对土钉支护边坡冻胀破坏分析与防治研究

杨 志

(绵阳职业技术学院 建筑系，四川 绵阳 621000)

我国北方地区常年受季节性冻土影响，季冻土是一种对温度极为敏感的土体，受地下水和地表水影响，土体强度会不断降低，支护区随时面临冻胀和融沉带来的边坡变形或失稳等危害，致使土钉支护边坡以及其他支护边坡加固、设计和治理一直都是难点[1，2]。每年受边坡冻胀破坏的边坡事故相对较多，由于边坡治理和支护方式多样化，本文主要探讨土钉支护边坡受冻胀破坏的影响和防治措施。本文在常规土钉支护边坡基础上，以季冻土地区的冻胀力影响分析土钉边坡因何失稳。

1 土钉边坡发生冻胀破坏机理

季冻区土钉边坡破坏主要以外界水补给或自由水迁徙到某个位置引起的冻胀为主，体积增大约9%，是土钉边坡坡面产生隆起冻胀破坏主因。其破坏由于土中冰聚合体作用使土体沿冷却方向的横向或垂直方向产生冻胀，向冷空气侵入的边坡中心轴方向推移，沿着土钉墙面部分的水平方向或垂直方向产生冻胀力，产生坡面裂缝。冻胀作用使边坡产生的破坏状态在有渗水或含水量大的位置引起冻胀破坏最为普遍。

冻结过程中冻胀现象是一个复杂的物理、力学变化过程。而春融期，边坡土中冰晶体融化，土的密实度减小，又成为土基或土层抗剪承载力降低的原因，土钉的承载力也随之降低。一旦土钉墙支护结构加固强度不够或土体冻胀变形达到土钉支护极限值，就会出现融沉、融陷和滑塌等现象[3]。

引起土钉边坡冻害的因素，主要考虑土质、气温、土中水、土钉墙承载力等方面。泥石流和山体滑

坡等大多边坡事故发生都与水有关，故治水是治理土钉边坡冻胀破坏的根本措施。针对分析结果，受钢筋混凝土梁启示，本文提出实际工程中结合“疏干排水孔群设置法”，土体冻结前能排出土体水分，采用土钉墙“双层钢筋网法”，使坡体表面钢筋混凝土厚度增加，加强整体刚度，既达到置换表面更多土体，又起到保温隔热作用，减少土体冻胀厚度。

2 土钉边坡冻胀阶段稳定性分析

冻胀阶段，土钉边坡表层随冻结深度加深，冻胀引起的土体孔隙率增大，使融化阶段土抗剪强度降低，导致土钉支护边坡安全系数降低。随着冻胀力增大，土钉支撑对边坡加固起主要作用，土钉墙受力也慢慢增大，两者之间力呈正相关[4]。冻胀阶段土钉支护边坡受力模型用圆弧法进行分析，根据冻土规律，为便于模型计算作出以下假定：土体水分分布均匀，冻结层随温度变化呈正相关，则坡体冻结界面与边坡表面平行，且冻胀力在冻结层均匀分；滑移面为一条圆弧滑移线。计算模型见图1。

图1 土钉支护边坡冻胀破坏图

计算可得到冻胀阶段土钉支护边坡安全系数为

土钉支护边坡冻胀阶段的稳定性验算，只要确定各参数，采用危险滑移面进行搜索，找到最危险的圆心和滑动面就可以求出最小安全系数。

3 空隙水压力变化下土钉支护边坡稳定性计算分析

采用岩土工程有限元软件Geo-Studio中Slope/W，Vadose/W，Sigma/W analysis之间耦合，在空隙水压力变化下，对不同支护情况边坡进行对比分析。示例为某边坡土钉支护高10m，放坡1∶0.2，土钉分6排布置，长7～11m，采用Φ22(HRB335)钢筋。分析过程分工况1素土边坡；工况2土钉支护边坡；工况3“双层钢筋网法”和“疏干排水孔群设置法”土钉边坡，对三组工况进行模拟分析。

根据工况3，水位线在12m处，使用SLOPE/W 算出边坡最小安全系数为1.290，相应土体物理力学参数代入前面公式，用Matlab编程辅助计算得最小安全系数为0.879，计算知该土钉支护边坡在未加固情况下较加固后有限元软件计算结果偏小，说明建立的冻胀阶段安全系数公式偏保守，其计算模型可运用于一般工程。由表1知无措施素土边坡不能满足稳定性要求；仅用土钉加固边坡，空隙水压力变化下边坡稳定性也不能完全满足边坡安全要求，稳定性系数求解偏低。

表1 不同工况下软件计算的最小安全系数

采用“双层钢筋网法”和“疏干排水孔群设置法”加固土钉边坡后，表1中看出其安全系数明显提高，边坡稳定性能满足边坡安全要求，故在土钉边坡基础上再次加固，可有效提高土体冻胀作用下土钉边坡的稳定性和安全度；土钉墙施工过程中“双层钢筋网法”与单纯的“一层钢筋网法”相比，其厚度和承载力都有明显提高，能形成有效的类似于挡土墙的形式，使边坡进一步得到加固；“疏干排水孔群设置法”不仅有一定的加筋作用，更主要是当土钉边坡土体含水量很高或春融期土体内冰融化后，水分能尽快通过疏干排水孔排出边坡，进一步降低边坡土体含水量，使空隙水压力能够下降，减小边坡土体冻胀量，及融化阶段，降低可能出现的融沉危害，从而保证土钉边坡的稳定性，提高其安全度。

4 结 语

(1)通过分析土钉支护边坡冻胀与破坏机理进，所谓无水不冻胀不融沉，找出了受冻融影响土钉边坡根本原因是对水的治理。并建立了土钉支护边坡冻胀阶段安全稳定性计算模型。

(2)提出“疏干排水孔群设置法”在土体冻结前能排出土体的水分，“双层钢筋网法”使坡体表面钢筋混凝土厚度增加，既达到置换表面更多的土体，又起到保温隔热作用，减少土体冻胀厚度。

(3)结合岩土工程和岩土环境数值分析软件Geo-Studio各模块之间有限元耦合，对土钉边坡加以数值模拟分析稳定性。分析结果与建立的计算模型计算结果相对比，得出在实际工程中采用上述两种加固方法，能够有效提高冻胀边坡的稳定性。此外，采用“双层钢筋网法”加固土钉边坡时，建议土钉墙的厚度大于当地最大土体冻结深度。