高液限土邊坡研究綜述

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1、概述

　　在工程中判別高液限土的3個(gè)指標(biāo)為：小于0.074mm的顆粒含量大于50%、液限大于50%，塑性指數(shù)大于26的土。目前邊坡工程對(duì)具有膨脹性的高液限土設(shè)計(jì)思路基本是參考膨脹土進(jìn)行的，除了具有遇水膨脹、失水收縮的特征外，更主要的特征是高液限土壓實(shí)性差，經(jīng)過(guò)壓實(shí)后的土的壓縮性仍然較大，且有明顯的應(yīng)變軟化。很多邊坡工程失去效用，都是由于認(rèn)清楚高液限土的本質(zhì)特征而引起的。

　　2、高液限土的礦物組成及工程性質(zhì)

　　高液限土通常含有大量的蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土成分。其中蒙脫石是由顆粒極細(xì)的含水鋁硅酸鹽構(gòu)成的礦物，其晶格單元由兩層硅氧四面體層夾一層氧化鋁八面體層構(gòu)成，層間聯(lián)接依靠范得華力，較弱，水分子容易進(jìn)入晶胞之間，增大晶胞距離，脫水后，又產(chǎn)生相應(yīng)的收縮，其液限變化范圍可達(dá)到140～710%，塑限范圍為50～100%[1]；在晶格之間，由于同晶置換作用，使蒙脫石具有很強(qiáng)的吸附能力，大量的Na+、Ca2+填充進(jìn)來(lái)，產(chǎn)生雙電層效應(yīng)，導(dǎo)致粒間的膨脹。相似的，伊利石也具有2：1的三層晶體結(jié)構(gòu)，但其吸附的陽(yáng)離子主要為Na+、K+，晶格間連接力較強(qiáng)，水分子不容易進(jìn)入，所以伊利石親水性、脹縮性不如蒙脫石，其液限變化范圍為80～120%，塑限為45～60%.伊利石屬于較不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，性質(zhì)介于蒙脫石和高嶺石之間，并隨著層間K+含量的逐漸減少，而接近于蒙脫石。高嶺石的結(jié)構(gòu)單元是由一層鋁氫氧晶片和一層硅氧晶片組成的晶胞。晶胞之間的聯(lián)結(jié)是氧原子與氫氧基之間的氫鍵，聯(lián)結(jié)力較強(qiáng)，晶胞之間的距離不易改變，水分子不能進(jìn)入，親水性及膨脹性較前兩種礦物成分小。

　　高液限土的工程性質(zhì)與其母巖成份、含水量、密實(shí)度、外荷載大小及作用方式、其他物理化學(xué)作用等都有關(guān)系。根據(jù)大量工程實(shí)踐可知：高液限土透水性較差；干硬時(shí)強(qiáng)度高，堅(jiān)硬不易挖掘， 不易壓實(shí)；毛細(xì)現(xiàn)象明顯，吸水后能長(zhǎng)時(shí)間保持水分，故吸水后承載力小、穩(wěn)定性差；具有較大的可塑性、弱膨脹性和粘性。

　　3、高液限土邊坡工程失穩(wěn)的主要原因

　　3.1水的影響

　　3.1.1高液限土吸水引起的土體抗剪強(qiáng)度降低

　　高液限土的抗剪強(qiáng)度包括內(nèi)摩擦力和粘聚力兩部分。內(nèi)摩擦力是土體受剪切時(shí)， 剪切面上下顆粒相對(duì)移動(dòng)時(shí)， 土粒表面相互摩擦產(chǎn)生的阻力；粘聚力是使土體的顆粒粘結(jié)在一起成為團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的力。粘聚力來(lái)源于兩個(gè)部分：土吸力， 是土體孔隙、氣壓力與孔隙水壓力之差， 使之產(chǎn)生粘聚力；土中天然膠結(jié)物質(zhì)對(duì)土粒產(chǎn)生膠結(jié)作用，而具有的粘聚力。隨著雨水入滲，水分逐漸積累，土體漸漸飽和，一方面土體內(nèi)孔隙氣壓減小，孔隙水壓力增大，結(jié)果基質(zhì)吸力減小，再者水分在土粒表面形成潤(rùn)滑劑，使內(nèi)摩擦角減小，減小其的內(nèi)摩擦力，高液限土的抗剪強(qiáng)度不斷減小。

　　3.1.2高液限土邊坡不同的水文地質(zhì)條件引起坡體內(nèi)應(yīng)力的變化

　　高液限土不同的礦物組成、不同的層厚、不同的接觸關(guān)系以及坡體變形失穩(wěn)影響范圍內(nèi)地表水、地下水不同的補(bǔ)徑排條件，必然引起坡體局部的應(yīng)力的變化，對(duì)邊坡造成不利影響。

　　3.1.3坡體自重增加以及坡腳強(qiáng)度的降低

　　高液限土吸水，必然引起坡體自重增加；高液限土含水量高，強(qiáng)度較低，尤其坡腳附近容易積水潮濕，容易產(chǎn)生由于坡腳強(qiáng)度不足，導(dǎo)致坡腳過(guò)大變形而失穩(wěn)。

　　3.2人的活動(dòng)

　　對(duì)于人工開(kāi)挖后高液限土坡，屬卸荷力學(xué)行為，卸荷將引起塹坡位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的改變，坡體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)在一定范圍內(nèi)調(diào)整，于塹坡內(nèi)坡緣拉應(yīng)力、坡中部最大壓力差、坡腳剪應(yīng)力三大應(yīng)力集中帶，導(dǎo)致最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力增加，并在坡腳附近和坡型突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中，并在一定的誘發(fā)因素下很可能演化為崩塌或滑坡[11].

　　4、高液限土坡常見(jiàn)的防治措施

　　高液限土邊坡破壞防治必須堅(jiān)持“先發(fā)制坡，以防為主”的原則；依據(jù)高液限土的類別和挖方深度的不同，可從如下幾個(gè)方面考慮邊坡防治的措施。

　　4.1選擇合理的邊坡開(kāi)挖方式

　　高液限土邊坡宜采用臺(tái)階級(jí)，加寬各級(jí)平臺(tái)的寬度，把高邊坡降低為矮邊坡的組合形式，這樣不僅減輕了高邊坡土體對(duì)坡腳的壓力，而且減弱了地面水對(duì)坡面的沖蝕，同時(shí)平臺(tái)對(duì)坡腳有一定的支撐作用。

　　4.2設(shè)計(jì)較為保守的邊坡坡度

　　由于高液限土工程性質(zhì)極為復(fù)雜，環(huán)境條件影響很大，很難確定邊坡坡度和破壞位置。因此，坡比設(shè)計(jì)有必要比類似工程地質(zhì)采取趨于保守的坡比方案。

　　4.3施工時(shí)補(bǔ)強(qiáng)措施和反壓措施

　　邊坡土質(zhì)液限高、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，在施工中坡面、平臺(tái)出現(xiàn)裂縫的采用水泥漿封補(bǔ)， 防止雨水侵蝕發(fā)生近一步開(kāi)裂。在裂縫段和滑移段采取填土反壓措施， 待反壓土以上的防護(hù)加固措施及卸載工程完成后，再進(jìn)行反壓段的開(kāi)挖防護(hù)施工。

　　4.4水處理措施

　　水是高液限土的大敵，對(duì)地表水、地下水均需處理。

　　4.4.1排水措施

　　增設(shè)與加大路基坡腳的碎石盲溝，盲溝的縱坡適當(dāng)放大點(diǎn)，以利于地下水盡快排放。在有擋墻的邊坡應(yīng)在擋墻位置增設(shè)仰斜排水孔，加大邊坡的排水功能，盡快減輕邊坡自身的重量。加強(qiáng)路塹邊坡的排水處理，根據(jù)坡面滲水情況，適當(dāng)加強(qiáng)設(shè)置仰斜排水孔；對(duì)于坡腳滲水，考慮滲水位置設(shè)置碎石透水層及管道排水。因坡面潮濕含水量較高，增設(shè)帶邊坡滲溝的路塹拱形骨架，滲溝出水口必須與擋墻的透水層和泄水孔連通。使其有規(guī)則的排放，防止其對(duì)邊坡的淺層沖刷。

　　4.4.2隔水措施

　　采用隔水措施來(lái)提高高液限土的遇水穩(wěn)定性，隔水措施包括設(shè)置粒料吸收層，包芯法或包邊法等；還可以配合使用一些輔助性的土工布、土工格柵等土工合成材料，起到增強(qiáng)強(qiáng)度的作用。利用隔離排水、摻粗粒土、土石混填等物理方法改變坡體內(nèi)原有地表水或者地下水的補(bǔ)徑排條件，使高液限土邊坡安全穩(wěn)定。

　　4.5其他措施

　　4.5.1化學(xué)加固措施

　　這種方法是在高液限土坡中，采用化學(xué)漿液灌入或噴入其中，使土體固結(jié)以加固地基的處理方法。這種方法加固高液限土坡的原理是，在其中灌入或噴入化學(xué)漿液，改變其化學(xué)物質(zhì)組成及粒度組成，提高土壤顆粒的黏結(jié)力和降低土中的天然含水量，減小其壓縮性和加強(qiáng)其穩(wěn)定性。主要摻石灰、水泥等固化材料、土壤穩(wěn)定劑和NCS土壤固化劑、穩(wěn)定劑等

　　4.5.2生物加固措施

　　生物加固措施是近十幾年的事情，就是用活的植物，單獨(dú)用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結(jié)合，以減輕高液限土坡面的不穩(wěn)定性和侵蝕。主要是深根的錨固作用、淺跟的加固作用、降低高液限土坡體孔隙水壓力、植被能降雨截留削弱濺蝕、控制坡體表面土粒流失。由于生物措施對(duì)高液限土坡加固程度有限，往往與其它措施配合進(jìn)行。

　　5、高液限土坡將來(lái)可能的研究方向

　　高液限土是一種典型的非飽和土，目前對(duì)高液限土邊坡的設(shè)計(jì)主要是參考膨脹土邊坡的方法進(jìn)行，但高液限土并不完全等同于膨脹土，要做出合理優(yōu)化的設(shè)計(jì)，必須認(rèn)識(shí)到高液限土與普通膨脹之間本質(zhì)的不同；因此從微細(xì)觀的角度分析高液限土的物質(zhì)組成及空間組構(gòu)，解釋土體的特性及變形機(jī)理，以便找到一些防治措施，是高液限土坡將來(lái)可能的研究方向。由于離心模擬技術(shù)能在原型應(yīng)力狀態(tài)下研究和觀察高液限土邊坡的變形和破壞過(guò)程，并具有較好的經(jīng)濟(jì)性、可控性、可操作性、重復(fù)性及一定的可靠性，對(duì)模擬以自重為主要荷載的高液限土結(jié)構(gòu)物的性狀特別有效，可能也是高液限土坡將來(lái)可能的研究方向。