膨胀土滑坡成因分析及锚杆(索)框架梁支护

李 佳

(三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)

膨胀土滑坡成因分析及锚杆(索)框架梁支护

李 佳

(三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)

膨胀土边坡失稳滑动是工程建设中最常见的地质灾害之一，笔者通过对膨胀土失稳滑坡进行了特征总结，并研究国内常见的边坡支护体系后选择锚杆(索)框架梁支护体系进行膨胀土边坡失稳滑坡的治理，通过分析锚杆(索)框架梁支护体系的结构特点、力学机理和使用范围等之后将其应用于膨胀土边坡失稳滑坡的治理中。希望对今后的膨胀土边坡治理工作提供一定的理论支持。

膨胀土边坡；边坡失稳滑坡；锚杆(索)框架梁支护体系；边坡支护

1 膨胀土边坡失稳特征

1.1 浅层性

通过对膨胀土滑坡事故的分析发现其滑移面的厚度比较小，一般在4～5m，当膨胀土发生失稳滑坡现象时，在土体上部荷载和自身膨胀等因素的影响下土体内产生了很多细微裂缝，裂缝的出现进一步增加了膨胀土的透水性，浅部土体在这种情况下遇到雨水时体积会迅速膨胀，这种体积膨胀的不同使得深浅不同的土体之间形成了巨大的水平剪应力，则深浅交错的部分就是滑移平面的潜伏区[1]。

1.2 牵引性

由于膨胀土深部土体的强度比较高不容易发生滑动情况，但浅层膨胀土的应力情况使得膨胀土坡脚处的剪应力处于最高点，同时由于坡脚处的侧应力б3导致土体强度也是最低的，所以这里是最容易形成土体断层滑动或者沿多个方向滑动的地点。上部土体在下部土体发生滑移之后有极大的可能性会紧接着发生滑动，这时就会出现多级滑动的现象。

1.3 长期性

膨胀土边坡的失稳滑坡现象通常不是在刚完工的时期发生，而是在项目完工后的一两年甚至有十几年之后才发生滑坡现象的，这种情况主要是由于膨胀土土体内缝隙的形成需要一定的时间，时间的长短与膨胀土的状态和项目所在地的气候情况有关。

1.4 季节性和局部性

由前文的论述我们知道，影响膨胀土边坡失稳滑动最大的因素就是水，所以膨胀土边坡失稳现象多发生在雨季，同时由于气温变化、降水蒸发等因素的影响，膨胀土失稳滑动的情况容易发生在温差大、降雨量明显、降雨后蒸发迅速频繁的地域。

2 膨胀土滑坡成因分析

不同土体之间的层间界面和土质风化界面的存在容易使土体发生滑移现象，同时膨胀土内部缝隙的存在也会产生渐进破坏面，这些因素是构成膨胀土边坡失稳的内在因素，同时也是膨胀土边坡失稳滑坡的宏观表现，分析膨胀土的诸多表现,笔者将膨胀土边坡失稳的成因概括为下面几个点：

2.1 路堑的开挖使边坡力学平衡遭到破坏

施工中进行开挖路堑之后会令膨胀土边坡的坡脚水平支持力下降，严重的甚至会消失，导致边坡坡脚失去了原有的水平支撑。再者，实际施工时往往会将开挖出的弃土堆弃在膨胀土边坡顶部，致使边坡荷载变大情况，严重的会远远超过边坡的最大承载力而形成超载。随着边坡顶部荷载的增加膨胀土内部的下滑力也随之加大，会加速边坡的失稳滑移。

2.2 缝隙作用

对于膨胀土而言，不论是何种类型的组合方式，其内部都存在两种以上的缝隙形成的缝隙结构体，并且这些缝隙大多被灰白色次生蒙脱土填充。土体内的这些缝隙不一定会相互贯通，但这些缝隙的存在会极大程度的降低土体的强度。随着荷载的增加缝隙附近会产生超过土体极限承载力的集中应力，此时该处土体结构被破坏多余应力附加到了周围的土体，如此反复形成了骨牌效应，缝隙的存在会催化边坡失稳现象的发生。

2.3 水的作用

膨胀土内水含量的增加可以降低其粘稠度从而降低膨胀土的强度。根据有关的试验结果显示，随着膨胀土内水含量的增加其抗剪强度会减小；其次是对土体容重的影响，当膨胀土内的水含量增加后，土体的有效容重量会随之降低，土体的抗剪强度也随之降低。

2.4 风化作用

由于土方开挖的实施使得边坡出现新的临空面，如果不对这些坡面加以保护而直接暴露在空气中，这些新的临空面会长期受到温度、湿度变化、冻融循环的影响，土体浅部颗粒之间的连接也会相应的受到破坏从而形成风化带。风化带的形成会使得边坡表面发生剥落侵蚀现象，使边坡的外貌发生改变。

3 膨胀土边坡失稳过程分析

应用土力学的理论对膨胀土边坡的失稳过程进行分析可知，边坡的失稳过程其实是膨胀土土体受到连续破坏之后形成了滑移面以及土体强度持续降低的过程。根据相关的研究表明膨胀土边坡的滑动是有三个要素构成的：其一是边坡土体的抗滑阻力(R)小于土体下滑力(T)或者是土体抗滑力矩(MR)小于土体下滑力矩(MT);其二是边坡土体侧面有足够的下滑空间；其三是边坡失稳土体须要沿一定的方向或路径滑动[2]。

膨胀土边坡失稳滑动过程划分为三个阶段：初始张裂破坏阶段、剪切破坏扩展阶段、整体破坏变形阶段，通过对以上不同阶段的观察研究发现其基本特征可以概述为以下几点：

(1) 初始张裂破坏阶段(见图1)。由于膨胀土有很强吸水膨胀现象、失水体积缩小的特点，这一特点决定了膨胀土在失水干燥后土体会内产生较大的拉应力，在这一拉应力的作用下土体会在从地表开始到一定深度范围内形成上宽下窄的张拉裂缝。张拉裂缝一旦形成则为水进入土体深部提供了渠道，当土体水含量不断增加时土体也在不断软化强度降低，并在潜在滑动面上形成封闭的塑形剪切区域，这一阶段对应于б～τ曲线中的ab段(见图4)。

(2) 剪切破坏扩展阶段(见图2)。当土体内的主要受剪区形成一定的规模后，图体内其余的非受剪去土体开始发生软化剪切，并且这些区域开始渐渐连在了一起形成一个完整的大范围的剪切面，土体内的颗粒开始重新排布。在这一阶段滑坡区域的前段依然处于不受压的状态所以滑动面并没有贯穿下部。这一阶段对于与б～τ曲线中的bc段(见图4)。

(3) 整体破坏变形阶段(见图3)。进入这一阶段后土体剪切面不断扩大延伸，滑坡区域的前段也开始受到挤压而隆起并被剪切破坏，并与前面两个区域贯通，到这一阶段滑移面土体强度只有其参与强度在支持。这一阶段对应于б～τ曲线中的c点(见图4)，到这一阶段滑动土体开始发生整体的水平位移。

图1 初始张裂破坏阶段

图2 剪切破坏扩展阶段

图3 整体破坏变形阶段

图4 б～τ关系曲线

4 锚杆(索)框架梁的构造、力学支护机理

4.1 锚杆(索)框架梁的构造特点

4.1.1 锚杆(索)的型式和结构特点

锚固加固膨胀土边坡的方式其本质是利用钢筋(索)等承拉构件，把这些承拉构件的一段锚固在地底深处比较稳定的岩层或图层内来提供足够的锚固力以承受拉应力，并与边坡支护体系中的其他支挡构件联合承受膨胀土边坡的下滑力，以使边坡达到稳定的状态。

锚杆(索)按照受力特点区别可以分为预应力锚杆(索)和非预应力锚杆(索)两种。拉杆(索)通常采用的HRB335以上的螺纹钢筋或钢绞索，是锚固体系中最重要的构件锚杆(索)由锚头、自由段、锚固段三部分组成，比较特殊的全长黏结型锚杆指的是没有自由段的锚杆，它只有锚头和锚固段两部分组成[3]。

4.1.2 框架护坡梁

钢筋混凝土框架护坡指的是利用预制的钢筋混凝土梁或现浇钢筋混凝土梁形成的框架在坡面上形成支护体系然后在框架内填充细土并种植植被固定并绿化后的保护膨胀土边坡的一种支护体系。钢筋混凝土框架内的植被可以对边坡起到浅层的保护效果，更多的依靠的是框架梁对边坡的支护。

4.2 锚杆(索)的力学特征

锚杆(索)支护体系目前被广泛应用于各个行业的边坡支护工作中，但由于岩土工程其复杂性和不均匀性的困扰锚杆和岩土之间的作用机理非常复杂，目前的研究深度还不够，在当下比较受到认同的有两种理论：悬吊理论、组合梁理论。

在悬吊理论中将锚杆的锚固作用解释为锚杆把松动和不稳定的膨胀土悬吊在边坡深部比较稳固的岩土上以此达到了边坡表层稳定的效果，锚杆起到的是悬吊的作用，锚杆需要提供充足的拉力来抵抗滑动土体的土压力和剩余下滑力。

在组合梁理论的解释中把岩土层当作是一个简支梁或者悬臂梁进行处理，当原始岩土层没有锚固时，岩土层之间的抗滑移力不足，此时各个岩土层之间可以看作是简单的叠合没有相互之间的约束。当外部荷载加载而来的时候各个岩土层梁产生了相应的弯曲和变形，梁的上下两端分别受压和受拉。当施加锚杆固定之后可以加强岩土层梁之间的摩擦力提高形成组合梁，提高组合梁的强度和刚度从而抵抗外部荷载减小形变和内应力。所以在这种理论中锚杆相当于组合梁之中的螺栓，锚杆内的拉力越大铆接效果就越好边坡稳定性也越高[4]。

图5 锚杆框架梁支护膨胀土边坡示意图

如图5所示是锚杆框架梁体系支护膨胀土边坡的示意图，坡残积膨胀土为滑动体，滑动面下边的弱膨胀土和岩层是稳固岩土。滑动体在自重作用下随着滑动面向下滑动，此时锚杆受到了横向的作用力从而受拉，此时锚杆会产生一个反作用力来平衡滑动体的下滑力[5]。我们知道膨胀土吸水后体积膨胀，框架梁体系还可以抑制这种膨胀并将膨胀应力的反作用力作为锚杆的拉力用来维护边坡的稳定，所以这些因素要求锚杆具有足够的抗拔和抗拉能力，所以全长黏结型锚杆更适合用作膨胀土边坡的维护稳固。

5 结束语

通过上述论证可得知锚杆(索)框架梁支护方法很好的克服了膨胀土在外界作用中的大多数不稳定因素，有效的加强了膨胀土边坡的稳定性从而不使其产生滑动甚至滑坡，而且此法操作简单，造价低廉非常适合在我国西北部地区的膨胀土地带进行大规模的支护作业。本文只是对膨胀土地区的锚杆(索)框架梁支护方法进行的初探，但希望对今后的膨胀土边坡治理工作提供一定的理论支持。

[1] 张可嘉.景观区膨胀土边坡失稳激励分析及其治理方法研究[J].江苏建筑,2009，(4):46-47.

[2] 袁从华，周健.高速公路膨胀土边坡整治[J].岩土力学与工程学报，2012,7(26):3073-3078.

[3] 王文生，谢永利.膨胀土路堑边坡的破坏形式稳定性[J].长安大学学报(自然科学版)，2011,25(1)，20-24.

[4] 蔡元德.膨胀土边坡滑坡机理及成因分析[J].工程建筑，2013,(7):26-27.

[5] 曹国安，张鸿儒，张清.南昆线膨胀土土钉墙试验研究[J].北京交通大学学报,2012,(4):58-60.

Cause analysis of expansive soil landslide and support of bolt (cable) frame beam

LI Jia

(SanmenxiaPolytechnic,SanmenxiaHenan472000,China)

The expansive soil slope sliding is one of the most common geological disasters in engineering construction, the geotechnical academic does not have a detailed research conclusion on the calculation and data analysis of expansive soil slope theory, therefore in order to project management on expansive soil slope has a certain theoretical support, therefore the instability a landslide and domestic research on common slope supporting system after the selection of anchor (cable) frame beam supporting system for landslide stability loss of governance expansive soil slope, through the analysis of bolt (cable) after the frame beam supporting system structure, mechanism and scope of application of the governance of its application in the expansive soil slope instability in landslide. Hope to provide some theoretical support for the future expansion of soil slope treatment.

Expansive soil slope; Slope instability; Bolt (cable) frame beam support system; Slope support

2015-06-15

李 佳(1982-)，男，河南卢氏人，硕士，副教授，一级建造师，主要研究方向为岩土工程技术.

1001-9383(2015)03-0080-05

P642

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