CN110847198A

CN110847198A - 一种膨胀土边坡低扰动综合支护结构及其施工方法

Info

Publication number: CN110847198A
Application number: CN201911193344.8A
Authority: CN
Inventors: 张锐; 肖宇鹏; 郑健龙
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2020-02-28

Abstract

本发明公开了一种膨胀土边坡低扰动综合支护结构及其施工方法，膨胀土边坡自上而下分级开挖，每开挖一级支护一级，支护完成后再开挖下一级边坡；根据坡面大小确定柔性土工格栅及其铺设方案，铺设完成后采用竖向张拉固定；将土钉钻入预定位置并注浆加固，加固完成后将土钉与爪型钢钉链接并用固定螺帽固定，从而将柔性土工格栅固定在膨胀土边坡上；按照设计好的方案在坡面放样、钻孔并安装仰斜式排水管，本发明不仅避免当膨胀土的膨胀受到变形约束时产生较大的膨胀力，而且能通过柔性土工格栅与土钉相互作用，利用柔性土工格栅的特性允许边坡发生一定的膨胀释放能量，同时又通过土钉固定柔性土工格栅，保证坡体稳定。

Description

一种膨胀土边坡低扰动综合支护结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种膨胀土边坡低扰动综合支护结构及其施工方法，属于岩土工程领域。

背景技术

膨胀土在世界范围内分布极为广泛，迄今为止己发现存在膨胀土的国家达40多个，我国是膨胀土分布最广的国家之一。膨胀土是一种富含亲水性矿物蒙脱石及其混层矿物的高塑性粘性土，由于蒙脱石矿物的物理化学性质，当其遇水后，会使膨胀土体积发生显著膨胀，当其失水后土体收缩并产生裂隙，所以由外部因素引起膨胀土含水率反复变化时，会使土体强度大大降低，当膨胀土的膨胀受到变形约束时就会产生较大的膨胀力，常常给边坡及其支挡结构物造成极大破坏。因此，确保膨胀土开挖边坡的稳定是膨胀土地区公路、铁路、水利、房建等各类基础设施建设和运营中必须要解决的技术难题。

目前膨胀土挖方边坡的加固防护与处治的技术措施通常可以分为刚性支挡结构和柔性支挡结构两大类。刚性结构主要以挡土墙加浆砌片石全封闭边坡、抗滑桩、土钉框架梁为主，其工作原理是以圬工体自重来抵抗(平衡)失去整体平衡的边坡体及其在开挖过程中产生的超固结性应力释放。刚性支挡结构不允许被支挡结构土体产生变形，而在干湿循环、水的作用下，边坡土体必然干缩湿胀。当土体的膨胀变形较大而得不到释放时，会产生很大的膨胀压力使刚性支挡结构破坏。柔性结构主要以土钉(索)、柔性土工格栅加筋、土工袋等为主。柔性土工格栅加筋和土工袋需要将膨胀土边坡超挖回填，对路堑边坡扰动大，多适用于已滑的膨胀土路堑边坡的治理。土钉(索)具有边开挖施工边支护，对岩体的扰动小；支护及时，能充分发挥岩体的自持能力；延性及动力特性好，易于及时安全预警；同时还具有造价低、施工简便、可修复和拓展性好、适用于动态信息化设计施工等优点。

为了更好的对膨胀土边坡进行支护，确保边坡长期稳定，研究者对现有支护结构进行了大量优化和改进。

公开号为CN1880587A的发明专利“一种柔性加筋支挡结构及其施工方法”中公开了一种膨胀土边坡柔性加筋支挡结构。在支挡结构的底层设置透水基础层，在支挡结构与开挖面之间有透水层，该透水层与透水基础层为一体；透水基础层下挖有渗沟；在整个支挡结构中铺设筋材，每层的筋材都超过支挡结构的宽度，反包至上一层，并与上一层的筋材连接，每层筋材用所开挖的土回填压实。采用将膨胀土边坡开挖并分层加筋回填，允许边坡存在一定的膨胀变形，从而实现柔性支护的目的。

公开号为CN101220596A的发明专利“一种边坡超前支护主动减压结构及其构造方法”中公开了一种边坡超前支护结构。采用在超前支护结构与超前支护结构后岩土体之间填充一层柔性填料，该柔性填料具有允许超前支护结构后的岩土体间边坡外侧产生一定位移的功能，能将承受的静止土压力转变为主动土压力，实现超前支护结构承受土压力减小的目的。

公开号为CN102518136A的发明专利“一种防治软岩强风化带湿化破坏的柔性加筋组合防护结构”公开了一种柔性加筋支挡组合防护结构。采用在开挖面上铺设一层土工布、铺植壤土并植草。边坡中部的强风化岩带的软岩采用柔性加筋支挡结构进行加固，边坡下部的弱风化软岩采用三维植草防护。

公开号为CN103882884A的发明专利“一种锚索柔性土工格栅支挡结构及其施工方法”公开了一种土质路堑边坡的支挡结构。采用设置多级边坡，包括下部隔水及排水柔性土工格栅包裹加筋压实土层和上部柔性土工格栅包裹加筋压实土层，在每个柔性土工格栅包裹加筋压实士层靠边坡的部位放置植生袋，在每级边坡底部的靠边坡一侧设置锚索,并与底部的柔性土工格栅包裹加筋压实上层中靠边坡内侧的上工格栅连接；在顶部级柔性支挡结构的顶部设置有顶部防水结构层，在坡表设置有地面排水设施。

现有技术虽然对膨胀土边坡采用了土钉或柔性土工格栅加筋等柔性加固措施，考虑了边坡内部排水，但是如何有效做到对膨胀土边坡外防内排，避免膨胀土湿胀变形的产生和持续，同时结合膨胀土土质特点，既充分发挥边坡的自持能力，又减少支护施工过程中对膨胀土开挖边坡的过大扰动，是膨胀土边坡加固中需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足而提供一种成本低、施工速度快、施工扰动小、施工安全性好，环保性好的膨胀土边坡低扰动综合支护结构及其施工方法。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种膨胀土边坡低扰动综合支护施工方法，包括如下步骤：

a、开挖边坡：自上而下对膨胀土边坡进行分级开挖，每开挖一级支护一级；

b、待开挖完成后对坡面进行整平，为接下来的支护结构施工提供完整的作业面；

c、在整形完成后的坡面上，根据坡面的大小确定柔性土工格栅的铺设方案，并竖向张拉固定；铺设时根据土钉和柔性土工格栅的相互作用，确定土钉的锚固深度L和土钉的间距D，

当膨胀土吸水膨胀，使柔性土工格栅和膨胀土边坡达到平衡时：

E₁ε₁＝P(ε₂)D²

根据弦切角定理，此时土钉受到柔性土工格栅的力与土钉的角度为：

则可假设土钉所受到的力为：

由于膨胀土浅层两米处于干湿循环影响区，为保证土钉锚固强度，设此层土钉界面粘结强度为零，则边坡土钉的锚固力为：

F＝πdT(L-2)

所以每根土钉的锚固深度L和间距D都应满足所产生的锚固力F应不小于σ，所以现场布设间距D由下式确定：

E₁为柔性土工格栅模量；ε₁为柔性土工格栅应变；P(ε₂)为膨胀土应力和应变ε₂的函数关系；θ为土钉受到柔性土工格栅的力与土钉的角度；σ为土钉所受到的力；d为土钉直径；T为土钉界面粘结强度；

e、按设计好的方案将土钉固定在预定位置，土钉安装好后，在土钉杆上装入爪型钢钉，通过爪型钢钉将柔性土工格栅固定在坡面上，再用固定螺帽将爪型钢钉与土钉固定连接；

f、在支护完成后的坡面上铺种植土，植草绿化。

进一步的，在每四个土钉交叉线连接处，钻孔铺设仰斜式排水管。

本发明还提供了一种膨胀土边坡低扰动综合支护结构，包括铺设在膨胀土边坡上的柔性土工格栅和将柔性土工格栅固定在膨胀土边坡上的土钉，所述土钉靠近顶端的外侧设有螺纹，所述土钉的顶部套装有爪型钢钉，所述爪型钢钉通过螺纹连接在土钉上的固定螺帽轴向限位在土钉顶端，所述土钉通过爪型钢钉将柔性土工格栅锁紧在膨胀土边坡上。

进一步的，所述膨胀土边坡内安装有仰斜式排水管，所述仰斜式排水管与坡面排水沟连通。

进一步的，所述膨胀土边坡的表面、柔性土工格栅内人工植草形成生态防护。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：

1、由于膨胀土预水会发生显著膨胀，而失水后土体收缩并产生裂隙，如果当膨胀土的膨胀变形受到刚性支护的变形约束时，膨胀土就会产生较大的膨胀力，从而给边坡及其支挡结构物造成极大破坏，因此本发明在坡面通过柔性的柔性土工格栅防护，通过土钉加固坡体的同时固定格栅，这样柔性的柔性土工格栅对膨胀土产生柔性约束力，当膨胀土膨胀后，柔性的柔性土工格栅可随膨胀土膨胀发生一定形变，释放膨胀土的部分膨胀力，从而通过变形消散边坡的大部分应力和膨胀力，提高膨胀土边坡的自持能力，这样就能够大幅减小支护结构施工过程中对边坡的扰动。

2、本发明通过土钉与柔性土工格栅形成联结支护，极大减小了施工扰动对膨胀土结构的影响，提高了边坡稳定性，保障了边坡施工期及运营期安全。

3、本发明能够保障坡面防水与生态防护的效果，本发明通过边坡支护结构表面培植一层非膨胀土，并在其上种植植被护坡，形成生态防护，防止水土流失。

4、本发明造价较低，大幅降低支护结构的造价；还具有绿色环保效益，采用柔性土工格栅，有利于在坡面上进行培土绿化。

综上所述，本发明适用于膨胀土路堑边坡的加固，也适用于具有类似地质特征的膨胀土路堑边坡的加固。本发明不仅避免当膨胀土的膨胀受到变形约束时产生较大的膨胀力，而且能通过柔性土工格栅与土钉相互作用，利用格栅柔性支护的特性允许边坡发生一定的膨胀释放能量，同时又通过土钉锚固和固定格栅，保证坡体稳定，又能发挥膨胀土边坡的自持能力，减少支护施工过程中对膨胀土开挖边坡的过大扰动，解决膨胀土边坡难以有效加固的技术难题，与一般刚性结构支护相比也具有成本低、施工速度快、施工扰动小、施工安全性好，且环保性好的优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明坡面的局部俯视示意图；

图3为本发明中土钉的结构示意图；

图4为本发明中爪型钢钉的俯视图。

附图中，1-生态防护；2-柔性土工格栅；3-干湿循环影响区；4-仰斜式排水管；5-土钉；6-爪型钢钉；7-固定螺帽；8-膨胀土边坡。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步具体说明，为了更清楚的说明本专利实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

如图1至4所示，一种膨胀土边坡低扰动综合支护施工方法，包括如下步骤：

a、开挖边坡：自上而下对膨胀土边坡8进行分级开挖，每开挖一级支护一级；

c、在整形完成后的坡面上，根据坡面的大小确定柔性土工格栅2的铺设方案，并竖向张拉固定；铺设时根据土钉5和柔性土工格栅2的相互作用，确定土钉5的锚固深度L和土钉5的间距D，

当膨胀土吸水膨胀，使柔性土工格栅2和膨胀土边坡8达到平衡时：

E₁ε₁＝P(ε₂)D²

根据弦切角定理，此时土钉5受到柔性土工格栅2的力与土钉5的角度为：

则可假设土钉5所受到的力为：

由于膨胀土浅层两米处于干湿循环影响区3，为保证土钉5锚固强度，设此层土钉5界面粘结强度为零，则边坡土钉5的锚固力为：

F＝πdT(L-2)

所以每根土钉5的锚固深度L和间距D都应满足所产生的锚固力F应不小于σ，所以现场布设间距D由下式确定：

E₁为柔性土工格栅模量；ε₁为柔性土工格栅2应变；P(ε₂)为膨胀土应力和应变ε₂的函数关系；θ为土钉5受到柔性土工格栅的力与土钉5的角度；σ为土钉5所受到的力；d为土钉5直径；T为土钉5界面粘结强度；

e、按设计好的方案将土钉5固定在预定位置，土钉5安装好后，在土钉5杆上装入爪型钢钉6，通过爪型钢钉6将柔性土工格栅2固定在坡面上，再用固定螺帽将爪型钢钉6与土钉5固定连接；

f、在每四个土钉5交叉线连接点，钻孔铺设仰斜式排水管4；

g、在支护完成后的坡面上铺种植土，植草绿化。

如图1至4所示，一种膨胀土边坡低扰动综合支护结构，膨胀土边坡8内布设仰斜式排水管4与坡面排水沟连通，可进行坡体内部排水。本结构中，固定柔性土工格栅2所用锚结构为土钉5，所述土钉5靠近顶端的外侧设有螺纹，所述土钉5的顶部套装有爪型钢钉6，所述爪型钢钉6通过螺纹连接在土钉5上的固定螺帽轴向限位在土钉5顶端，所述土钉5通过爪型钢钉6将柔性土工格栅2锁紧在膨胀土边坡8上。通过柔性土工格栅2与土钉5相互作用，利用柔性土工格栅2允许边坡发生一定的膨胀释放能量，同时又通过土钉5锚固柔性土工格栅2，保证坡体稳定，从而达到低扰动综合支护的目，在所述铺设了柔性土工格栅2的表面培植一层非膨胀土，并在其上种植植被护坡，形成生态防护1。

此外，需要说明的是，本专利不局限于上述实施方式，只要其零件未说明具体尺寸或形状的，则该零件可以为与其结构相适应的任何尺寸或形状，且不论在其材料构成上作任何变化，凡是采用本发明所提供的结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种膨胀土边坡低扰动综合支护施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

E₁ε₁＝P(ε₂)D²

则可假设土钉所受到的力为：

F＝πdT(L-2)

f、在支护完成后的坡面上铺种植土，植草绿化。

2.根据权利要求1所述的膨胀土边坡低扰动综合支护施工方法，其特征在于：步骤e后，在每四个土钉交叉线连接处，钻孔铺设仰斜式排水管。

3.根据权利要求1所述的膨胀土边坡低扰动综合支护施工方法，其特征在于：步骤e中，将土钉钻入预定位置并注浆加固，加固完成后将土钉与爪型钢钉连接并用固定螺帽固定。

4.一种膨胀土边坡低扰动综合支护结构，其特征在于：包括铺设在膨胀土边坡上的柔性土工格栅和将柔性土工格栅固定在膨胀土边坡上的土钉，所述土钉靠近顶端的外侧设有螺纹，所述土钉的顶部套装有爪型钢钉，所述爪型钢钉通过螺纹连接在土钉上的固定螺帽轴向限位在土钉顶端，所述土钉通过爪型钢钉将柔性土工格栅锁紧在膨胀土边坡上。

5.根据权利要求4所述的膨胀土边坡低扰动综合支护结构，其特征在于：所述膨胀土边坡内安装有仰斜式排水管。

6.根据权利要求4所述的膨胀土边坡低扰动综合支护结构，其特征在于：所述膨胀土边坡的表面、柔性土工格栅内人工植草形成生态防护。