襄十高速公路边坡稳定性分析与加固

第２５卷第３期　２００６年９月　武汉工业学院学报　ＶｏＩ＿２５Ｎｏ．３　Ｓｅｐ．２００６　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　文章编号：１００９—４８８１（２００６）０３－００７６－０４　襄十高速公路边坡稳定性分析与加固　周林，何晓呜　（武汉工业学院交通研究所，湖北武汉４３００２３）　摘要：由于膨胀土在工程性质上的特殊性，对工程会造成严重的破坏。通过对襄十高速公　路沿线地质调查和分析，采用了简化Ｂｉｓｈｏｐ法对膨胀土边坡进行了稳定性分析，提出了ＣＭＡ　生态改性剂加固方案。　关键词：膨胀土；边坡稳定；加固；改性土　中图分类号：Ｕ　４１２．２２２　文献标识码：Ａ　Ｏ　引言　襄十高速公路始建于２０００年，分为襄武段、武　许段及襄荆联接线三段建设，于２００３年全线贯通，　区的构造格局。路线从起点谷城向西北行进，平行　行进于白河一谷城断裂及两勋断裂之间，抵达终点　十堰市，穿越了襄枣断裂及武当山复背斜两个三级　构造单元。除了白河一谷城断裂及两勋断裂之外，　影响和穿越了路线的小型断裂构造还有十堰一朱连　山褶皱带的汉江断裂、牛河断裂、土关垭断裂、银洞　山断裂、大黄龙沟断裂、田畈断裂及新华夏系构造的　渚河一大川断裂等。　１。２地层分布　是湖北省第一条山岭重丘区高速公路，也是第一次　采用抗滑桩等技术综合治理公路地质病害，第一次　将生态防护与工程防护相结合整体实施的环保路。　其全长１５８．２３　ｋｍ，地处山岭重丘区，其防护工程数　量大、型式多，全线仅武许段的４０多处高边坡综合　采用了多项防护技术，再加上经过的路线多为风化　岩与膨胀土区，不断受到雨水侵蚀和大气风化作用，　截止到２００５年１１月份，襄武段部分边坡不同程度　的发生了沉陷、溜塌、坍塌等近４０处，直接水毁造成　的经济损失近百万元，同时严重危及到高速公路道　路畅通和行车安全。　从地质构造的总体格局来看，湖北省属华南地层　大区，若以青峰一襄广断裂为界，界限以北为秦岭一　大别山地层区（ＶＩ３）（活动区）的十堰一随州地层分　区（ＶＩ３３），界限以南为扬子地层区（ＶＩ４）（稳定区）的　下扬子地层分区（ＶＩ４４）。路线所在地区属十堰一随　州地层分区，该地层分区中只有中元古代地层及零星　分布的晚百恶世一第三纪地层和第四纪地层。早震　旦纪及其以前的地层［耀岭河组和武当（岩）群］主要　由中、浅变质沉积岩和变质火山岩组成。　１　地质条件　１．１地质构造　襄十高速公路路线所在地区以青峰一襄樊一广　济断裂为界，形成两个一级大地构造单元，北属秦岭　皱褶系，南为扬子准地台中段。在印支期至燕山期，　根据区域的地质资料和现场勘探调查资料，路　线所在地区地层具体描述如下。　１．２．１　第四系（Ｑ）　主要为中、上更新统、全新统　北倾的青峰一襄樊一，　济断裂携震旦纪形成的白河　一的卵、砾石层、亚粘土层和粉细粗砂层等组成，主要　分布于河流阶地。　谷城及两勋等断裂，在挤压构造运动作用下，使得　北部秦岭褶皱系，自北向南逆掩于扬子准地台北缘　褶皱带之上，构成了醒目的推覆构造，也形成了本地　收稿日期：２００６．１．１１　１。２．２　白恶下第三系（Ｋ—Ｅ）　为公安寨组（Ｋ２ｇ）、　云台组（Ｋ２ｙｎ）等，岩性主要为砂岩、含砾砂岩、泥岩　作者简介：周林（１９８２．），男，湖北省荆州市人，硕士研究生。　维普资讯 http://www.cqvip.com

３期　周林，何晓呜：襄十高速公路边坡稳定性分析与加固　７７　及杂色页岩组成。主要分布于谷城西北部，丹江口　东南部，在谷城至丹江口一带于巾元古界地层呈不　整合接触。　分析方法，大致可以分为两类：直线法和条分法，前　者适厢于砂质土，后者适用于粘质土。常见的极限　平衡分析法有：瑞典圆弧条分法、简化毕肖普法、简　布法、萨尔玛法、斯宾塞法、摩根斯坦一普赖斯法以　及运动单元法　。　１．２．３　中元古界（Ｐ　）　为武当（岩）群姚坪组（Ｐ。：　ｙｐ）、杨坪组（Ｐ　ｙｎ）及双台组（Ｐ　ｓｈ）。主要为绢云　母、石英和纳长石按不同的比例组合的浅色片岩、纳　长变粒岩、绿色片岩、二长变粒岩、绿泥纳长片岩、角　毕肖普（Ａ．Ｎ．Ｂｉｓｈｏｐ）于１９５５年提出了条分　法　，将网弧滑动体分为若干等宽垂直条块，分别　求其自重并将重力分解成与滑动面相切和正交的两　个分力，并以圆弧的圆心为力矩中心，求该圆弧的安　全系数。计算公式如下：　‘闪片岩等组成的变质岩，主要分布在十堰山区。　１．３不良地质现象　由于上述襄广断裂、白河一谷城断裂和两勋断　裂都经历过多次活动，断裂两侧及其断裂带中的岩　石完整性遭到极大破坏，力学强度大为下降，工程地　质条件差，甚至襄广断裂、白河一谷城断裂和两勋断　裂都属于近期活动性断裂。从地层岩性来看，＿丁程　地质岩类以片状变质工程地质岩类为主，岩性主要　是云母石英片岩、云母纳长岩、变质砂岩、变质中性　火山岩，层理发育，软硬相问，以软为主容易风化，路　＝Ｔ　Ｚ　ｂｉ￣ｈｉｓｉｎ￣ｚｉ　Ｚ（ｔ　Ｍ　／）　式中：　为稳定性系数　Ｍａ＝ＣＯＳＯＬ１　１＋　）．　基边坡则有顺层滑动等不稳定问题。　ｈ　为第ｉ层厚度，ｍ；ｂ。为第　个土条宽度，ｍ；ｏｌ　为　第　层土的倾角，度；　为填料的重力密度，ｋＮ／ｍ　；ｃ　为填料的粘聚力，ｋＰａ；　为填料的内摩角，度。　计算简图如１所示。表１所示为边坡土层　数据。　２襄十高速公路膨胀土边坡稳定性分析　目前，对于边坡稳定性的分析方法比较多，随着　工程设计人员和科技工作者的不断实践总结而ｆｔ趋　完善…。理论上研究边坡稳定问题主要有两种不　同的途径，即利用弹塑性理论分析岩体的应力——　应变状态的数值分析法和假设岩体沿着一定的滑动　面滑动做极限平衡分析的极限平衡分析法　ｊ。最　近一些新理论、新方法、新技术被引入边坡稳定性研　究中，例如破坏概率分析方法、信息论方法、模糊数　学、灰色关联分析、神经网络模型、数据库与专家系　统和计算机仿真技术等，为定量评价和预测岩质边　坡稳定性开辟了更为广阔的前景　ｊ。虽然当今的　计算机具备强大的分析能力，但在实际的工程中还　是极限平衡分析法应用得较为广泛　Ｊ。极限平衡　分析法的　表１边坡土层数据　图１　计算简图　采用简化Ｂｉｓｈｏｐ法在不考虑地震和降雨的情　况下，对襄十高速公路Ｋ３４８＋１２０襄十向左侧边坡　求｝｝｛圆弧的安全系数。　计算条件如下。土条重切向分力与滑动方向反　不利滑动面：滑动圆心＝一１９．２６３　ｍ，３８．０００　ｍ；滑动　向时：当下滑力对待。稳定计算目标：计算搜索到最　危险滑裂面。条分法的土条宽度１．０００　ｍ。搜索时的　圆心步长１．０００　ｍ。搜索时的半径步长０．５００　ｍ。最　半径＝４２．６０４　ｍ；滑动安全系数＝０．９２２。　从以上计算结果看出，即使在不考虑降雨的情况　下，滑动稳定性系数为０．９２２，低于１．２５，达不到稳定　维普资讯 http://www.cqvip.com

７８　武汉工业学院学报　２００６拒　要求，因此必须采取相关措施，如设置挡土墙，或者施　工中的通过改良当地土质的方法来加固该处边坡。　［土壤颗粒］＋［１，］　一［侵蚀的土壤颗粒］　３边坡加固方案　３．１传统膨胀土边坡加固方案　＋［ＡＩＹ］　～。　铝离子的树脂络合物［ＡＩＹ］　再与［土壤胶　体］　［　］”作用，使树脂得以再生：　对于膨胀土边坡传统的处置方案，一般采用全　封闭形式的刚性防护。其主要观点认为：膨胀土边　［ＡＩＹ］　＋［土壤胶体］　［　］”一［Ａｌ（土壤胶体）］。　总反应式是：　ｙ，ｌ—　”　坡失稳的主要原因是受降水影响，当土体吸水由非　饱和态进入饱和态这一过程中，土体的抗剪强度则　由强逐渐变弱，当土体的剪切指标值随含水量增加　而衰减时，其边坡稳定性随之递减直至产生变形破　坏。因此采用边坡封闭防护以阻止降水被非饱和土　吸收，其主要方式如浆砌片石满铺防治、混凝土六角　块满铺防护、土钉墙加固边坡等。实践证明这些刚　性防护方案治理膨胀土效果较差，不能从根本上解　决在大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的胀　缩问题。因为膨胀土新开挖的坡面受大气、地下水、　土压力变化等多种因素影响，即使没有降水的浸入，　也会发生膨胀与收缩，必然产生一定的变形，以求达　到新的平衡。即使这种变形不大，也会对刚性防护　结构起破坏作用，慢慢形成裂缝，雨水就会从裂缝中　渗入，加剧膨胀土的胀缩变形，恶性循环，直至引发　连锁破坏。另外刚性防护结构还有产生眩光、燥声，　不能还原生态环境等缺陷。　３．２膨胀土生态改性剂改良土质加固方案　ＣＭＡ（Ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｍｏｎｔｍｏｒｉｕｏｎｉｔｅ’Ｓ　Ａｂｓｏｒｂｅｎｔ）膨　胀土生态改ｆ生剂是由一种复合化学配方＋水＋活性石　灰充分搅拌组成。具有电解和离子交换的作用，有较　强的渗透性，能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离　子［　］”和带负电荷的阴离子［１，］　，阳离子与膨胀土　胶体表面的阳离子［　］”产生交换作用，将这些原本　吸附在膨胀土颗粒表面、亲水ｆ生极高的阳离子赶走，代　之以亲水性较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。　使膨胀土颗粒上的吸附水的化学键破坏形成自由水，　改ｆ生后土颗粒形成键状和网状结构加快反应和离子交　换，自由水通过重力、蒸发、压实作用排除，改变了膨胀　土颗粒的结构特征，从而提高膨胀土的抗剪强度，增强　膨胀土的水稳性，永久的改变膨胀土的属性，将膨胀土　改性为非膨胀土，且具有比石灰土更稳固更持久的效　果。即：　［土壤胶体］　［　］　＋［　］”一［土壤胶　体］　［　］”＋［　］”。　而离解出来的阴离子则与土壤中铝产生络合作　用：　［土壤胶体］　［　］”＋［　］”一Ａｆ［脱铝的　土壤胶体］＋［　］”。　膨胀土生态改性剂是在水中电解出离子与膨胀　土颗粒离子进行交换作用，从而达到将膨胀土改性　的目的，它与其它的胶合材料不同，自身与土粒并不　结合，而且具有再生功能，它与膨胀土作用时其总量　并没有减少。其功效并不会随着时间的推移而逐渐　减弱，相反，只要膨胀土中有水分，它的功效就会延　续下去，这种作用是永久的不可逆的。作用过程大　致是：当膨胀土生态改性剂喷洒在土体上通过渗透　达到一定深度将其改性，还可以通过土体本身含水　量经土体毛细孔隙到达一定深度。更重要的是膨胀　土生态改性剂具有较强的渗透性，能溶于水，它可以　随雨水渗透，到达雨水能到达的深度，这样就从根本　上解决了雨水渗入对膨胀土的影响，做到对大气风　化作用层影响深度范围内膨胀土体的彻底治理。　３．３　ＣＭＡ改性剂加固后的效果　通过ＣＭＡ改性剂加固后的襄十高速公路沿线　土质进行调查和试验分析，加固效果如下。（１）经　改性后的土塑限平均增幅为３４．５％，而坦性指数平　均降幅为３４．０％，这表示，经改性作用，土的亲水性　明显减弱。（２）改性土中砂粒组含量增大，而粘粒　含量及胶粒含量减少，表明土的比表面积减少，土粒　分散程度降低，土颗粒之间因离子交换作用形成了　比原土颗粒之间更为紧密的结构，土颗粒与水分的　接触面积减少。（３）根据最大干密度及最佳含水量　控制的试样测定的相关膨胀指标大大降低，膨胀力　减少到原土的３％～１６％，收缩系数减少到１５％～　６２％。经改性作用基本消除了原土的膨胀特性。　（４）经改性后的土的承载力是原土的２３倍，吸水量　是原土的７８％，吸水膨胀率仅为原土的１０％。这表　明经改性作用，土的吸水性及膨胀性减弱，承载能力　大幅度提高。（５）根据无侧限直剪测试，直剪则在　不允许发生膨胀的条件下饱和测试，改性土的平均　无侧限抗压强度是原土的１．５５倍，在不允许发生竖　向膨胀条件下、直剪饱和抗剪强度ｃ值是原土的　１．５２倍，　值是原土的１．Ｏ３倍。由此说明改性后，　维普资讯 http://www.cqvip.com

３期　周林，何晓鸣：襄十高速公路边坡稳定性分析与加固　７９　土的无侧限抗压强度和抗剪强度有大幅提高。　稳定性研究［Ｍ　ｊ．北京：中国科学技术出版　社．１９９９．　４　结束语　通过对襄十高速公路边坡采用简化Ｂｉｓｈｏｐ法　对膨胀土边坡进行了稳定性分析，搜索出了最不利　滑动面的圆心与半径，提出了更经济、又环保的　ＣＭＡ膨胀土生态改性剂改良土质加固方案，经过　ＣＭＡ改性剂作用，膨胀土的亲水性和吸水性明显减　王亚军．基于模糊随机理论的广义可靠度在　边坡稳定性分析中的应用［Ｊ］．岩土工程技　术，２００４，１８（５）：２１７－２２３．　陈新民，罗国煜．基于经验的边坡稳定性灰色　系统分析与评价［Ｊ］．岩土工移　≠报，１９９９，２１　（５）：６３８－６４１．　弱，经改性作用后的土承载能力大幅度提高，从根本　上治理了由于膨胀土造成的膨胀土边坡的沉陷、坍　塌和滑坡等工程病害，同时也改善了道路景观，保证　了襄十高速公路的服务水平和正常运营，创造了较　好的经济效益和社会效益。　ｒ．．Ｌ　ｒ．．Ｌ　．．Ｌ　ｒ．．Ｌ　ｒ．．Ｌ　杨学堂，王飞．边坡稳定性评价方法及发展趋　势［Ｊ］．岩土工程技术，２００４，１８（２）：１０３—１０６．　曹平．运动单元法与边坡稳定性分析［Ｊ］．岩　石力学与工程学报，１９９９，１８（６）：６６３－６６６．　姚劲松，曹平．高速公路边坡稳定性分析及与　６　１Ｊ　参考文献：　２　１Ｊ　３　１Ｊ　４　１Ｊ　５　１Ｊ　环境保护相协调的治理措施研究［Ｊ］．岩土　工程技术，２００５，１９（１）：１０３—１０７．　［１］　孙玉科，杨志法，姚宝魁，等．中国露天矿边坡　ＡＮＡＬＹＳＩＳ　０Ｆ　ＳＬＯＰＥ　ＳＴＡＢＩ　ＬｌＴＹ　ＡＮＤ　ＳＴＲＥＮＧＴＨＥＮＩＮＧ　０Ｆ　ＸＩＡＮＧ—ＳＨＩ　ＥＸＰＲＥＳＳＷＡＹ　ＺＨＯＵ　Ｌｉｎ，ＨＥ　Ｘｉａｏ—ｍｉｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｒｆａｉｆｃ，Ｗｕｈａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００２３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｗｉｔｈ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｉｔ　ｈａｓ　ｓｅｖｅｒｅ　ｈａｒｍ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｘｉａｎｇ—ｓｈｉ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ　Ｂｉｓｈｏｐ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｓｌｏｐｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔｈｅ　ＣＭＡ　ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　ｍｏｄｉｉｆｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｐｌａｎ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ａｎｄ　ｓａｆｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｒｅｉｆｏｒｃｅｍｅｎｔｎ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ；ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ；ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｓｏｉｌ