膨胀土路基边坡封面土层的分析研究

1、.膨胀土路基边坡封面土层的分析研究第15卷第1期2001年3月土工基础SoilErIg.andFoundation.15N0.1Mar.2001膨胀土路基边坡封面土层的分析研究何漓江(华中科技大学土丰工程学院,武汉430074)摘要膨胀土路堤边坡封面是一种保证其正常使用的工程措施.但封面土与膨胀土路堤闻的界面又变为整个路堤的薄弱环节.本文综合考虑封面土稳定性以及占地指标和土方量等涉及工程造价的因素,进行相关分析,拽出封面土层稳定性良好且工程造价最低的最忧填筑形状.关键词封面土,膨胀土,边坡穗定性,土工膜,路堤,反压护道中囤法分娄号:TU433文献标识码:B文章编号:10043152(2001)

2、01.0053.041引言造价最低的最优填筑形状.供工程参考.在膨胀土地区修筑公路时,往往不可避免地采用膨胀土作为路堤填料.这种土遇水时发生体积膨胀,失水时发生体积收缩,使边坡滑坍年复一年地发生.工程实践证明,采用放缓边坡的方法来解决膨胀土边坡的稳定性问题不能完全奏效,每年雨后边坡滑坍仍有发生.因此,降雨是造成膨胀土路基边坡滑坍的主要因素.对膨胀土路堤进行封闭,防止雨水人渗是一种有效的方法.工程中可采用在膨胀土边坡上做土工膜(GM),再覆盖一层封面土的方法来处理膨胀土路堤边坡.但由于土工膜界面抗剪强度低,土工膜界面与潜在的滑动面一致以及雨水下渗后会沿土工膜界面渗流等因素,封面土本身叉易于发生下

3、滑失稳事故.另外,封面层的形状对封面土的稳定性以及工程造价均有重要影响.因此,研究封面层的形状及其稳定性有着十分重要的意义本文从分析膨胀土边坡封面土的稳定性出发,综合考虑占地,土方量等涉及工程造价的因素,找出边坡封面层稳定性良好且工程收稿日期:2000一D2一2封面土层稳定性分析方法根据Koemer和Hwu(1991)提出的方法,封面土的计算图式如图1所示.该法将封面土层分为主动土楔和被动土楔两部分,且假设坡顶有一张力缝.封面土层的稳定性系数由极限平衡原理得出如下:对于主动土楔:=巾L一一;=c.se=c.L一对于被动土楔:=;=+sjn.9;C=分别对主动土楔及被动土楔考虑垂直方向和水平方向

4、的平衡条件,并令E=E可整理出关于的一元二次方程:.()+6()+c=0解此一元二次方程即得封面层的稳定系数:=土工基础2001正3变厚度封面层的稳定性分析要提高封面层的稳定性系数,可加大被动土楔的大小或重量.若采用公路中常用的设反压护道的方法,可提高封面层的稳定性.但设反压护道的填土量和占地范围大为增加.虽然它能缩短上部坡长,改善封面层的稳定性,但封面层仍会下滑到反压护道平台上.因此,设反压护道不是一种最理想的方法.采用变厚度封面层,使封面土的厚度从坡顶到坡脚逐渐变厚,不仅能碱少主动土楔的尺寸,节约土方量,减小下滑力,而且能使被动土楔变大,使被动土楔底部水平尺寸加大,从而加大了抗滑力.变厚度

5、封面层的设置方法和计算简图如图2所示,采用上述相同的方法,可得变厚度封面层的稳定性系数的一元二次方程:口()+b()+c=0该方程仍可按式(1)求解.其中:n:(Wa一cos卢)cos()b:一:(一巩c.卢)si()an妒+(N,tan8+C)sln卢c0s()+sin()(C+ta):c:(N4tan+)si卢.i()taY=(L一n卢)(sn卢一c.stano)=rE(L一一h,tan卢)(+t)+ta一=cosfl=c(一)=7y+=+sin()7rhtanoJLosfl以上公式中所用符号的意义如下:主动土楔重量;被动土楔重量;主动土楔滑动面上的法向力;主动土楔滑动面上的总内聚力封面土

6、与土工膜问的内聚力;封面土与土工膜间的摩擦角;vn被动土楔滑动面上的法向力;c被动土楔滑动面上的总内聚力;c封面土的内聚力;封面土的内摩擦角.图1等厚度封面层计算图式图2变厚度封面层计算图式4关于封面土稳定性和工程造价的相关分析由以上的稳定性验算公式可见,封面层第1期何漓江:膨胀土路基边坡封面土层的分析研究外坡边坡角是影响其稳定性,占地宽度和单位长度土方量的主要因子.如图2所示,占地指标:口=一单位长度土方量指标:.+S(2)(3)4.1,D,S各指标的计算设膨胀土路堤边坡为1:15,坡顶封面土厚,为15cm,坡脚封面土厚为3Ocm.粘土和砂土的土性指标以及其它指标如下:粘土:=18kN/IT

7、I3,C=30kPa,=1,占=1砂土:y=20kN/m3,c=c=0,=3,占=20分别用坡长,=20m和L=15m对粘土封面层进行计算.砂土只对L=2om的情况进行计算.使封面土边坡角从以0.的增量变化至20,分别对以上三种情况的,D,S各指标进行计算.计算结果绘制于图3,图4,图5二毒囊l?L=I5I-.?,二=.,-_一一od封面土外垃让垃角u圉3F与关系曲线4.2计算结果相关分析4.21关系分析由图3可见:对于粘土封面层,稳定性系=圭ooL=1啦封面土外=菹边=菹角.图4D与关系曲线=l盘眭lIIO0L=I啦土I-,=封面土抖垃边垃角0圉5S与关系曲线数,随的增大而减小,但当增至一定

8、大小后,变化平缓,而在较小的一端,变化较为剧烈.两种坡长下的计算结果均表现出相同的规律.对于砂土封面层,亦随的增大而减小,但在较小时变化更为剧烈,当变化到一定程度后呈直线变化,且变化更快.令人感兴趣的是:在相同坡长下.当增大到一定大小后,粘土较砂土表现出更大的.究其原因,笔者认为:当较小时,由于被动土楔的重量及底边较大,提供了较大的抗滑力.因此两种土均表现出较大的稳定性系数随着的增大,被动土楔的重量及底边变小,抗滑力变小,亦变小.对于粘土来工基础2001年说,由于粘聚力的存在,此时仍能维持较砂土为大的抗滑力;而砂土无粘聚力,因此表现出又随一直递减的规律.也正是由于粘聚力的存在,在同坡长下,当增

9、大到一定大小后,粘土较砂土表现出更大的.由图4可见:占地指标D随的增大而减小,在较小时,D变化较为剧烈,当变化至一定数值后,D的变化变得平缓.D与封面土的土性无关,相同坡长,变化相同,坡长越大,占地越大.由图5可见:单位长度土方量指标s随的增大而减小,在较小时,s变化较为剧烈,当变化至一定数值后.s的变化变得平缓.s与封面土的土性无关,相同坡长,变化相同,坡长越大,土方量指标越大.4.2.2相关分析理想的封面土边坡率,宜综合考虑边坡的稳定性系数,土方量指标以及占地指标等因素.综合分析图3,图4和图5,笔者认为:对于粘土封面层,宜使值取于变化平缓段的后段区问内.因为在这一区间内得到保证,又使s及

10、D较小.对本文所考虑的这种粘土:l20为好.对于砂土封面层,由于随的单一递减性,则应在足够太的条件下选取尽量大的值,使s及D较小.对本文所考虑的砂土=17.左右一定范围是较好的选择区间.总而言之.较小的封面土边坡角虽然使边坡稳定性较大.但土方量及占地大为增加;选取一定大小的封面土边坡角可使工程造价最小,稳定性得以保证,是较为理想的工程方案.5结束语通过以上的分析,笔者认为:(1)变厚度封面层因坡顶尺寸较小.土方量比等厚度封面层增加不多,虽然占地稍有增加,但稳定性系数有一定比例的增加,是一种较好的封面形式:(2)对于粘土封面层,宜使值取于,.变化平缓段后段区问内;(3)对于砂土封面层,宜在保证而

11、又足够大的区间内选取值:(4)土工膜的铺设宜采用使较大的铺设方式.如两布一膜的方式;(5)尽量选取水稳定较好的土料用于封面,以避免浸水后其强度指标和其与土工膜间的摩擦角过度降低.参考文献1K0eI盯,RonM:H删Ba【卜n:Stabilityandtefloncomideratiregar,ngkmelined.f【JJGek巾laTldCen目r瑚e日.199110):3353552Bol.n,仙nwJrClarkDougSoilrsystLn血theDeawe:renandfillCPr,x:eedin.0fthe.mualMs叭Was,vC0eT蜘ce.1995.2963013SheA

12、dan,ceG.Bohon,J0兀几WDlllE:【ou一呻IdflllROptimadofas0drcovey.VvateAge,1995,121.4廖世文膨脓土与铁路工程M.北京:中国铁道出版社1984StudyonVeneerCoverSoilontheSlopeofExpansiveSoilSubgradetieLifiang(Schodofciv丑Engineethg,HuazliorUnive.,ivyofienceandTechnolo,WtLhan,430074).MstractUseofveneercos,ej-soiltheslopeofexpansivesoilsuhadeamethodtopre-,entearlyfailureofexpansis,esoilsubgmde.Buttheinterfacebet-centhes.,eDetrcove1soilandthesdeatie.D-weakpointto0lesubThispaperdevutestoanalngsyntheticallytheab让l可0fVffflL: