基于水泥改良土对高填方边坡稳定性影响分析
时间：2023-04-18 16:00:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
朱家剑
（甘肃路桥第三公路工程有限责任公司，甘肃 兰州 730000）
高填方边坡稳定性是岩土工程领域的技术难点。近年来在高填方边坡建设中，水泥改良土作为一种廉价改良材料，在确保高填方边坡稳定性上得到了广泛应用。
1.1 土质类型的影响
在不同自然条件下形成的土层结构截然不同，土层的颗粒大小不一，土层所含矿物成分和渗透性参数也不同。这些土质与水泥混合成水泥改良土，在强度上也各有特点。
细沙和粉砂属于无粘性土，由于土层是单粒结构，颗粒大、空隙大，与水泥混合后水泥颗粒容易渗透到土颗粒空隙中，形成的水泥改良土强度较大。另外，由于细沙和粉砂的矿物质成分是石英等原生矿物，与水泥化合物发生化学反应，提升了水泥改良土的强度。与非粘土的特性相反，粘性土矿物成分是高岭石等次生矿物，由于受风化作用，结构疏松，呈絮状多孔，导致渗透性较低，当水泥化合物与粘性土发生化学反应时，由于水泥化合物的钙离子数难以满足粘性土的强吸收作用，生成的胶结物较少，导致水泥改良土的强度增加有限。
1.2 含水率和压实度的影响
无论是改良土与水泥的拌和，还是水泥的水化反应和水化合物的形成，水的参与都至关重要。由于不同改良土的颗粒结构不同，性能不同，使得不同改良土对应的含水率也不一样，在与水泥拌和时，每种改良土都有其最优含水率，而含水率越大，压实度就越大。在一定范围内，压实度和水泥改良土强度成正比，当压实度超过了一定范围后，水泥改良土的强度增长速度会放缓。从生产效率角度看，每种水泥改良土都有其最优含水率，都有其最佳压实度，这对于提高水泥改良土强度、降低成本有重要意义[1]。
1.3 养护方法的影响
水泥和改良土加水拌和会产生一系列物理反应和化学反应，反应时间的长短对水泥改良土的强度有很大影响。随时间推移，反应结束后水泥改良土的强度会趋于稳定。但在反应过程中，如养护方法不同，短龄期的水泥改良土的强度差异会较大，随着反应趋于结束，养护方法造成的差异性会越来越小。由此可见，对于短龄期的水泥改良土，养护方法的选择对于水泥改良土的强度影响较大，而对后期的水泥改良土强度影响较小。从这个角度考虑，选择最佳养护方法，科学制定养护规范，对于短龄期水泥改良土质量提升有重要意义。
1.4 水泥型号和剂量的影响
水泥根据所含成分和剂量不同有多种型号，标号越高，强度越大。不同型号的水泥与同类改良土混合，其强度随着水泥标号的提高而增大。在其他参数值不变的条件下，水泥掺入量越大，水泥改良土的强度越大。研究发现，处在养护期的水泥改良土在不同时间掺入同等水泥量，对强度的影响也不一样；
而且，根据水泥改良土的强度要求，水泥掺入量应大于5%，从经济效益的角度考虑，水泥掺入量保持在7%-15%较为适宜。
2.1 雨水坡面冲刷破坏
高填方边坡失稳与水的作用密切相关。在环境干燥条件下，边坡的自身稳定性良好，岩土体保持在高强度状态。但在雨季，雨水的冲刷和浸泡会破坏边坡稳定状态，雨水渗入岩土体内部，岩土体容重增加，产生静水压力和动水压力，从而抵消岩土体结构的粘聚力，导致边坡强度降低，造成坡面出现侵蚀现象，引发坡面破坏，出现失稳。
2.2 坡面剥落掉块
高填方边坡施工结束后，其应力强度会保持在一定的稳定状态，但随时间推移，其内部的应力状态会发生变化，当下滑力小于抗滑力时，边坡会保持在稳定状态，当下滑力大于抗滑力时，边坡会发生失稳现象。从自然条件看，受风化的影响，坡面会出现干裂等现象，加上雨水的冲刷，雨水渗入会导致岩土体内部结构破坏，轻则引发岩土体湿陷变形，坡体原貌遭到破坏，出现坡面剥落掉块现象，重则造成内部结构失稳，出现滑坡等现象。
2.3 滑坡破坏
由于边坡有一定的坡率，斜坡面岩体会因自重产生自上而下的下滑趋势。受自然环境变化和内部结构下滑力的影响，边坡会出现坡角水平剪应力集中，产生剪切破坏，引发滑坡现象。滑坡过程具有渐进性，首先是局部软弱结构发生形变，逐渐向周围岩体扩展，最后导致斜坡整体出现滑动破坏。一般来说，坡率越大，坡角越高，产生的剪应力越强。根据土质的不同，滑坡发生概率也不同，通常土质边坡容易形成拉应力带，滑坡现象较常见。
2.4 泥石流破坏
在恶劣的自然条件下，泥石流现象时有发生，特别是暴雨、暴雪、地震等自然灾害很容易导致高填方边坡依附的山体发生滑坡。滑坡具有突发性，且夹带大量的泥沙和岩石，破坏性和危险性极大。一般来说，边坡周边有地下水暴露部位或者边坡处于地势险要处，需采取有效保护措施防范泥石流。
2.5 人类活动造成的破坏
在工程建设中，施工设计和技术等原因也会对边坡的稳定性产生影响，一是在边坡坡角处施工操作不当，过渡开挖，会导致边坡下滑力增大，出现边坡失稳，二是现场管理失当，在坡面上过渡堆积弃土或其他材料，导致下滑力大于抗滑力，边坡发生失稳，三是施工过程中忽视机械设备的振动和爆破影响，导致边坡内部结构遭到破坏，引发失稳现象[2]。
3.1 地质因素
边坡岩土体的斜面角度对边坡稳定性影响很大，一般来说，边坡岩层结构面与坡面呈直角，边坡稳定性最大，结构面与边坡呈水平状态，则边坡稳定性最差[6]。
3.2 边坡形态
边坡形态决定了边坡结构的稳定性。边坡形态可分为稳定趋势形态和失稳趋势形态。一般情况下，通过影响坡面形态的三要素，即坡面长宽高、边坡平面和坡脚临空角度来判断。坡面长则坡面结构易于稳定，坡面高则坡面失稳可能性加大；
边坡平面处于凹形，其稳定性高于凸形的边坡平面。边坡形态失稳是一个渐进过程，当边坡局部出现软弱结构，产生张力作用，使软弱的岩土体出现裂缝，引发坡角剪应力增强，造成边坡稳定性降低[3]。
3.3 动力作用
当边坡受到强动力荷载，会导致结构稳定状态被破坏，内部应力平衡系统发生改变，进而造成失稳现象。一般来说，地震和大型爆破等动力荷载是主要原因。
作为强动力荷载，地震对边坡稳定性造成的破坏是巨大的：一是引发边坡失去应力支撑，岩土体局部下滑力增大，而抗滑力不变，导致边坡失稳；
二是地震的冲击力使边坡坡面出现重组，新的结构面对原有结构面产生挤压、张拉等，使原有结构面出现裂缝甚至崩塌；
三是边坡在地震引发的山体泥石流等冲击下会发生强烈的位移或变形，造成边坡失稳。
和地震相比，爆破的动力影响相对较小，主要有以下方面：一是大型爆破引发的山体或边坡振动会产生惯性力，使边坡岩土体局部滑力失衡，导致边坡失稳；
二是爆破的振动冲力会对岩土体内部结构造成破坏，加大岩土体缝隙，打破岩土体结构应力平衡，引发剪切应力增大，使边坡失稳。因此，在实际施工中，采用爆破技术时要合理使用爆破用药量，科学计算爆破对边坡的影响，准确规划爆破地点与边坡的距离等。
3.4 地下水
地下水对边坡稳定性的影响很大，主要体现在以下方面：一是地下水入渗导致岩土体内部容重增加，粘聚力降低，打破了边坡动静水压力平衡，从而导致失稳；
二是地下水不断入渗，动水压力增大[4]，结构出现局部软弱，使地下水入渗通道被拓展加大，造成边坡内部结构失稳；
三是地下水持续入渗，入渗量越来越大，岩土体的坡角处于冲刷浸泡状态下，造成结构软化、流失，强度减弱，导致边坡结构失稳。
水泥改良土掺入比例不同，对高填方边坡的稳定性影响也不同。本文采用试验数据对不同掺入量水泥改良土对边坡稳定性的影响进行探讨。
从表1可知，素土边坡稳定系数为1.95，稳定性偏低，边坡内部结构不稳定，极易发生坡面变形、局部崩塌及滑坡等现象。因此，对素土边坡进行填料更换势在必行。
表1 不同填料下边坡稳定系数和变化特征
4.1 不同填料对边坡水平位移变化的影响
建成后的边坡岩土体会由于自重力和应力发生沿坡面位移的现象。不同填料情况下，水平位移的规律没有明显差别，都是从岩土体坡角延伸到坡肩，从坡面延伸到坡内，呈现递进位移的态势。由于坡体应力集中现象发生在坡角，在坡角位置发生的位移较大。但填料不同，坡面水平位移大小的差异很大。随着水泥标号的递增，边坡位移抑制效果越好，但改善效果呈渐进的走势（见表1）。
4.2 不同填料对边坡剪应力变化的影响
剪应力失衡是导致边坡失稳的重要原因。当边坡局部的剪应力大于抗剪能力时，会造成局部边坡形成剪切面，导致边坡失稳。通过试验证实，在保持同等掺入量的条件下，采用不同标号的水泥对边坡剪应力有较大的影响。在没有掺入水泥的条件下，形成的剪切面几乎贯穿到坡顶，随着水泥标号的不断递增，边坡剪切力逐步递减，形成的剪切面范围不断缩小[5]。
4.3 不同填料对塑性区变化的影响
边坡岩土层内塑性区的出现和扩张是边坡失稳的重要原因。在不同的填料下，塑性区的分布规律大致相同，都是从坡角扩张到坡顶。但填料不同，塑性区的扩张高度和宽度不同。随着水泥标号的递增，塑性区呈现逐步缩小的态势，比如使用10%水泥改良土，塑性区变化的范围很小，只发生在坡角处（见表2）。
表2 不同填料下边坡稳定系数和分布特征
高填方边坡失稳造成的危害大，通过技术改良来有效避免边坡失稳现象的发生，对于工程实施至关重要。本文在对水泥改良土和影响高填方边坡失稳因素和表现形式进行探讨的基础上，通过试验数据分析，对不同填料下高填方边坡的稳定性进行了量化分析。
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