4.5.2生物加固措施

  生物加固措施是近十几年的事情,就是用活的植物,单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合,以减轻高液限土坡面的不稳定性和侵蚀。主要是深根的锚固作用、浅跟的加固作用、降低高液限土坡体孔隙水压力、植被能降雨截留削弱溅蚀、控制坡体表面土粒流失。由于生物措施对高液限土坡加固程度有限,往往与其它措施配合进行。

  5、高液限土坡将来可能的研究方向

  高液限土是一种典型的非饱和土,目前对高液限土边坡的设计主要是参考膨胀土边坡的方法进行,但高液限土并不完全等同于膨胀土,要做出合理优化的设计,必须认识到高液限土与普通膨胀之间本质的不同;因此从微细观的角度分析高液限土的物质组成及空间组构,解释土体的特性及变形机理,以便找到一些防治措施,是高液限土坡将来可能的研究方向。由于离心模拟技术能在原型应力状态下研究和观察高液限土边坡的变形和破坏过程,并具有较好的经济性、可控性、可操作性、重复性及一定的可靠性,对模拟以自重为主要荷载的高液限土结构物的性状特别有效,可能也是高液限土坡将来可能的研究方向。


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