边坡类论文期刊

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【摘 要】本文主要对南空华严岗山体支护边坡工程进行了一番分析与研究，南空华严岗山体支护工程建设单位为中国人民解放军南京军区空军住房发展中心，施工单位为江苏金地建设工程有限公司。该工程施工时间是：2011年8月～9月。本文主要介绍了土钉技术、挂网喷浆边坡支护结构机理、施工过程。 【关键词】土钉支护技术；锚杆；边坡；稳定性 引言 由于土钉支护技术具有结构轻、周期短、安全系数高、占地面积小等多个优势特点，因此，在诸多的工程中得到了广泛的应用。土钉支护属于一种复合支护，土钉具有的作用是能够将土体强度的不足进行有效的弥补，以确保土体整体刚度不断提升，并且它还能够将土体抗拉强度与抗剪能力存在的不足有效的弥补，以通过相互作用，增强土体整体结构的强度，避免边坡发生变形或者遭到破坏，其对于提高边坡的稳定性与承受超载的能力具有重要作用。本文主要对南空华严岗山体支护工程进行了一番分析与研究。 1．工程概况 南空华严岗山体支护工程位于南京市华严岗一号，周边山体高度约20米。距离建筑物最小距离约米，山体下原设有一道高约米毛石挡土墙，整个山体支护面积约2600m2。由于该工程周边山体存在一定的滑动面，经详细踏勘现场，本着“安全可靠、经济合理、技术可行、方便施工”的支护设计原则，充分考虑到边坡支护的安全性、经济性和可行性后，决定采用：山体锚杆＋挂钢筋网喷射护坡混凝土的施工工艺。具体做法为： （1）自上而下采用Ф150土层锚杆，间距为*米，锚杆深度为12～6米不等。梅花形布置。内设1根HRB335级Ф20锚杆筋，采用二次注浆工艺施工。二次注浆均采用纯水泥浆。 （2）坡面挂Ф8@200双向钢筋网，钢筋网与锚杆筋点焊设置。固定牢靠，后喷射C20细石砼，厚度100mm。水泥采用级水泥，水泥：砂：石＝1：2：2。 （3）坡面设置Ф50@3000泄水孔，长度为400mm。 （4）于坡顶及坡脚处设置砖砌截、排水沟。 2．土钉支护的机理 土钉支护主要将密集排列的插筋锚体放到原来的土体中，充分利用插筋锚体和土体及喷射混凝土面层共同产生的作用，以此形成一个重力挡结构的加强复合体，从而提高边坡支挡的稳定性。 实际中经常使用的沟槽边坡支挡结构主要通过支挡结构自身具有的强度与刚度，对其后的侧向土产生的压力进行承载，以避免土体的整体稳定性遭到破坏，它是一种常规被动制约机制的支挡体系。而土钉则与其相反，主要是在土体内部设定相应强度与密度的锚固体，并结合土体牢固，从而产生出较原状土强度及刚度更大的一个复合体，进而提升稳定性，其是一种主动制约机制。在复合体中，土钉锚杆具有四方面的作用：第一，具有约束作用；由于土钉在土体内部形成了一个复合体的骨架，因此使得复合体成为了一个整体，对于土体变形有着较好的约束作用。第二，具有分担作用；对于所产生的外荷载与自重应力，由土钉与土体共同进行承担，土钉的抗拉、抗弯、抗压、抗剪强度非常高，在土体出现开裂现象时，它能够分担着产生的抗拉、抗剪等复合应力，以减缓土体复合体塑性变形的速度。第三，具有应力传递与扩展的作用；由于土钉具有应力传递作用，它能够很好的将滑动与开裂过程中产生的部分应力传递到其后的稳定土体之中，将应力集中的程度进一步降低。第四，对坡面变形具有约束作用；在坡面上设置和土钉相连的钢筋网喷射混凝土面板，此混凝土面板对于坡面变形起到了较好的约束作用，大大降低了土体内部塑性变形程度，有效缓解了坡面开裂的发展。 3．土钉支挡体系的设计 土钉几何尺寸的设计 首先是土钉的长度；在设计土钉长度时，要小于土坡的实际高度。现对斜土坡体的组成与分布状态没有一套定量指标，因此，本文按照7m来进行设计，如果实际中出现了基岩的现象，那么，土钉钻入岩层内的位置在50cm即可，打射角度暂时为30°。其次，土钉孔的直径；在设计土钉孔直径时，应根据成孔机械设备而定。另外，对土钉间的距离进行设计；主要涵盖了水平间的距离及垂直间距，公式为：水平间距x垂直间距=注浆工艺系数x通径x长度。其中，注浆工艺系数属于一次性压力注浆工艺，通常会取或者.。在选择注浆工艺系数时应根据工作经验选择较为安全的系数。再有，选择土钉主筋直径；为了确保土钉中钢筋材料和细石混凝土具有较好的握裹力与抗拉强度，通常，钻孔注浆类型的土钉采用的都是强度较高的实心钢筋，钢筋材料直径可按照下列公式进行估算：筋材直径=（20-25）x10-3x（水平间距x垂直间距）～30（mm）。 对土钉锚体内部稳定性分析 土钉与土之间摩擦力的发挥，通常是通过土钉与土之间的相互移位而生成的。在经过土钉加固的边坡内部也存在着主动区与被动区。主动区的土体与土钉之间的摩阻力和被动区的土体与土钉之间的摩阻力在方向上是相反的，只有进入到被动区内的土钉才会具有稳定性作用。在对土钉锚固进行设计过程中，应确保土钉是完好无损的。 施工过程 土钉支护也可称之为土钉墙，它的施工过程是这样的：首先，先锚后喷；挖土至土钉位置处，打入土钉之后，再挖第二步土，打入土钉。这样一直循环到最后一层土钉施工完成。喷射完第一次混凝土（厚50mm）立即进行锚固；然后再喷射第二次混凝土（厚50mm）。其次，先喷后锚；挖土至土钉位置下的一定距离，铺上钢筋网，并预留搭接长度，喷射混凝土到一定强度后，将土钉打入。然后挖第二层土方至土钉位置下一定距离，铺上钢筋网，并与上次钢筋网上下搭接好，预留钢筋网搭接长度，喷射混凝土，将第二层土钉打入。一直循环到基坑全部深度。这样的施工过程具有的优势是：施工所使用的设备简便；施工速度快；工期短；实际造价较低等诸多优势。施工过程中，应对土钉进行抗拔试验，以查看其是否具有较好的抗拔承载力，同时对土钉的界面粘结强度进行估算，以保证土钉设计过程中的正确参数。其次，为了确保土钉支护方案具有较高的安全性且经济合理性，应对坡顶超载坡高等各种因素进行充分的考虑，边坡设计与施工时，应分段进行。另外，对于边坡工程，应采用动态式的设计方法，对施工现场的地质情况、施工情况、应力监测的反馈信息等进行全面的掌握，同时，还应对之前的设计方案进行校核，以将存在的不足进行补充。 4．结论 综上所述可知，我国使用土钉支护技术是在20世纪80年代初，现阶段，在边坡支护工程中，其已经得到了广泛的应用，并且还结合传统的土钉支护技术，研制出了新型的土钉支护技术，运用到了工程实践中，发展良好，包括了止水型土钉、打入钢管注浆型土钉等。进一步拓宽了土钉支护技术的应用范围。南空华严岗山体支护工程采用土钉技术和挂钢筋网喷射护坡混凝土的施工工艺，不管是在经济技术方面还是在工期方面都有着诸多优势，如快捷、占地面积小、文明施工等优点，这是传统边坡支护方法无法超越的。 参考文献 [1]刘勃;土钉支护设计理论与工程实践的探讨[D];同济大学;2007年 [2]赵亚军;邯郸市深基坑排桩支护设计的方法与应用研究[D];河北工程大学;2007年 [3]马军利;陈军;膨胀土路基处理及边坡防护设计特点[A];第九次全国城市道路与交通工程学术会议论文集[C];2007年 [4]王方;斜山坡地建筑地基基础及结构设计理论与应用研究[D];中南大学;2007年 [5]田晓强;深基坑桩锚支护系统的计算与优化[D];太原理工大学;2007年 [6]梁仕华;土钉支护结构的优化设计[D];西安建筑科技大学

周中1 傅鹤林1 刘宝琛1 谭捍华2 龙万学2

（1.中南大学土木建筑学院 湖南 长沙 410075

2.贵州省交通规划勘察设计研究院 贵州 贵阳 550001）

摘要 降雨入渗是诱发土石混合体边坡失稳的主要因素之一，此类问题一直受到人们的关注，但对此问题的研究不够系统和深入。为了对降雨入渗诱发下土石混合体滑坡的失稳机理有较深入的了解及研究边坡性状随时间变化的一些重要特性，在上瑞高速公路贵州段选取了一个典型的土石混合体边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗影响下土石混合体边坡的滑动变形区为坡面以下0～4m之间，变形量以坡面最大，从坡面到坡体深部逐渐减小；在实施降雨的前2h，平均入渗百分率为86%，之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少，一段时间（6h）之后，入渗率降到一个相对稳定值（50%）；降雨入渗造成土体中孔隙水压力增加，致使边坡土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水软化而降低，降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。

关键词 边坡 土石混合体 人工降雨模拟试验 降雨入渗 现场监测

随着我国基本建设的蓬勃开展，国家建设战略重点向西部地区转移，工程建设不可避免地要遭遇包括残坡积物、崩坡积物和冲洪积物组成的松散堆积介质，其物质成分以土夹砾石或块石以及砾石或块石夹土等土石混合体为主，物质结构杂乱无章、分选性差、粒间结合力差、透水性强。它既不同于一般的岩体，又不同于一般的土体，而是介于土体与岩体之间的特殊地质体，称为土石混合体［1］。土石混合体边坡是按边坡的物质组成来划分的，与土质边坡和岩质边坡属于同一个划分层次，在全国乃至世界各地都有着广泛地分布［2］。对于土质滑坡和岩质滑坡机理国内外已作过许多研究，并取得了成套的研究成果。对于以土夹石为主的土石混合体滑坡，由于它具有物质组成的复杂性、结构分布的不规则性以及试样的难以采集性等独特的性质，给我们的研究带来了极大困难，取得的研究成果很有限［3］，因此很有必要就土石混合体滑坡进行专门的研究分析。

大量统计表明，土石混合体边坡失稳的主要诱发因素是降雨［4，5］。贵州省三穗县三凯高速公路平溪特大桥3#墩上方的大滑坡就是在2003年4月及5月初连续的强降雨的诱发下发生的典型土石混合体滑坡，造成35人丧生。降雨影响下边坡失稳的问题一直受到人们的关注［6～8］，但对此问题的研究不够系统和深入。为了揭示降雨诱发下土石混合体滑坡的形成演化规律，2005年4月，选取上瑞高速公路贵州段晴隆隧道出口典型土石混合体边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。试验过程中，配合原位综合监测，分析土石混合体边坡在降雨入渗作用下的形成条件、变形位移特征及破坏滑移规律，为今后更好地防范或治理此类地质灾害提供理论依据。

1 试验场地

试验场地的确定

正在建设的上海至瑞丽高速公路是一条联系我国东西的大动脉。2005年4月2日，在对上瑞公路贵州镇宁至胜境关公路综合考察的基础上根据钻孔地质资料、边坡的外部形态及周围环境选定晴隆隧道口K85 ＋650 -690 堆积层地段，作为人工降雨试验场地。首先清除区域内的植被及其他杂物，然后按1∶的坡度刷坡。为了防止大气降雨及周围土体内的水渗透到试验区内影响试验的精确性，下雨时，试验区用彩条布覆盖。

土体性质

为了弄清试验区土体的基本物理性质及边坡土层的工程地质特性，进行了基本物理力学试验及专门的钻孔勘察。其物理力学性质指标见表1。颗粒分析试验共做15 组，土样的平均颗粒级配曲线绘制于图1，图中平均级配的特征值为：粘粒（＜）含量为，粉粒（～）含量为，砾石（＞5mm）含量为。不均匀系数Cu为，说明土样中包含的粒径级数较多，粗细粒径之间差别较大，颗粒级配曲线的曲率系数Cc为，级配优良。

表1 天然状态土的基本物理指标

图1 天然状态土的颗粒级配曲线

钻孔勘察资料显示试验区上覆地层主要为第四系残坡积层（Qdl＋el），厚10～30m，平均深20m，为碎石土层，局部夹亚粘土，结构松散、稍湿。基岩为上二叠统龙潭组（P2l）煤系地层，由泥质粉砂岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩组成。试验区位于山体中部，水文地质条件简单，主要靠大气降水补给，受季节影响较大。试验区内地下水主要为基岩裂隙水，地下水埋藏较深，勘察期间，钻孔内未见地下水。本次试验开挖深度为6m，滑动面均在5m之内，因此，试验土层均为地下水位以上的土石混合体。试验区工程地质剖面图见图2。

图2 工程地质剖面图

①原地面线；②刷坡后的地面线（试验区）；③强风化带下限；

Qdl＋el—第四系残坡积层；P2l—上二叠统龙潭组煤系地层

2 仪器的布置及埋设

试验区面积为10m×10m，坡比为1∶，埋设仪器后的试验区如图3所示。试验区一共钻孔9个，其中3个钻孔用来安装测斜管，6个钻孔用来安装孔隙水压力计，共安装了12个孔隙水压力计、3个测斜管。试验区的左右两侧开挖宽，深的隔离带，并用高1m的白铁皮将试验区左右两侧与周围土体隔离，以免雨水渗入周围土体。试验区的下部修建宽，深1m的集水渠，并引出可能的滑动区域外与集水槽相连。集水渠除靠近坡体的一面外其余各面采用水泥护面，以免雨水流失。集水槽为长、宽、深均为2m的方形槽，为防止雨水的渗漏，集水槽需用水泥护壁。试验区右上方开挖一个5m×4m×2m的蓄水池，先用砖砌，并用水泥护壁。图4为监测点平面布置图，图5为L1纵断面测点布置图。

图3 埋设仪器后的试验区

图4 监测点平面布置图

数据单位为m

图5 L1 纵断面测点布置图

数据单位为m

坡面裂隙监测

坡面裂缝测量采用简单的测量方法，在进行地表巡视时，用钢卷尺对滑坡体主要裂缝宽度进行测量。

测斜监测

测斜装置由测斜管、测斜仪、数字式测读仪三部分组成。量测时将测斜仪伸入测斜管，并由引出的导线将测斜管，亦即滑坡体滑移量值瞬时反映在测读仪上。本试验中测斜仪采用美国 Sinco 公司生产的100 型测斜仪，灵敏度8s，精度 ± 6mm/30m，量程0～± 53°。测斜管采用金坛市绿盛土工材料厂生产的高精度ABS测斜管，外径70mm，内径59mm，接头外径80mm，每节长2m。在边坡不同位置共埋设3个测斜管，埋设于图3所示的Ⅰ点，埋设深度11 m。

孔隙水压力监测

土体的孔隙水压力传感器是由金坛土木工程仪器厂生产的KYJ-30 型振弦式孔隙水压力计量测的，其量程是0～200kPa，KYJ-30 型振弦式孔隙水压力计适用于钻孔法安装，测量建筑物内的孔隙（渗透）水压力，并可同步测量埋设点的温度。同时配置ZXY-2型振弦频率测定仪一台，测量范围：频率f＝500～5000Hz，频率模数显示值F＝f2×10-3，测量精度：± ，分辨率：± ，灵敏度：接受信号≥300μV，持续时间≥500ms，连续振荡的工作方式，功耗极小，使用简便。

在边坡不同位置共埋设12个孔隙水压力计，于图3中L1和L3断面的每个钻孔内埋设2个孔隙水压力计，L1列孔隙水压力测孔的深度为4m，孔隙水压力探头的埋深为1m和3m。L3列孔隙水压力测孔的深度为5m，孔隙水压力探头的埋深为2m和4m。

降雨强度地表径流监测

试验区内总的降雨量由人工降雨模拟装置主供水管上的流量表记录，再将每单位时段的降雨量除以试验区面积100m2，即可求出单位时段的降雨强度。地表径流由试验区下方的集水渠收集到集水槽中，再由水泵回收到试验区上方的蓄水池内，单位时段的地表径流量由与水泵相连的流量表量测。

3 人工降雨模拟

自制人工降雨模拟装置

参照中国科学院水利水土保持研究所研制的 SR 型野外人工降雨模拟装置［9］，自制一个专门的人工降雨模拟装置。本装置由水泵、水表、控制阀、水压表、喷头、主管、支管、两通管、三通管及四通管组成。主管和支管由长为1m或2m的短管经两通管、三通管或四通管组装而成。通过调节进水管和回水管上的控制阀可以产生30～120mm的降雨强度。人工降雨模拟装置的覆盖范围为10m×10m，其示意图见图6。

图6 人工降雨装置示意图

数据单位为m

人工降雨模拟试验的监测周期及频率

待埋设仪器与周围土体协调稳定后，测定各仪器的初始读数，人工降雨模拟试验的起止时间为2005年4月25日15：00 至2005年4月29日10：00。每小时的降雨强度为60mm/h，每降雨2h停1h，在停雨期间进行各项监测的读数。每3h记录一次各测点的孔隙水压力、坡面裂隙、深部位移、实际的降雨强度及地表径流量。若观测到边坡将要失稳，适当加大观测密度。

4 试验结果分析

坡面裂隙监测

试验期间，坡面位移不大，2005年4月30日16：30 发现边坡后缘张拉微裂隙，宽1～2mm，长3m。

测斜监测

将各孔的测斜数据整理分析并绘制成图，以ZK3孔为例加以说明。图7为ZK3的水平方向的累计合位移随孔深的变化图，从图中可以看出位移变形区基本上发生在地表以下0～ m 的范围内，位移随深度的增加而减小，坡面变形最大，最大合位移达到 mm。

图7 ZK3 水平合位移随孔深的变化

图8为ZK3的特征点水平合位移及累计降雨强度关系曲线。从图中可以看出特征点位移随着累计降雨强度的增加逐渐加大，并且，这种变形为从坡面到坡内逐渐减小的松弛形变形，处的位移相当于处位移的2倍，而4m处基本没有位移，数值上的微小变化是由测量误差引起的。

图8 ZK3 特征点水平位移及累计降雨强度

图9为各测点孔口的累计合位移及累计降雨强度的关系曲线，从图中可以看出随着累计降雨强度的增加土体位移逐渐加大，以坡中处的位移最大，坡脚次之，坡顶最小。ZK1—ZK3孔口处的最大合位移分别为 mm、 mm和 mm。

图9 各测点孔口的水平位移及累计降雨强度

孔隙水压力监测

图10为R2断面处的孔隙水压力随时间的变化曲线图，其中B1，B2，B3，B4 表示R2断面埋深分别为1m，2m，3m，4m的孔隙水压力。从图中可以看出，在降雨入渗初期，土体的渗透性较强，孔隙水压力较低。随着降雨的进行，孔隙水压力急剧增大，并达到稳定值。从图中我们还可以发现1m、2m处的孔隙水压力趋近于0，3m、4m处的孔隙水压力平均为和，相当于和水柱压力。原因是试验采用的降雨强度较大，土体吸水饱和后渗透性降低的情况下，排水不畅，形成暂时的滞水层，滞水层在4m左右，这一结论也得到了测斜成果的验证，此处的滑面位于坡面下。滞水层的存在对土石混合体边坡的稳定极为不利。首先，滞水层的形成导致了土体中孔隙水压力的增加，有效应力降低，从而导致土体抗剪强度降低；其次，滞水层的形成使得原来非饱和土体充分吸水软化，也导致了土体抗剪强度的降低。降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。

图10 R2 断面处的孔隙水压力随时间的变化曲线

图11为同一深度处（3m）的孔隙水压力随时间的变化曲线图，A3，B3，C3分别表示坡顶、坡中、坡脚处埋深为3m的孔隙水压力。从图中可以看出，孔隙水压力从坡顶到坡脚逐渐增大，坡脚处的孔隙水压力最大，坡顶处的孔隙水压力基本为0。

图11 同一深度处（3m）的孔隙水压力随时间的变化曲线

降雨强度及地表径流监测

图12中的曲线表示降雨期间的每小时平均降雨入渗百分率与时间的关系，是根据降雨强度和地表径流的量测结果计算得到的。可以看到，在实施降雨的前2h，平均入渗率为86%，2h之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少。6h之后，入渗率降到一个相对稳定值（50%），实施人工模拟降雨6h后，有一半的降雨变成了地表径流。降雨入渗率的降低可能是由于边坡土体吸水饱和使原来张开的裂隙闭合的结果。

潜在滑动面形状

测斜监测的深度为从测斜管管口至边坡内部11m，所监测的滑面深度也是由管口到滑面处的距离，而管口距坡面也有一定的距离，实际的滑面深度应当减去测斜管露出地面的部分，ZK1—ZK3滑动面位置分别为坡面以下，和。将测斜监测到的滑面位置同滑坡前缘错开裂隙和后缘张拉裂隙结合起来即可确定滑面位置，L2断面滑面位置及形状如图13所示。

图12 每小时平均降雨量（入渗量）及降雨入渗百分率

图13 L2断面滑动面形状

数据单位为m

5 结论

一个现场监测体系相当于一个足尺的试验装置，其监测结果对于研究和把握滑坡滑移演化规律、灾变机理和行为以及边坡安全状态具有重要的科学和现实意义。通过土石混合体边坡的人工降雨模拟试验和原位综合监测得到以下认识：

（1）土石混合体边坡在降雨入渗影响下多发为浅层松弛型破坏，滑动变形区为坡面以下0～4m之内；变形量以坡面最大，从坡面到坡体深部逐渐减小。

（2）在实施降雨的前2h，平均入渗百分率为86%，之后，入渗率由于地表径流的增加而随时间逐渐减少。一段时间（6h）之后，入渗率降到一个相对稳定值（50%）。降雨入渗率的降低是由于边坡土体吸水饱和使原来张开的裂隙闭合的结果。

（3）在强降雨作用下，边坡土体吸水饱和，土体内孔隙部分闭合，渗透性降低，排水不畅，在滑动面附近形成暂态的滞水层。滞水层的存在对土石混合体边坡的稳定极为不利。首先，滞水层的形成导致了土体中孔隙水压力的增加，有效应力降低，从而导致土体抗剪强度的降低；其次，滞水层的形成使得原来非饱和土体充分吸水软化，也导致了土体抗剪强度的降低。降雨入渗的这一双重效应可能是降雨诱发土石混合体边坡失稳的主要原因之一。

（4）试验区内的土石混合体边坡在将近4昼夜的时间内接受了4500mm的降雨，大大超过了实际可能出现的降雨强度，且平均入渗率达到50%，但是该斜坡仅仅出现了变形，并未产生滑塌破坏，说明堆积层斜坡发生破坏的条件不仅仅是降雨，还与坡率及地质条件有关。

参考文献

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［4］罗先启，李海岭，葛修润等.降雨条件下滑坡灾害及滑坡排水效果研究.岩土力学，2000，21（3）：231～234

［5］詹良通，吴宏伟，包承刚等.降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测.岩土力学，2003，24（2）：151～158

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［9］陈文亮，唐克丽.SR型野外人工模拟降雨装置.水土保持研究，2000，（12）：106～110