土工格栅柔性支护处治膨胀土路堑边坡的理论与方法研究

路堑边坡滑坍是膨胀土地区最严重、最易发生且最难治理的地质灾害。而残积型膨胀土不仅分布广,也是工程性质最差的一类膨胀土，由于其不良的工程特性和残余结构，路堑开挖时结构效应和干燥活化效应极其显著，导致边坡强烈破坏和反复破坏，给公路建设带来巨大的经济损失和严重的生态环境灾害。传统的刚性支护处理这类边坡不仅耗资费时且往往不能凑效，而成功治理宁明膨胀土边坡滑坍的土工格栅加筋柔性支护技术能可靠、经济且环保的解决这一工程难题，但目前对其处治机理、加筋理论尚不清楚，设计计算方法还不成熟。为此，本项目以我国南亚热带地区的残积型膨胀土为研究对象，从工程地质特征入手，研究边坡开挖效应及其破坏规律，验证柔性支护方法的有效性；通过土性、现场监测和室内模型模拟及大型拉拔试验，分析研究得出土工格栅加筋柔性支护的"框箍"作用机理，并通过数值模拟计算优化设计方案，为这种新技术的推广应用提供理论基础和设计方法。

本研究选取广西百色、南宁在建高速公路残积型膨胀土分布段路堑开挖施工现场，开展边坡变形、坍滑演化过程跟踪观测，通过精心设计的大量室内常规剪切、非饱和土三轴、大型拉拔仪对膨胀土中加筋拉拔、加筋与素膨胀土边坡的离心模型对比试验，以及在校内修建足尺膨胀土堑坡实体模型开展模拟干湿循环的对比试验，并运用Geostudio有限元、Flac有限差分数值分析软件系统研究了残积型膨胀土路堑边坡的破坏机理、土体开裂规律及土工格栅加筋柔性支护的作用机理，取得如下成果：1.膨胀土边坡坍滑多为浅层破坏（深度小于2.5m），滑裂面上土体正应力小于50kPa，针对该特点，开展了考虑低应力条件的抗剪强度试验，发现饱和膨胀土固结排水的抗剪强度具有明显的非线性特征，分析并获得符合工程实际的膨胀土抗剪强度参数，得到只有用考虑强度非线性的Geoslope极限平衡法做堑坡稳定性分析的结果能与浅层破坏的现状吻合；2.运用FLAC模拟边坡开挖过程并结合现场观测，首次提出开挖膨胀土边坡坍滑的四阶段演化规律：①开挖成型初期的卸荷回弹变形但整体稳定阶段；②坡面岀露、结构整体性破坏和表面微风化阶段；③雨水入渗，土体强度降低，干湿循环风化层向内发展，边坡浅层坍滑阶段；④多次干湿循环作用后坡体牵引式滑坍破坏阶段；并总结提出路堑边坡施工时进行柔性支护的合适时机；3. 实施土工格栅反包加筋的柔性支护能较好地抑制膨胀土中裂隙的发育发展，使边坡体形成为一整体，有效抵御外界环境干湿循环的作用，大大减小坡面位移及土中剪应力且使其分布更为均匀合理，起到了良好的“框箍”作用；4.需继续开展大型足尺模型试验与监测，获得干湿循环作用在加筋与未加筋膨胀土边坡体内含水率、应力应变等响应的对比资料，同时系统开展加筋与未加筋边坡的离心模型试验结果分析并继续进行自研土壤竖、径向膨胀力测试仪试验测得大量数据，进一步分析得到柔性支护的整体效果及其优化设计方法（加筋间距和长度等），提出一套较完善的理论，圆满完成项目研究既定目标。