雨水渗透下岩土边坡纵向抗剪强度勘察技术分析

彭 军

福建省水文地质工程地质勘察研究院 福建漳州 363000

在岩土工程中,通过岩土勘查工作可以确定边坡结构的稳定性,落实针对性的边坡防护措施,不仅如此,通过具体的勘查数据可以确定场地本身的适宜性,必须得到重视。但考虑到雨水渗透环境中会对岩土边坡的纵向抗剪强度造成较大的负面影响,进而威胁到工程的施工质量和施工安全,因此相应的勘查技术还需要得到进一步优化,从而展开更加具体的风险控制和修复工作。

1 岩土边坡纵向抗剪强度勘察技术作用分析

岩土边坡的纵向抗剪强度是边坡构造稳定的一个主要指数,对其进行勘察有助于工程人员发现可能存在的滑坡稳定性问题,并基于观测资料对其结构进行优化。在岩土工程中,如果边坡构造不稳定,极易引发滑坡,从而对周边的建筑物、道路及居民的生活等构成严重危害,并且由于边坡的不稳定,会引起岩石、土壤等物质流失,最终影响到周边的生态系统。目前,我国大部分区域已出台了相应的建筑工程技术规范,对岩土边坡进行了规定,以求在保证工程满足相应技术规范的同时,降低施工成本,确保工程的设计与维修工作可以高效开展。

在实际岩土工程过程中,边坡防护工作不容小觑,设计人员需要对周围环境进行勘查,综合分析各种防护方法进行可行性及执行效果,能够确保周边的地面及房屋进行有效的保护,避免出现裂缝、滑坡等边坡稳定问题。边坡防护工作如果出现问题,很有可能会给周围建筑、生产生活带来较大的安全风险,增强其安全性需要采取恰当的方式。这就需要落实岩土边坡纵向抗剪强度勘察技术,降低或防止边坡上的水土流失,在某种意义上减轻对生态环境的冲击。

除了上述两个方面之外,岩土边坡纵向抗剪强度勘察可以让工作人员了解施工地点的适应性。根据岩土边坡纵向抗剪强度数据,确定区域内的土体、岩体的性质,确保区域内施工的可行性。在岩土工程领域,如何选取合理的施工方案,将直接关系到地基的稳定性和安全性。在实际勘察过程中,不仅需要判断地基的实际情况,确定地基的整体状态,又能对地基的岩土特性进行评价与研究,进一步确定地基的合理与安全,确保地基的稳定性。同时,在岩土建筑中,基础的承载力也是一个重要的因素,通过对基础的适合度评价,能够为基础承载力参数的选择奠定基础,减少项目的风险。岩土边坡纵向抗剪强度勘察得到的数据既可以作为相应的试验资料,还可以作为后续的评价工作提供支撑。尤其是在数字时代背景下,通过岩土边坡纵向抗剪强度勘察工作,工作人员可以及时了解项目运行状态,对岩石边坡稳定性进行稳定预报与监控,让工程符合建设标准和规范要求,为对可能出现的问题与隐患展开全面的剖析与评价。根据数据与监控结果来进行相关的风险管理,这对整个项目的质量与安全有着非常重要的影响,也可以通过岩土边坡纵向抗剪强度勘察进行长期的监控与评价。

2 岩土边坡纵向抗剪强度勘察技术方法分析

首先,在进行实地勘查前,必须对相关地质、地貌以及周边的基本条件有所了解,这样才能更好地展开岩土边坡纵向抗剪强度勘察,确定边坡稳定性情况,从而为岩土工程项目的开展奠定基础。其次,通过对采集到的土体和岩石样品进行实验室测试,获得相应的力学、压缩、剪切、变形等指标,为各种条件下的土体和岩石样品的稳定评价和预测奠定基础。与此同时,在勘查工作中,测量和监测是十分关键的一部分,在此过程中,利用诸如位移计、地下水位测量仪、激光扫描数据、边坡表面水位计等的测量仪表进行勘测,而利用这些监测数据,可以及时了解和处理岩土边坡上出现的各种意外状况和问题,及时应对。除此之外,还可以使用有关的建模分析软件,比如Plaxis等,对边坡的稳定进行研究。

在此基础上,针对雨水渗透条件下岩石边坡的纵向抗剪强度问题,提出一系列新颖的地质调查技术与方法。例如,以现场实测资料为基础,以高精度的3D成像技术为基础,构建出一种精确的岩土边坡的3D物理模型,可以有助于勘察人员对其进行深入的分析,对其在各种条件下的应力状态进行仿真,并在此基础上进行大规模的仿真计算,从而找到并修补边坡中存在的问题。同时,将光纤作为一种新的检测手段,用于对边坡进行长时间、高精度的检测,也是一种非常新颖的检测手段。其中,所测得的数据包括应变、水压力、温度、位移等,可以用来进行自动化处理和分析,并对问题进行及时发现和处理。再比如,将GIS与卫星技术相融合,对岩土体边坡处的含水层、受载区等进行了研究。将基于人工智能与大数据技术的边坡数据融合,逐步将其运用到实际地质调查项目中,从而更加深入地认识边坡状况,并对其将来可能出现的问题做出准确判断,为后续的工程建设提供依据。

很多地区气温、降水季节及非周期性波动明显,岩土边坡常年处在干湿交替的气候条件下,雨水渗透问题突出,工程机械性能退化更加明显。需要结合具体情况,设计出更加多元化的岩土边坡纵向抗剪强度勘察技术同意,对不同含水量下的岩土边坡纵向抗剪强度指标进行了分析,重点针对雨水渗透下的岩土边坡纵向抗剪强度进行分析。根据过往的分析工作来看,雨水渗透下抗剪强度的衰变与降雨次数、降雨振幅、初始含水量等因素密切相关。雨水渗透作用下,膨胀土的黏性会随着雨水渗透作用而逐步衰减。

3 岩土边坡纵向抗剪强度勘察技术实例分析

为深入探讨雨水渗透作用下,岩土边坡纵向抗剪强度变化情况,揭示雨水对岩土边坡纵向抗剪强度的作用机理,本项目以某工程项目的岩土边坡为例,通过室内实验,并针对当地的降水条件,开展典型的室内实验,采用室内、室外实验相结合的方法,进行有限元计算和有限元仿真。

3.1 工程概述

以某项目工程为例,该建设项目用地在平缓的丘陵地带,整体走势为坡地,在实际施工过程中,涉及诸多不同的边坡施工环节,需要展开相应的边坡支护设计,为了确保设计工作的稳定性,展开了相应的岩土边坡纵向抗剪强度的勘察,并且考虑到当地气候环境,分析在雨水渗透条件因素下,岩土边坡纵向抗剪强度变化情况,明确边坡稳定性,进一步确定具体的支护方案。以该施工项目为例,在实际施工过程中,具体包括三个岩土工程边坡内容,分别为两个一级边坡和一个三级边坡。以基坑周边东部为主,多为陡峭基坑,其斜率为1类,最高岩土边坡为70米。另外,还有一些基坑周边为土质边坡,以基坑周边为重点,最高岩土边坡高度为38米,为一类边坡。还有一些开挖方边坡,也有少数的填筑方边坡,多为三级斜率,多为4～8米的岩土边坡高度。为了确保施工项目的顺利开展,针对岩土边坡纵向抗剪强度进行了探讨,从过往的施工经验来看,岩土边坡纵向抗剪强度参数会影响到边坡残余下滑力,因此,确定岩土边坡纵向抗剪强度是确保边坡稳定的重要依据。

3.2 数据分析

因为该工程项目位于一个高差109.0m的岩土边坡上,所以在进行纵向抗剪强度勘察之前,还需要确定具体的施工方案、施工要求、施工标准,进而展开相应的检验。该工程项目团队利用岩土计算软件和Bishop条分法,对开挖边坡的现有稳定进行了研究,表1为岩土物理力学性指标参数和表2为边坡稳定性计算结果分析。根据表1和表2的数据可以看出,该工程项目存在较大的安全风险,必须要落实相应的支护工作,以此避免出现边坡失稳等问题。但在实际落实过程中,还需要对岩土边坡纵向抗剪强度衰减情况进行分析,以此判断具体的衰减积累量和单次雨水渗透下衰减量,式(1)、式(2)为具体的计算公式。从实际数据来看,纵向抗剪强度衰减主要由黏聚力的衰减作用产生,内摩擦角的衰减作用较小。基于此,进一步计算分析抗剪强度衰减拟合,以此掌握衰减规律,式(3)为拟合函数公式。其中T为黏聚力衰减累积量,N为雨水次数、C1和C2为拟合参数。

表2 边坡稳定性计算结果

(1)

(2)

T=C1ln(N)+C2

(3)

3.3 结果分析

为了对雨水渗透下的岩土边坡纵向抗剪强度的改变进行深入的分析,在每次降水之后,在岩土边坡下2cm和8cm的地方,分别采集六个圆刀形的样品,对它们进行直接剪切实验,获得它们在各种垂直载荷(50,100,200,300和400kPa)下,在这些样品的相同深度(50,100,200,300和400kPa)下,在这些样品中,选取了最具有代表性的垂直载荷(100kPa)下,在这些样品的不同深度和重复范围内,它们的剪切强度会随着时间的推移而发生相应的改变。在雨水渗透的条件下,边坡土壤的剪切强度与其干、湿周复变的关系。随着雨水渗透增大,纵向抗剪强度逐步降低,直至达到一个相对平稳的水平;在雨水渗透之后纵向抗剪强度的衰减程度最大,并且会随着雨水循环持续降低,但随后纵向抗剪强度达到一个相对稳定的水平。雨水渗透下,2cm的土的抗剪强度的衰减大于8cm,表明该效应对表层土的作用较弱。在相同的厚度下,降水量较大的情况下,岩土边坡纵向抗剪强度的衰减要大于轻微降水下的土壤。研究表明,随着雨水渗透的增加,边坡的安全指数逐渐减小,当雨水渗透率达到最高时,安全指数趋于1,随后就有可能出现滑坡问题。随着雨水渗透的增大,边坡的安全系数逐渐减小,因其层理及几何学特征,在边坡的薄弱点部位,首先发生了塑性形变,然后,屈服点逐渐上升,直至形成一条贯穿土壤的剪力断裂[1]。

4 雨水渗透下岩土边坡纵向抗剪强度勘察工作分析

雨水渗透是影响岩土体纵剖面剪切性能的主要因素之一,结合上述实际案例来看,其显著影响了岩土体的黏结力、降低了内部摩擦力、加剧了裂缝扩展、影响了基岩的稳定等,给岩土工程的安全带来了巨大的威胁。具体表现在以下几点:

第一,加强黏性,降低内摩擦。在雨水渗透后,岩石中的黏性将得到加强,从而提高岩石的力学性能。雨水渗透效应使岩石与土体之间的摩擦减小,使岩石与土体之间的纵向抗剪强度下降。为解决该问题,需要通过增加土壤有机质含量、调整土壤结构、使用合适的土壤改良剂来改善土壤的黏性与稳定性。另一方面,地面上的植物能够提高土体的水分吸收,维持地面上的植物或表层的草皮可以降低雨水对土体的直接侵蚀,进而降低土体的摩擦系数。此外,适当的灌溉方法还有助于增加土体的凝固性,降低内摩擦力,比如利用滴灌、喷灌等方法,使得水分的分配更加合理,避免了过多的水分损失,降低了冲刷[2]。

第二,使裂隙扩大。在坡度较大的地方,由于雨水渗透频繁,有冲击作用,使得岩石的裂隙扩展速度加快,更多的水分进入岩石中,使得岩石的裂隙扩展更加严重。为解决这一问题,本项目拟通过修建防护墙、增加植被、种植耐旱性较好的植被等方式,减少地下水侵蚀和地表裂纹扩展[3]。在此基础上,提出了一套合理的、有效的储水措施,并提出了相应的防渗措施。比如,在雨季来临前,可以设置一个蓄水池,将雨水集中起来,这样既能防止快速损失,又能缓慢地渗入土地。除此之外,对于比较明显的地面裂缝,还必须通过对其进行挤出或填充的方法来对其进行修补,从而减小其扩展的幅度。除此之外,进行合理的强化和固化,从而减少其对土壤的侵蚀,显著降低其下沉的危险[4]。

第三,对基础岩体的稳定的影响:除了以上所说之外,雨水渗透的浸润还会将基础岩体表层的泥土及疏松材料冲刷掉,从而将基础岩体挖出表层,更是对基础岩石的稳定造成了更大的损害,进而造成整个边坡滑坡。为了应对此问题,必须通过定时测定水位高度,实时监控岩石内孔隙内的水汽对岩石内的渗透作用,从而能够对井筒内存在的隐患进行有效防治。在地下水渗漏比较严重的地区,应该在岩石表层涂以防渗层。比如,可以通过打孔灌浆来建立一个密闭的三维防水结构,有了这个防水材料,雨水就会被挡在墙外,这样就可以降低墙内的渗水量。此外,为了减轻对岩体体系的冲击,还应在关键地段设置一条排泄管道,以便将雨水排入岩体中。这些被回收的水可以被重新使用,或者被用于周围的纯净水系统。

结语

综上所述,雨水渗透下岩土边坡纵向抗剪强度会随着时间的推移而逐渐降低,且在斜坡中部因层理、几何形态等原因形成的软弱部位会发生塑变,进而形成一条贯穿整个斜坡的剪力区,因此还需要在岩土边坡中部较弱部位加设防滑支撑以增强其稳定的方案。