一种季冻区土质边坡维稳系统及施工方法与流程

1.本发明涉及岩土锚固工程技术领域，具体为一种季冻区土质边坡维稳系统及施工方法。


背景技术：

2.季冻区土质边坡失稳影响因素主要是：1、边坡的土质条件：细粒土组成的边坡较粗粒土组成的边坡更容易产生冻融失稳，特别是粉土、粉质粘土中，这是因为这类土具有较显著的毛细现象。粘性土虽然没有粉土的毛细作用强，但由于其含水量增加，土体的强度指标明显降低，因此，也容易产生边坡的冻融失稳；2、地下水的影响：季冻区斜坡土体含水量增加的主要原因之一就是在斜坡土体冻结的过程中，地下水通过毛细作用等方式向冻结区迁移，在冻结区内形成很厚的冰夹层.春季，冻结层首先从上部开始融化，融水在向下的渗透的过程中受到未融化层阻碍，造成融化层与冻结层接触部位含水量增加，土体强度降低，并产生地下水渗流。地下水的渗流产生动水力，其方向往往与土体的滑动方向相同，这就增大了斜坡土体的下滑力，减少抗滑阻力。因此，滑动面常常位于融化层与冻结层的交接部位。
3.3气候的影响：土质边坡冻融失稳受气候的影响，主要与年降雨量、年降雪量、气温下降速度等条件有关。降雨量大则地下水位升高，毛细作用加强，冻胀现象更加明显；降雪量较大，春季融化的积雪向地下渗透，造成斜坡土体的含水量的增加；气温骤降且冷却强度很大时，冻结速度很快，不易产生冻胀现象。
4.4、边坡的冻胀与融化作用：边坡的冻胀与融化是季节性冻上地区路堑边坡发生冻融破坏的主要原因。土质路堑边坡冻融失稳机理也两个方面：一是冻融循环作用下的重力侵蚀蠕动；二是冻结面下降形成的滑床作用。
5.5、 春融期冻融界面的存在：边坡的热融失稳现象主要发生在春季冻土的融化期，其主要原因是由于边坡土体上部开始融化，但其下部土层仍然处于冻结状态，在冻融结合部形成润滑面，且该界面处土层含水量较大，界面强度较低。
6.上述因素中，冻融界面的危害最为明显。春融期，土质边坡内部冻结与融化土体之间存在一个深度随外界温度等环境因素发展变化的冻融交界面，该界面的土体处于富水化状态，该界面强度明显低于坡体内部其他断面，且有隔水的作用，导致土的融化水分无法继续向下渗透。该界面恰恰构成高寒地区土质路堑边坡发生滑塌破坏的薄弱界面。
7.随着上层土体的粘聚力及内摩擦力不断减少，损伤到一定程度时，坡面处于临界坡度，上层融化的土体就会沿冻融界面土层方向向下滑动，将产生边坡顺层失稳破坏，这时滑动面一般呈直线状。
8.冻融界面的存在，使得土质边坡在经历冻融循环后发生冻融失稳破坏的现象较为普遍，严重威胁着公路运营的安全性，也为提高公路的建设质量与服务水平埋下一定的隐患，浅层滑塌已经成为土质路堑边坡结构在春季融化期的常态化病害，单纯的植物护坡或简单的坡面防护，已经无法保证边坡的整体稳定。


技术实现要素：

9.本发明为了解决季冻区土质边坡冻融界交界面附近土层的富余水分无法排除降低边坡的稳定性，发生冻融浅层失稳破坏的问题，提供了一种季冻区土质边坡维稳系统及施工方法。
10.一种季冻区土质边坡维稳系统包括植被层、防护网、生态袋层、砂浆层、卷材防水层和挡墙，边坡的内部旋挖灌注形成抗滑桩，且边坡的坡面铺设挡墙，挡墙上坡面铺设卷材防水层，且在卷材防水层上方浇筑砂浆层，同时砂浆层倾斜面上压制有生态袋层，生态袋层上的倾斜坡面上设置有防护网，并且在防护网上方设置植被层，植被层上开设有交错的排水沟，防护网、生态袋层、砂浆层、卷材防水层、挡墙和边坡内部穿置有内高外低的中空锚杆，且中空锚杆自由端深入到边坡内部，并且中空锚杆的自由端开设有透水孔，中空锚杆前端墙体上滑动安装有保温结构。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明中在边坡表面与地下一定埋深基岩间增设中空锚杆实现排除土坡内部富余水分，且中空锚杆结合抗滑桩挡墙能够加强边坡冻融界面附近的强度和边坡结构的整体性。本发明能有效提高道路边坡，尤其是土质路堑边坡的稳定性，进而提升道路服务水平，保障行车的安全。
附图说明
12.图1为本发明整体结构示意图；图2为本发明中空锚杆的结构示意图；图3为本发明保温结构的示意图；图4为本发明排水沟与植被层结构示意图。
13.图中：1、植被层；2、防护网；3、生态袋层；4、砂浆层；5、卷材防水层；6、挡墙；7、中空锚杆；71、破土支撑块；72、充气囊；73、吸水块；8、保温结构；81、保温挡板；82、保温板放置槽；83、条形凹槽；84、旋转轴杆；9、抗滑桩；10、边坡；11、排水沟。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.具体实施方式一：如图1所示，季冻区土质边坡加固及排水抗滑系统包括植被层1、防护网2、生态袋层3、砂浆层4、卷材防水层5和挡墙6，边坡10的内部旋挖灌注形成抗滑桩9，且边坡10的坡面铺设挡墙6，挡墙6上坡面铺设卷材防水层5，且在卷材防水层5上方浇筑砂浆层4，同时砂浆层4倾斜面上压制有生态袋层3，生态袋层3上的倾斜坡面上设置有防护网2，并且在防护网2上方设置植被层1，植被层1上开设有交错的排水沟11，防护网2、生态袋层3、砂浆层4、卷材防水层5、挡墙6和边坡10内部穿置有内高外低的中空锚杆7，且中空锚杆7自由端深入到边坡10内部，并且中空锚杆7的自由端开设有透水孔，中空锚杆7前端墙体上滑动安装有保温结构8。
16.进一步的，结合中空锚杆的出水口位置，布置排水沟11，坡面排水沟11采用布设菱形网状结构，对应中空锚杆出水口进行布设，保证坡面排水顺畅，中空锚杆布设依据地理条件情况进行合理布设，必要时进行加密设置。
17.本实施方式中采用坡面排水、坡内加固排水、坡体防护网的综合防护体系，其中坡内加固排水工艺，在边坡表面与地下一定埋深基岩间增设中空锚杆，结合抗滑桩挡墙，排除土坡内部富余水分，加强边坡结构破坏界面附近的强度和边坡结构的整体性，应用双重边坡稳定结构实现了边坡维稳。
18.进一步的，植被层1为交错设置的植草砖，其可以防止边坡形成单一方向的滑落，并且植草砖之间的排水沟可以减缓水体流速；植被层底部设置生态袋，增加植被的生长深度，并且可以通过植被的生长将生态袋连接形成一个整体，并且生态袋可以有效的保护底部的防水层，避免植物根系刺破防水层。
19.具体实施方式二：如图2所示，所述中空锚杆7包括杆体、破土支撑块71、充气囊72和吸水块73，杆体的自由端上四周均匀开设有四排透水孔，所述中空锚杆7前端的底排透水孔内部安装有破土支撑块71，且侧面的两排透气孔以及顶排的透气孔内部均安装有吸水块73，且杆体的腔体内部放置有充气囊72。本实施方式通过充气囊72使得吸水块73与孔壁的土壤接触，以及破土支撑块71深入土壤中，浇筑后吸水块与土壤接触更好的吸水，并且破土支撑块71深入土壤更加稳固。
20.中空锚杆7能够排除坡面内部一定深度的水分，以及提高坡体内部的界面强度。该结构如图2所示，管壁选用镀锌防锈钢管，将中空注浆锚杆体加工成内外表面均为全螺纹，且壁厚均匀一致，使锚杆抗剪强度一致，从而延长锚杆使用寿命，中空锚杆将锚杆和排水管的功能合二为一。中空锚杆自由端开设有透水孔，水体更容易渗透到锚杆腔体内部，便于排放坡内水分，使锚杆实现了排水的功能，通过冲气囊使得吸水块与孔壁的土壤接触，以及破土支撑块深入土壤中，浇筑后吸水块与土壤接触更好的吸水，并且支撑块深入土壤更加稳固，提高了边坡的稳定性，避免了锈蚀的危险，达到对边坡结构长期支护的目的。
21.在春融初期，边坡上面覆盖的积雪不停融化并下渗，同时，开挖边坡上方自然地面的积雪融化也增加了土坡内部的水源补给，导致边坡表层土体的水分来不及蒸发从而呈潮湿的状态。此时边坡深部土体仍然处于冻结状态，融化的土体和冻结的土体之间有一个过渡界面，该冻融截面的抗剪强度很低，容易发生滑移，称之为冻融界面。冻融界面有隔水的作用，导致土的融化水分无法继续向下渗透。随着上层土体的粘聚力及内摩擦力不断减少，损伤到一定程度时，坡面处于临界坡度，上层融化的土体就会沿冻融界面土层方向向下滑动，将产生边坡顺层失稳破坏，这时滑动面一般呈直线状。
22.随着气温不断升高，在第一层融化的土体滑下后，它下面冻结的土体仍会不断融化。当达到一定融化深度时，又会发生与第一次相同的失稳滑坍破坏，直到边坡达到整体稳定为止。
23.本实施方式中设置的中空锚杆7在护坡中解决了上述问题，该锚杆作用如下：1、缝缀作用，锚杆上设置有伸出的破土支撑块71，注浆后一部分深入土壤中的破土支撑块71和水泥砂浆结合，注浆将原本松散的土体或者破碎的岩体缝缀成整体，使其强度得到提升，而伸出的破土支撑块71增加附着力，整体稳定性得到保障。2、拉栓作用，锚杆结构穿过潜在滑移面即融化层与冻结层的交接部位，在此滑移面上增加了正应力，从而起到了拉栓作用，不
稳定岩层起到了支撑的效果。3、内压作用，对于边坡开挖后浅部岩土体一般会向临空一侧发生侧向位移，这时锚杆结构与周边岩土体之间摩擦力提供了横向压力抵抗这种侧向位移，一定程度上限制岩土体的变形。
24.边坡锚固是将锚杆埋置于预钻孔中，一端固定在滑动面或潜在滑动面(融化层与冻结层的交接部位)内的稳定岩体中，另一端固定在边坡上，而锚杆上伸出的破土支撑块71增加与不稳定土壤的附着力，和与稳定土壤的支撑力。一方面，锚杆将表层不稳定岩体钉在深部的稳定岩体上；另一方面锚杆与结构面斜交，砂浆填充锚杆孔与锚杆之间的间隙；当结构面错开移动时，锚杆可防止岩体沿最不利滑动面滑动，起到剪切防滑作用。锚杆使岩体直接受外力作用，使岩体处于双向应力状态的高围压下不稳定滑动，锚杆配合注浆形成柱体结构，而侧面凸起的支撑块像树木根系一样增加土壤的整体性，增强了滑坡的整体性，抑制了变形，也相应提高了岩土的力学性能。同时，锚杆加固直接改变了滑移面的受力状态。
25.进一步的，破土支撑块71为硬质的金属材质构成的t型柱体结构，且破土支撑块71前端为弧形限位板；所述吸水块73为可溶性硬质吸水材料构成的t型柱体结构，吸水块73前端为弧形限位板。吸水块73为可溶性硬质吸水材料能够形成孔洞，水体更容易渗透流动到锚杆内部，更为适合春融期冻融界面排水。
26.所述吸水块73为也可以为不可溶性硬质吸水材料构成的t型柱体结构，不可溶性硬质吸水材料能够更好的防止泥沙进入到锚杆内部。
27.具体实施方式三：所述中空锚杆7的倾斜角度为15
°
—30
°
。此结构保证出水的通畅。中空锚杆倾斜角度，保证出水的通畅。将出水排到坡脚附近排水沟，进而实现坡内水分快速排除。
28.具体实施方式四：所述保温结构8包括保温挡板81和保温板放置槽82，且保温挡板81上端两侧设置有旋转轴杆84，且保温挡板81安装在保温板放置槽82内部，并且保温板放置槽82能够在保温板放置槽82内部上下滑动，同时保温挡板81上端设置的旋转轴杆84安装在保温板放置槽82中部开设的条形凹槽83内部。保温挡板81能够上下滑动，可绕着轴杆84转动，水冲下不影响水体的正常流动，锚杆出水口采用保温措施，减少涎流冰现象产生，并且可以起到挡风的效果，减少出水口的空气流动，水体蒸发少，较少结冰。
29.具体实施方式五：所述保温挡板81采用硬质的泡沫材质构成，且保温挡板81下端设置有水平底板，并且保温挡板81下方的底板底部为弧形结构，同时保温挡板81遮挡在中空锚杆7前端的出水口位置。此结构使得保温挡板漂浮在水体表面，水冲情况下不影响正常的转动，避免遮挡排水。
30.具体实施方式六：所述防护网2通过十字扣压件将钢丝绳拼接而成，钢丝绳为热镀锌高强度钢丝绳。采用热镀锌高强度钢丝绳为主要材料，具有高韧性、高防护强度、易铺展性等优点，充分考虑到冻融循环作用时，边坡表面存在大量自由水，且在积雪融化过程中，常规防护网会产生锈蚀、钢丝绳失效等情况，如图3所示。其防护区域内可以充分的保持土体的稳固，通过人工实施植草、植树的绿化作用，加强了边坡结构的整体性。同时，相对于传统的坡面加固网，本发明通过十字扣压件将钢丝绳拼接在一起，使参与的安装设备、工程材料、施工人员充分减少，实现了降低成本，提高了边坡加固工作的效率。防护区域内可以充分的保持土体的稳固，通过人工实施植草、植树的绿化作用，加强了边坡结构的整体性。
31.具体实施方式七：所述生态袋层3采用的生态袋为普通土工编织袋，并且在编织袋
间隙填充石子。此结构保护防水层。
32.具体实施方式八：所述挡墙6和边坡10内部的抗滑桩9通过内置钢筋框架浇筑为整体结构。形成抗滑桩挡墙，当结构面错开移动时，抗滑桩挡墙可防止岩体沿最不利滑动面滑动，起到剪切防滑作用。抗滑桩挡墙使岩体处于双向应力状态的高围压下不稳定滑动，增强了滑坡的整体性，抑制了变形，也相应提高了岩土的力学性能。大大提高了边坡结构的春融期稳定性。
33.具体实施方式九：施工步骤为：第一步、坡面整平：按照边坡坡度、基础高程等数据设固定的样板挂线，清刷表面松散土层及浮土，填补坑凹并拍实使坡面平整，土基的压实度应与同层路基土压实度相同，以免下沉而使砌体产生裂缝，影响砌体的整体稳定性；第二步、支护抗滑桩施工：第一级碎落台，3m位置浅桩直径为1m，桩长为4m，中心间距4m，完成支护桩施工，抗滑桩工程采用旋挖灌注桩，钢护筒支护，人工绑扎钢筋笼，分段运输和吊装钢筋笼，桩芯现场连续浇注；第三步、护坡挡墙施工：以支护抗滑桩为基层，桩基顶面3m高钢筋混凝土挡墙，进入坡面第一级3m护面墙，进入坡面第二级6m护面墙，进入坡面第三级5m护面墙；第四步、中空锚杆施工：选定锚杆布设部位，按计算结果选定锚杆长度，确定孔深度，钻孔，安置锚杆，锚固处理；其中锚杆的上下排垂直间距不宜小于 2m；水平间距不宜于 1.5m；锚杆锚固体上覆土层厚度不宜小于 4m。锚杆的倾角宜为 15
°
～30
°
，且不应大于 45
°
。采用中空锚杆的边坡防护段，锚孔的直径均为 90mm，倾角 20
°
。
34.其中 锚孔定位偏差不宜大于 20mm；锚孔的偏斜度不应大于 5%；钻孔深度超过设计长度应不小于 0.5m；内部设置的充气囊72充气，将锚杆放置在钻孔内部之后对充气囊72进行二次充气，使得吸水块73前端接触孔表面土壤，同时破土支撑块71深入到土壤中，锚杆将表层不稳定岩体钉在深部的稳定岩体上；锚杆与结构面斜交，砂浆填充锚杆孔与锚杆之间的间隙；第五步、坡面排水系统施工：将防水卷材铺设在挡墙6的表面，之后在卷材放置浇筑一层砂浆层4，并且砂浆层4凝固后将生态袋均匀堆积在砂浆层4上，同时在生态袋之间填充砂石找平之后在上方铺设防护网2，并且在防护网2上方放置植草砖，并且在植草砖之间设置排水沟11，根据边坡的坡向，安排边沟的走向，充分考虑中空锚杆位置，测量好标高，控制好截水沟的坡度，让坡面的雨水全部流向截水沟，保证自由水不浸泡边坡，用m7.5水泥砂浆砌筑，保证沟底不渗水，并且每30m设置伸缩缝，抹灰前将砌体充分淋透；第六步、中空锚杆的保温安装施工：在中空锚杆出水口处设置滑槽，并且在滑槽内部安装保温结构8。
35.施工后坡体沉降、变位观测挑选k1600+000～k1600+320段边坡的2个典型断面，在每个断面设置3个监测桩，本段落共计设置 6个监测桩，施工结束后连续监测 6 次，其监测结果如下。
36.沉降、水平变位观测成果及分析本次沉降及水平变位观测，观测期为半年，前两个月内，观测频率为15d，观测结果见表1和表2。经过观测，采用本结构以及施工技术的边坡加固结果，可满足工程稳定性要求，取得了良好的效果。
37.表1边坡沉降变位观测表（单位：mm）表2边坡水平变位观测表（单位：mm）尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。