汪 濱, 臧德記,馬廣軍
(南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)
為預(yù)防滑坡,常采用工程護坡,如砌石護坡、混凝土護坡、噴漿護坡、抗滑樁、錨固等,以減少滑動力與增加抗阻力,限制滑移發(fā)展。而常規(guī)邊坡排水的方法有地表截水溝、地下排水洞、排水孔。一些新的導(dǎo)滲技術(shù),如“排水孔纖維束導(dǎo)滲方法及裝置”[5]、“多向?qū)?lián)結(jié)扣”也在開始工程中試用。
如果一種護坡結(jié)構(gòu)同時具備力學(xué)阻滑與排水導(dǎo)滲的功能, 其護坡作用會更好。因此提出導(dǎo)滲-錨固滑坡防控體系,并申請了專利[6]。錨桿深入巖土中,通過合理的設(shè)計,可以形成理想的導(dǎo)滲通道,達到在深層大面積地調(diào)控地下水的目的,同時, 錨固力起到阻滑作用。
圖1為一種導(dǎo)滲-錨固復(fù)合結(jié)構(gòu)示意。主要構(gòu)件包括錨桿、透水膠結(jié)材料、承壓板等。錨桿外側(cè)充填透水膠結(jié)材料,形成一個環(huán)狀多孔透水帶,其作用是既可傳遞力又可以導(dǎo)滲。
圖1 導(dǎo)滲-錨固復(fù)合結(jié)構(gòu)示意
導(dǎo)滲特性主要取決多孔結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)。錨固特性主要反映在多孔結(jié)構(gòu)與錨桿、巖土層界面相互作用力學(xué)特性。
對于透水多孔材料,早期試驗中,多孔材料選擇水泥透水混凝土與聚合物混凝土2種,并進行了一系列的試驗。試驗發(fā)現(xiàn)聚合物混凝土孔隙率雖較高,但抗壓強度是前者1/3左右,且握裹力試驗很低?;诹W(xué)性質(zhì)的差異,兼顧經(jīng)濟成本、耐久性與技術(shù)成熟度等因素,后選擇水泥透水混凝土作為膠結(jié)材料。
水泥透水混凝土采用二次投料法,插搗成型。水泥透水混凝土按照規(guī)程在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護。采用重量法測量透水混凝土的孔隙率。
前些時我身體不適住院,鄰床一老農(nóng),面對每天一張張費用單,連看都不看。我說你挺有錢呀,他樂了,掏出一小紅皮本,好像是“貧困戶醫(yī)療證”之類的證件,說:“我住院,不花錢?!?/p>
參照日本混凝土協(xié)會的測試方法設(shè)計透水儀,用以測量透水混凝土的透水系數(shù)。通過測量規(guī)定時間內(nèi)的排水量,采用達西定律計算透水混凝土試件的透水系數(shù)。
測定透水混凝土不同配比情況下滲透系數(shù),發(fā)現(xiàn)對透水系數(shù)最主要的影響因素是孔隙率,其次是骨料粒徑,其他因素對透水系數(shù)的影響很小,可以忽略。
圖2為當骨料粒徑為10~20 mm,不同孔隙度條件下的滲透率系數(shù),可以看出, 孔隙度高,滲透系數(shù)大。對于排水導(dǎo)滲,越有利于排干邊坡里的積水。試驗結(jié)果表明,孔隙率為18%時,滲透系數(shù)可達10 mm /s以上。
圖2 孔隙率對滲透系數(shù)的影響
導(dǎo)滲-錨固復(fù)合結(jié)構(gòu)中, 錨桿的材料和力學(xué)性能是已知的,滲透混凝土的力學(xué)性能與常規(guī)混凝土不同,許多研究人員深入地研究了透水混凝土的強度等力學(xué)參數(shù)[7],許多試驗數(shù)據(jù)可供參考[8-9],相對不確定因素表現(xiàn)在2個方面:膠結(jié)材料與錨固的交界面、膠結(jié)材料與巖土層交界面。此2個交界面的力學(xué)性質(zhì), 決定錨固的極限抗拔力的值。
1.3.1透水混凝土強度試驗
透水混凝土強度試驗根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》,采用Toni萬能試驗機對普通混凝土的力學(xué)性能進行了試驗和計算。圖3顯示了當骨料粒徑為10~20 mm時,不同孔隙率下的抗壓與抗折強度試驗結(jié)果。
圖3 孔隙率對抗壓、抗折強度的影響
可以看出,隨著孔隙率的增加,多孔結(jié)構(gòu)的透水混凝土其抗壓與抗折強度都有一定程度的下降。
1.3.2透水混凝土握裹力試驗
多孔透水膠結(jié)材料與錨固的交界面的力學(xué)特性,與鋼筋混凝土握裹力試驗相似,因此采用類似的方法測試[11]。試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,試驗選用直徑為20 mm的玻璃鋼螺桿。錨桿與混凝土一起澆筑,形成試件。螺栓兩端高于混凝土兩端,一端較長,另一端較短,成型后保持28天。
測試見圖4,將試塊放置在握裹力試驗裝置上。螺栓的長端由萬能機通過裝置下端的中心孔夾緊。將千分尺安裝在螺栓較短端并固定牢固,有2種試驗,一種是干試樣;另一種是濕試樣,在水中浸泡24小時以上。為了統(tǒng)一標準, 表1列出了滑動變形0.1 mm對應(yīng)握裹力值。
圖4 透水混凝土握裹力試驗
表1 握裹力實測中滑動變形0.1 mm時測試值
從以上數(shù)據(jù)可以看出:①透水混凝土的握裹力略小于常規(guī)混凝土;②在孔隙率一定的范圍內(nèi)(≤18%),握裹力在一定的范圍波動, 但相對波動較小,約為常規(guī)混凝土75%~80%,超過這一范圍后(>18%),握裹力有急劇下降的可能性;③水浸泡后的試樣,握裹力略大于干燥試樣。分析認為, 測試時孔隙中的水分擔(dān)部分載荷,有助于握裹力的提高。
1.3.3與土層接觸面的力學(xué)特性
許多科研工作者對結(jié)構(gòu)面與土層接觸面的力學(xué)特性進行深入的研究[11]。粗糙度的變化對接觸面黏聚力有明顯的影響,而對接觸面摩擦角的影響程度較小。表2為一種紅黏土在法向壓力為100、200 kPa時, 粗糙度與界面抗剪切強度的關(guān)系。粗糙度采用灌砂法測量,即用填砂法用于測量填砂深度,填砂體積除以代表粗糙度的斷面面積(V/S)。透水混凝土孔隙率為18%時,粗糙度為3.18 mm。由表可以看出,隨著表面粗糙度增大,界面的抗剪切強度呈升高趨勢。由于巖土的多樣性,升高的幅度會有差異,這里不過多討論。
表2 不同粗糙度下界面的抗剪切強度
根據(jù)有關(guān)的錨固設(shè)計規(guī)范,膠結(jié)式錨固段提供的抗拔力計算,主要依據(jù):①膠結(jié)段同孔壁的抗剪強度;②膠結(jié)材料與錨(桿)的握裹力。兩者取較小者,考慮安全系數(shù),確定設(shè)計值。從以上試驗可以看出, 透水混凝土的錨桿握裹力降低有限,與土層接觸面抗剪強度略有增大。因此, 通過合理地設(shè)計, 可以達到工程要求。
為研究導(dǎo)滲-錨固復(fù)合結(jié)構(gòu)對邊坡的功效,采用數(shù)值分析的方法模擬降雨的影響[12]。此次計算采用一商業(yè)邊坡穩(wěn)定分析程序,它包括邊坡穩(wěn)定性(SLOPE/W)、地下水滲流分析(SEEP/W)、巖土應(yīng)力變形分析(SIGMA/W)等模塊。其中非飽和土理論基于Fredlund非飽和土計算理論,并考慮降雨入滲效應(yīng)。
假設(shè)條件為:①降雨強度為30 mm/h,降雨24 h后中止;開始時,地下水位左邊為7 m,右邊為6 m(與地面齊平) 。②坡高6 m,坡度為1.000∶1.333,錨固系統(tǒng)分3層布置,最上層錨桿長13 m,錨固段長度10 m,下面兩層錨桿長度15 m,錨固段長度12 m,邊坡斷面尺寸見圖5,按試驗用錨桿,直徑20 mm,自身抗拉強度為200 kN。③均質(zhì)土坡,土體重度18 kN/m3,c=15 kPa,φ=8°。④坡面為入滲和自由排水邊界條件。
圖5 邊坡斷面
根據(jù)SL 212—2012《水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計規(guī)范》膠結(jié)式錨固段提供的抗拔力,取決充填透水膠結(jié)材料分別與錨桿、土2個界面黏結(jié)情況,取兩界面中最小值, 即min為{πDCL, πdc1L}。其中D為錨索孔直徑,mm;C為膠結(jié)材料同孔壁的黏結(jié)強度,MPa;c1為膠結(jié)材料與錨桿的握裹力;d為錨桿直徑,mm;L為錨固段長度,mm。透水混凝土按試驗中孔隙率18%的參數(shù),握裹力按干燥時試驗值校核。錨固體直徑15 cm,錨固體與土體之間的黏結(jié)強度取100 kPa。因πDCL﹤πdc1L,薄弱面錨固段與土的交界面,錨桿所能承受的極限抗拔力按πDCL計算。
計算滲流場時,透水混凝土按試驗中孔隙率18%的參數(shù), 即滲透系數(shù)k=1.1 cm/s,土的飽和滲透系數(shù)k=1.0×10-3cm/s。計算邊坡局部時,根據(jù)非飽和土力學(xué)模型計算出局部土的抗剪強度;整體穩(wěn)定性計算按瑞典條分法計算整體穩(wěn)定性。
隨著降水,導(dǎo)致表層土層含水量迅速增加,水向下滲透,從而使得浸潤線升高。圖6為降水6 h滲流場的情況,圖6a為天然土坡的浸潤線,圖6b為錨固-導(dǎo)滲土坡的浸潤線。由于導(dǎo)滲的作用,錨固-導(dǎo)滲邊坡土體內(nèi)水位上升的速率均小于天然土坡;浸潤線抬升慢。進一步研究可以發(fā)現(xiàn),降雨結(jié)束后,錨固-導(dǎo)滲邊坡土體內(nèi)水位下降速率均大于天然土坡;且錨固不同傾角,其導(dǎo)滲效果及滲流場有所不同。
a) 天然邊坡
b) 導(dǎo)滲-錨固邊坡圖6 降雨6 h后邊坡孔壓等值線(kPa)
降雨的滲入導(dǎo)致坡內(nèi)總水頭、孔隙水壓力、含水率、壓力水頭均產(chǎn)生變化。由滲流場變化可以看出,邊坡中一部分土經(jīng)歷了非飽和土→飽和土的過程。對于非飽和帶土,引入非飽和土力學(xué)模型[13-14]計算特征點A孔隙水壓力與抗剪強度。該特征點A距離坡面1.2 m,位于最下層錨桿下部0.5 m。
圖7為A點處的滲流參數(shù)孔隙水壓力與土抗剪強度變化量的變化。在降雨一段時間,該點非飽和狀態(tài)→飽和狀態(tài);孔隙壓力大于零;降雨24小時后,又逐漸地由飽和狀態(tài)→非飽和狀態(tài)。對應(yīng)的土體抗剪強度也發(fā)生變化,由降雨初始狀態(tài)急劇降低,隨后有一段時間平穩(wěn)期;降雨中止后,土體抗剪強度分段逐步恢復(fù)。
圖7 降水與中止后孔隙水壓力與抗剪強度的變化
由此可知,隨著降雨的滲入,含水量增高, 孔隙水壓力增大,基質(zhì)吸力下降, 最終導(dǎo)致土體抗剪強度的降低,邊坡產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。當接近飽和時,孔隙水壓力、抗剪強度變化趨勢變緩,直至穩(wěn)定在一數(shù)值附近。
雖然不同位置土體的變化有差異,A點可以反映坡腳的局部變化,局部變化也使邊坡整體穩(wěn)定性產(chǎn)生變化[15]。
圖8為邊坡安全系數(shù)在降水與中止后的發(fā)展過程,可以看出隨著降雨的進行,邊坡安全系數(shù)在降低,在土坡滲流場達到相對穩(wěn)定狀態(tài)時,安全系數(shù)降至最小;降雨結(jié)束后,隨著土坡內(nèi)水位線的降低,安全系數(shù)逐漸升高。錨固邊坡與天然土坡變化趨勢相似,但護坡方法不同, 安全系數(shù)的值與變化程度明顯不同。
圖8 降水與中止后安全系數(shù)的變化
對比曲線可以看出:①對于天然邊坡,穩(wěn)定性沒有達到要求時,采用錨固可提高穩(wěn)定性;②降水過程中,不排水情況,安全系數(shù)的降幅較大,有了排水功能,安全系數(shù)的降幅較?。虎叟潘c錨固結(jié)合,除了靜態(tài)地提高穩(wěn)定性外,動態(tài)地看,對于因降水引起的巖土強度劣化起到緩沖作用,而在雨停間隙,又能起到快速恢復(fù)的作用。
為了防止降雨引起的滑坡,設(shè)計導(dǎo)滲-錨固護坡結(jié)構(gòu)。選擇透水混凝土作為膠結(jié)材料,以實現(xiàn)導(dǎo)滲與錨固系統(tǒng)的結(jié)合。針對護坡結(jié)構(gòu)導(dǎo)滲與錨固性能,開展一系列的試驗,并數(shù)值分析邊坡滲流場、土的抗剪強度與邊坡穩(wěn)定性的變化。試驗表明:選擇透水混凝土可以實現(xiàn)良好的排水導(dǎo)滲,滲透率系數(shù)隨孔隙度增加而有所增加。透水混凝土的握裹力較常規(guī)混凝土降幅有限。若浸泡在水中后,握裹力略大于干燥狀態(tài)下的握力?;炷僚c巖土接觸面黏聚力隨著表面粗糙度下降反而略有增高,因而,有良好錨固性能。在孔隙率為18%時,滲透系數(shù)可達10 mm/s以上,握裹力約為常規(guī)混凝土87%以上, 導(dǎo)滲與錨固性能相對較優(yōu), 可供工程應(yīng)用參考。進一步數(shù)值分析表明:采用該護坡結(jié)構(gòu),能有效地降低土的浸潤線高度和孔隙水壓力,從而減少因浸水引起的巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化。降雨時邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低,降雨停止后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)恢復(fù)較快,對滑坡災(zāi)害起到緩沖作用。
因此,導(dǎo)滲錨固復(fù)合結(jié)構(gòu)體系不僅可以加固邊坡,而且可以通過透水材料排出大量的滲流,起到標本兼治的作用,具有優(yōu)良的防災(zāi)性能。