CN113065185B - 用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元及设计方法，设计方法包括以下步骤：S1：确定需要防护膨胀土边坡的尺寸，包括边坡高度和边坡坡度；S2：需要防护膨胀土边坡土体原位取样，试验得到土样的剪切强度指标和膨胀应力；S3：根据实际施工情况与边坡高度，确定土工编织袋梯形结构单元高度；S4：考虑土工编织袋结构单元的抗滑稳定性要求，确定梯形结构单元上底的最小宽度；S5：按照实际施工情况与边坡坡度，确定膨胀土边坡土工编织袋防护单元的设计尺寸，根据设计尺寸确定构造土工编织袋结构单元的编织袋各层个数。与现有技术相比，本发明适用于膨胀土边坡防护工程，具有计算方便、便于施工、兼顾安全性与节能性等优点。

Description

用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元及设计方法
技术领域
本发明涉及环境岩土工程边坡加固技术领域，尤其是涉及一种用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元及设计方法。
背景技术
我国膨胀土分布总面积超过了10万平方公里。膨胀土具有显著的吸水膨胀、失水收缩特性，在蒸发、降雨等自然条件下，膨胀土边坡等发生膨胀-收缩的交替进行，从而导致裂隙发展，土体强度降低，膨胀土地区出现“逢堑必滑、无堤不塌”的现象，每年直接经济损失超过百亿元。膨胀土滑坡灾害威胁着人居安全和社会稳定，危及着大型城市建设、水利设施、公路铁路等重大工程的安全运营，成为自然灾害防治工作的难题，对此亟需研究攻克。膨胀土滑坡和工程边坡以浅层滑坡为主，对滑坡的处理，设计采用“防治结合，以防为主”的原则，土工编织袋是防护膨胀土边坡浅层滑坡的理想措施。由于缺少土工编织袋防护膨胀土边坡的设计计算方法，导致土工编织袋设计要么过于保守，造成浪费；要么边坡的安全系数储备不足，造成土工编织袋防护的膨胀土边坡失稳滑动。
目前已有部分针对土工编织袋加固膨胀土路堑边坡的研究，河海大学刘斯宏等人的专利“一种用土工袋处理膨胀土地区地基的方法及其应用”(CN101168961A)提出将工程建设地开挖出来的膨胀土装入土袋内排列堆积起来，采用碾压设备将土工袋压实形成建筑地基；“一种土工袋堤坝加固方法”(CN110080166A)用土工堤坝加固沿河背水侧。然而本发明申请人经过深入研究后发现，土工编织袋的加固方法仅采用常规平行四边形堆积形式，不够节约、环保，也没有合理考虑土工编织袋护坡的稳定性。此外，目前尚未有完整、规范的针对土工编织袋结构单元的设计方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元及设计方法。综合考虑膨胀土边坡的膨胀特性和土工编织袋护坡的整体稳定性，设计土工编织袋护坡结构单元，较常规平行四边形的全面铺设设计既能实现对滑坡的良好处理，又能满足经济和环境的要求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明第一方面提供一种用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，所述的土工编织袋结构单元为土工编织袋梯形结构单元，包括以下步骤：
S1：确定需要防护膨胀土边坡的尺寸，包括边坡高度H和边坡坡度α；
S2：需要防护膨胀土边坡土体原位取样，试验得到土样的剪切强度指标和膨胀应力ps，所述的剪切强度指标包括土体内摩擦角φ和土体黏聚力c；
S3：根据实际施工情况与边坡高度，确定土工编织袋梯形结构单元高度h；
S4：考虑土工编织袋梯形结构单元的抗滑稳定性要求，确定梯形结构单元上底的最小宽度L；
S5：按照实际施工情况与边坡坡度α，确定土工编织袋结构单元的设计尺寸，根据设计尺寸确定构造土工编织袋梯形结构单元的编织袋各层个数。
优选地，步骤S1中：
边坡高度H通过测量膨胀土边坡顶部到底部的垂直距离获得；
边坡坡度α通过式(1)得到：
Figure BDA0003000866810000021
其中，L0为通过测量获得的膨胀土边坡顶点到水平地面上的投影点到边坡前趾的水平距离。
优选地，步骤S2中：
用高度至少2cm的环刀在现场坡面均匀取样；选取三组土体试样分别在垂直应力σ为不同垂直压力下进行直剪试验，得到多个不同垂直压力下的剪切强度值τ，基于式(2)的莫尔-库伦强度准则：
τ＝σ·tanφ+c (2)
其中，σ为垂直压力；φ是为土体内摩擦角；c为土体黏聚力；
将不同垂直应力下得到的剪切强度值进行线性拟合，拟合直线的斜率即为土体内摩擦角的正切值tanφ，在y轴的截距即为土体黏聚力c。
优选地，选取三组土体试样分别在垂直应力σ为100kPa，200kPa，400kPa下进行直剪试验，得到三种垂直压力下的剪切强度值τ。
优选地，步骤S2中，将环刀切取的土样放置固结盒中，固结盒内倒入去离子水，土样有吸水膨胀趋势，观察竖向变形千分表，调整土样上部施加的荷载，使千分表度数不变，即土样体积不变，稳定24h后，根据土样上部施加的荷载计算施加的竖向应力即为土样的膨胀应力ps。
优选地，步骤S3中，土工编织袋梯形结构单元高度h的确定采用以下方法：单个土工编织袋的尺寸为40cm×40cm×10cm，当坡高边坡高度H＜4m，土工编织袋结构单元由三层土工袋构成，单元高h＝0.3m；当边坡高度H4 m＜H＜6m，土工编织袋梯形结构单元由四层土工袋构成，单元高h＝0.4m。
优选地，步骤S4中，梯形结构单元上底的最小宽度L的计算公式如式(3)～(6)所示：
Figure BDA0003000866810000031
A＝αγtanφs (4)
B＝γdtanφs (5)
Figure BDA0003000866810000032
其中，γ是土体容重，tanφs是土工编织袋间的摩擦系数，φs＝2φ/3，φ是土体内摩擦角，d是单个土工编织袋的厚度，H是边坡高度，ps是土体膨胀力，Ka是主动土压力系数，Ka＝tan2(45°-φ/2)，Ks是抗滑稳定安全系数，一般要求Ks≥1.5。
优选地，土工编织袋梯形结构单元的设计坡度与膨胀土边坡一致，梯形结构下底尺寸L1的计算公式为：
L1＝L+h/α (7)
其中，h是土工编织袋梯形结构单元高度，L是梯形结构单元上底的最小宽度，L1是梯形结构下底尺寸；
根据设计尺寸确定构造土工编织袋梯形结构单元的编织袋各层宽度，除以单个编织袋宽度得到各层编织袋个数，不满整数的按整数计，优选计算各层编织袋个数进行取整时，向上取整。
优选地，该方法还包括确定结构单元的尺寸后，施工时以整个土工编织袋防护结构单元为一个单位进行施工。
本发明第二方面提供一种用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元，采用所述的方法得到。
与现有技术相比，本发明综合考虑膨胀土边坡的膨胀特性和土工编织袋护坡的整体稳定性，设计土工编织袋护坡梯形结构单元，较常规平行四边形的全面铺设设计既能实现对滑坡的良好处理，又能满足经济和环境的要求。利用本发明的方法设计的土工编织袋结构单元，适用于膨胀土边坡防护工程，具有计算方便、便于施工、兼顾安全性与节能性等优点。
附图说明
图1为土工编织袋结构单元护坡设计示意图。
图2为土工编织袋结构单元设计示意图。
具体实施方式
一种用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，该土工编织袋结构单元为土工编织袋梯形结构单元，包括以下步骤：
S1：确定需要防护膨胀土边坡的尺寸，包括边坡高度H和边坡坡度α；
S2：需要防护膨胀土边坡土体原位取样，试验得到土样的剪切强度指标和膨胀应力ps，所述的剪切强度指标包括土体内摩擦角φ和土体黏聚力c；
S3：根据实际施工情况与边坡高度，确定土工编织袋梯形结构单元高度h；
S4：考虑土工编织袋梯形结构单元的抗滑稳定性要求，确定梯形结构单元上底的最小宽度L；
S5：按照实际施工情况与边坡坡度α，确定土工编织袋结构单元的设计尺寸，根据设计尺寸确定构造土工编织袋梯形结构单元的编织袋各层个数。
作为本发明中的另一种实施方式，步骤S1中：
边坡高度H通过测量膨胀土边坡顶部到底部的垂直距离获得；
边坡坡度α通过式(1)得到：
Figure BDA0003000866810000041
其中，L0为通过测量获得的膨胀土边坡顶点到水平地面上的投影点到边坡前趾的水平距离。
作为本发明中的另一种实施方式，步骤S2中：
用高度至少2cm的环刀在现场坡面均匀取样；选取三组土体试样分别在垂直应力σ为不同垂直压力下进行直剪试验，得到多个不同垂直压力下的剪切强度值τ，基于式(2)的莫尔-库伦强度准则：
τ＝σ·tanφ+c(2)
其中，σ为垂直压力；φ是为土体内摩擦角；c为土体黏聚力；
将不同垂直应力下得到的剪切强度值进行线性拟合，拟合直线的斜率即为土体内摩擦角的正切值tanφ，在y轴的截距即为土体黏聚力c。
作为本发明中的另一种实施方式，选取三组土体试样分别在垂直应力σ为100kPa，200kPa，400kPa下进行直剪试验，得到三种垂直压力下的剪切强度值τ。
作为本发明中的另一种实施方式，步骤S2中，将环刀切取的土样放置固结盒中，固结盒内倒入去离子水，土样有吸水膨胀趋势，观察竖向变形千分表，调整土样上部施加的荷载，使千分表度数不变，即土样体积不变，稳定24h后，根据土样上部施加的荷载计算施加的竖向应力即为土样的膨胀应力ps。
作为本发明中的另一种实施方式，步骤S3中，土工编织袋梯形结构单元高度h的确定采用以下方法：单个土工编织袋的尺寸为40cm×40cm×10cm，当坡高边坡高度H＜4m，土工编织袋结构单元由三层土工袋构成，单元高h＝0.3m；当边坡高度H4 m＜H＜6m，土工编织袋梯形结构单元由四层土工袋构成，单元高h＝0.4m。
作为本发明中的另一种实施方式，步骤S4中，梯形结构单元上底的最小宽度L的计算公式如式(3)～(6)所示：
Figure BDA0003000866810000051
A＝αγtanφs (4)
B＝γdtanφs (5)
Figure BDA0003000866810000052
其中，γ是土体容重，tanφs是土工编织袋间的摩擦系数，φs＝2φ/3，φ是土体内摩擦角，d是单个土工编织袋的厚度，H是边坡高度，ps是土体膨胀力，Ka是主动土压力系数，Ka＝tan2(45°-φ/2)，Ks是抗滑稳定安全系数，一般要求Ks≥1.5。
作为本发明中的另一种实施方式，土工编织袋梯形结构单元的设计坡度与膨胀土边坡一致，梯形结构下底尺寸L1的计算公式为：
L1＝L+h/α (7)
其中，h是土工编织袋梯形结构单元高度，L是梯形结构单元上底的最小宽度，L1是梯形结构下底尺寸；
根据设计尺寸确定构造土工编织袋梯形结构单元的编织袋各层宽度，除以单个编织袋宽度得到各层编织袋个数，不满整数的按整数计，优选计算各层编织袋个数进行取整时，向上取整。
作为本发明中的另一种实施方式，该方法还包括确定结构单元的尺寸后，施工时以整个土工编织袋防护结构单元为一个单位进行施工。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明不局限于以下的实施方式。
实施例1
一种用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，如图1～2所示，包括以下步骤：
S1，利用皮尺实地测量广西某高速公路东北段膨胀土路堑边坡尺寸大小，边坡顶部到水平面的垂直距离即边坡高度为H＝3m，边坡顶点到水平面的投影点到边坡前趾的水平距离L0＝4.5m，即边坡坡度α＝1:1.5。
S2，用高度2cm的环刀在现场坡面均匀取样，选取三组土体试样分别在垂直应力σ为100kPa，200kPa，400kPa下进行之间试验，得到膨胀土的土力学参数为：γ＝20kN/m3，c＝20kPa，φ＝20°，Ka＝0.7，ps＝100kPa。
S3，确定土工编织袋结构单元高度。单个土工编织袋的尺寸为40cm×40cm×10cm，坡高小于4m，设计结构土工编织袋防护单元为三层土工编织袋构成，h＝0.3m。
S4，考虑土工编织袋单元的抗滑稳定性要求，确定土工编织袋结构单元上底的最小宽度。根据膨胀土边坡基本物理参数，考虑膨胀力，按照抗滑稳定性要求，计算土工编织袋梯形结构单元上底的最小宽度L，其计算公式为：
Figure BDA0003000866810000061
A＝αγtanφs
B＝γdtanφs
Figure BDA0003000866810000071
其中，γ是土体容重，tanφs是土工编织袋间的摩擦系数，φs＝2φ/3，φ是内摩擦角，d是单个土工编织袋的厚度，H是膨胀土边坡高度，ps是土体膨胀力，Ka是主动土压力系数，Ka＝tan2(45°-φ/2)，Ks是抗滑稳定安全系数，这里计算取1.5。求得L＝1.5m。
S5，按照实际施工情况与膨胀土边坡坡度，确定膨胀土边坡土工编织袋防护单元的设计尺寸。膨胀土边坡土工编织袋防护结构单元设计为梯形，梯形边坡的设计坡度与膨胀土边坡一致，梯形下底尺寸L1的计算公式为：
L1＝L+h/α
其中，h是土工编织袋梯形单元高度，L是梯形单元上底的最小宽度，L1是梯形下底尺寸，计算结果为1.95m。设计梯形土工编织袋防护单元为三层土工编织袋构成：顶部4个土工编织袋，底部5个土工编织袋，中间4～5个土工编织袋。由于单个土工编织袋由在编织袋内填土制成，可压缩，因此对于计算编织袋个数不是整数的情况，可在满足抗滑要求的前提下凑为整数。
S6，确定梯形结构单元的尺寸后，施工时以整个土工编织袋防护梯形结构单元为一个单位进行施工。
本发明综合考虑膨胀土边坡的膨胀特性和土工编织袋护坡的整体稳定性，设计土工编织袋护坡梯形结构单元，较常规平行四边形的全面铺设设计既能实现对滑坡的良好处理，又能满足经济和环境的要求。利用本发明的方法设计的土工编织袋梯形单元，适用于膨胀土边坡防护工程，具有计算方便、便于施工、兼顾安全性与节能性等优点。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，其特征在于，所述的土工编织袋结构单元为土工编织袋梯形结构单元，包括以下步骤：
S1：确定需要防护膨胀土边坡的尺寸，包括边坡高度H和边坡坡度α；
S2：需要防护膨胀土边坡土体原位取样，试验得到土样的剪切强度指标和膨胀应力ps，所述的剪切强度指标包括土体内摩擦角φ和土体黏聚力c；
S3：根据实际施工情况与边坡高度，确定土工编织袋梯形结构单元高度h；
S4：考虑土工编织袋梯形结构单元的抗滑稳定性要求，确定梯形结构单元上底的最小宽度L；
S5：按照实际施工情况与边坡坡度α，确定土工编织袋结构单元的设计尺寸，根据设计尺寸确定构造土工编织袋梯形结构单元的编织袋各层个数；
步骤S1中：
边坡高度H通过测量膨胀土边坡顶部到底部的垂直距离获得；
边坡坡度α通过式(1)得到：
Figure FDA0003757725510000011
其中，L0为通过测量获得的膨胀土边坡顶点到水平地面上的投影点到边坡前趾的水平距离；
步骤S3中，土工编织袋梯形结构单元高度h的确定采用以下方法：单个土工编织袋的尺寸为40cm×40cm×10cm，当坡高边坡高度H＜4m，土工编织袋结构单元由三层土工袋构成，单元高h＝0.3m；当边坡高度H满足：4m＜H＜6m，土工编织袋梯形结构单元由四层土工袋构成，单元高h＝0.4m。
2.根据权利要求1所述的用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，其特征在于，步骤S2中：
用高度至少2cm的环刀在现场坡面均匀取样；选取三组土体试样分别在垂直应力σ为不同垂直压力下进行直剪试验，得到多个不同垂直压力下的剪切强度值τ，基于式(2)的莫尔-库伦强度准则：
τ＝σ·tanφ+c (2)
其中，σ为垂直应力；φ是为土体内摩擦角；c为土体黏聚力；
将不同垂直应力下得到的剪切强度值进行线性拟合，拟合直线的斜率即为土体内摩擦角的正切值tanφ，在y轴的截距即为土体黏聚力c。
3.根据权利要求2所述的用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，其特征在于，选取三组土体试样分别在垂直应力σ为100kPa，200kPa，400kPa下进行直剪试验，得到三种垂直压力下的剪切强度值τ。
4.根据权利要求1或2所述的用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，其特征在于，步骤S2中，将环刀切取的土样放置固结盒中，固结盒内倒入去离子水，土样有吸水膨胀趋势，观察竖向变形千分表，调整土样上部施加的荷载，使千分表度数不变，即土样体积不变，稳定24h后，根据土样上部施加的荷载计算施加的竖向应力即为土样的膨胀应力ps。
5.根据权利要求1所述的用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，其特征在于，步骤S4中，梯形结构单元上底的最小宽度L的计算公式如式(3)～(6)所示：
Figure FDA0003757725510000021
A＝αγtanφs (4)
B＝γdtanφs (5)
Figure FDA0003757725510000022
其中，γ是土体容重，tanφs是土工编织袋间的摩擦系数，φs＝2φ/3，φ是土体内摩擦角，d是单个土工编织袋的厚度，H是边坡高度，ps是土体膨胀应力，Ka是主动土压力系数，Ka＝tan2(45°-φ/2)，Ks是抗滑稳定安全系数，Ks≥1.5。
6.根据权利要求1所述的用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，其特征在于，土工编织袋梯形结构单元的设计坡度与膨胀土边坡一致，梯形结构下底尺寸L1的计算公式为：
L1＝L+h/α (7)
其中，h是土工编织袋梯形结构单元高度，L是梯形结构单元上底的最小宽度，L1是梯形结构单元下底尺寸；
根据设计尺寸确定构造土工编织袋梯形结构单元的编织袋各层宽度，除以单个编织袋宽度得到各层编织袋个数，不满整数的按整数计，计算各层编织袋个数进行取整时，向上取整。
7.根据权利要求1所述的用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元设计方法，其特征在于，该方法还包括确定土工编织袋结构单元的尺寸后，施工时以整个土工编织袋结构单元为一个单位进行施工。
8.一种用于膨胀土边坡防护的土工编织袋结构单元，其特征在于，采用权利要求1～7任一所述的方法得到。
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