水对路堑边坡土钉支护变形影响研究

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1、水对路堑边坡土钉支护变形影响研究　　摘要：迄今为止关于水对路堑边坡土钉支护变形的影响研究甚少。本文深入分析了水对路堑边坡变形的影响，并依托土钉支护边坡工程，通过大量三轴试验得出如下结论：水－土作用和水－钉作用降低了边坡土体的摩阻力和内聚力，削弱了钉土界面的粘摩阻力，使边坡趋于不稳定；随着土体含水量的增加，粘土的强度大大降低，但粘聚力和内摩擦角与含水量并不呈线性关系。关键词：土钉支护；路堑边坡；含水量；变形分析；数值模拟中图分类号：U213.1+3文献标识码：A9在山区高等级公路建设中，常遇到大量路堑边坡的开挖。由于坡高，开挖面大，工程地质和水文地质条件复杂，多数边坡位于残坡积层和强－中风

2、化岩带中，软岩、软硬相间的层状岩体及煤系地层，古风化壳等不良地质体也十分常见。由于坡脚开挖、刷坡及雨水的渗入等原因，自然边坡的植被和应力平衡状态遭到破坏，从而常导致坍塌、岩崩、滑坡，特别是大量中、小型浅层滑坡的发生，以及一些古滑坡的复活。在众多的边坡稳定和整治手段中，土钉支护[1]因其技术先进，安全可靠，对场地适应性强，结构轻巧，施工速度快，对施工条件要求低，具有较强的经济可比性，而日益受到人们的重视和青睐。我国从20世纪90年代中期开始将土钉支护技术应用于公路工程路堑边坡的支护上。近年来进一步推广，与此相关的许多研究成果也相继涌现，但有关路堑边坡土钉支护变形及水的影响方面的研究成果迄今

3、尚很少。1土钉支护工作机理9土钉支护技术最早起源于新奥法（NATM法）和加筋土技术，但作为一种原位加筋体，它既不同于挡土墙复合体和挡土结构，也不同于一般土质边坡。土钉支护技术将边坡土体看成具有承载能力的结构体，是荷载与结构、被支护体与支护结构体相统一的复合体。它通过插入土钉起骨架约束作用，并具有一定的锚固作用，从而发挥土体本身的自承自稳和挡土性能。土钉支护作用机理可用似粘聚力理论[2]和拱效应原理[3]来解释。似粘聚力理论认为：土钉加入后，土体的内摩擦角没有改变，但土体的粘聚力增加了，由于粘聚力的增加提高了土体的抗剪强度。拱效应原理认为：土钉之间存在着一定的间距，当土坡产生位移时，边坡土

4、会在相邻土钉间产生挤出的趋势，同时由于土钉与边坡之间存在摩擦作用，将在土钉与其周围边坡土之间产生土拱效应，随着土的抗剪强度的发挥，会在沿着滑动面方向形成大主应力拱，将土钉间边坡土的侧压力传递到两侧的土钉上，即相邻两土钉提供了大主应力拱的拱脚，保证了土钉间边坡土的稳定。上述无论哪种理论，土体的抗剪强度以及其与土钉的摩擦力都是支护能否成功的关键。2水对土钉支护变形的影响2.1水的作用土钉支护工程中，水的作用可分为水－土作用和水－钉作用[4]。水是土体的三相成分之一，在土钉支护中，水对土体的作用包括静水压力、渗透力及软化作用。静水压力作用主要是减少边坡土体在潜在破坏面的正应力，同时产生侧向静压

5、力，使岩土体有效重度减少。渗透是由于地下水的水头差而产生的渗流力作用，渗流力是地下水渗流受到土体颗粒或孔隙壁阻碍而施加于土体上的作用力，其与渗透方向一致，对变形体产生强推力。软化作用是由于水的存在而造成土体抗剪强度降低的作用，从微观上，由于水分增加，一方面水在较大颗粒表面产生一定润滑作用，降低粒间摩阻力；同时使细小粘粒间结合水膜变厚，降低了土的内聚力。9水对土钉体的作用主要表现在水的存在造成钉土间粘摩阻力的降低甚至完全丧失。混凝土或砂浆凝固后是一种多孔性材料，其内部具有许多毛细孔与微裂隙。这些孔洞对水有较强的毛细吸附作用，在其孔隙及周围土体中形成富水区，而且土体孔隙中的水同样具有吸附作用

6、。在含水量高的土体中，地下水将在土钉体表面形成一层结合或结构水膜，水膜类似壳体结构紧紧包裹在土钉体表面，形成一种隔离体将土钉体外表面与土体界面分离开，钉土界面的无接触使二者接触粘聚力迅速降低甚至完全丧失；同时水膜具有很强的润滑作用，这就使钉土间摩擦力也大为减小。钉土界面接触粘摩阻力的降低或丧失使钉体的锚固约束作用及骨架联结作用减弱，土体的抗剪能力及自稳能力也随之下降，整个支护结构的整体性与支护作用被破坏。2.2路堑边坡土钉支护中水对变形的影响路堑边坡土钉支护一般指缓坡形式的土钉支护，边坡坡度小于70o（一般小于45o）。对于开挖边坡坡脚小于45o的边坡，一般可不设喷射混凝土面层，而采用钢

7、筋混凝土网格梁将各土钉钉头连成一个整体或采用独立的混凝土块保护钉头，并用植被覆盖表土。这类边坡在开挖结束时仍处于稳定状态，直到有外界因素的影响（雨水、地震等影响因素作用）使边坡发生变形，进而使土钉沿钉土界面发挥出抗拔力，以抵抗边坡的变形，从而对边坡土体起到加固的作用。9路堑边坡中最危险滑动面上土体的应力路径与强度变化关系见图1[5,6]。边坡土体大多数是非饱和具有吸力的土体，当土体实际发挥的抗剪强度小于有效临界抗剪强度时，土坡稳定且