Problemas de estabilidad de los taludes de los canales de loess

Muchas personas en China han realizado investigaciones sobre la estabilidad de las pendientes de corte de carreteras con loess. Los problemas de estabilidad de taludes de los canales construidos en loess son básicamente los mismos que los problemas de estabilidad de taludes cortados.

A través del análisis de los fenómenos de daño de taludes de canales construidos y cortes de carreteras, se puede ver que existen dos tipos de daño de taludes, a saber, la erosión de taludes causada por la escorrentía superficial causada por la precipitación atmosférica y el mal diseño. y construcción. La erosión de las pendientes se puede prevenir mediante medidas de construcción (generalmente los métodos de esmerilado y pulido son más efectivos). Si hay errores en el diseño, será difícil evitar daños por deslizamientos de tierra durante la construcción. Obviamente, para asegurar la estabilidad y confiabilidad del talud, se debe realizar un correcto diseño de la estructura del talud, es decir, se debe realizar una correcta predicción de la estabilidad del talud. Analicemos la predicción de la estabilidad de pendientes. La estabilidad de taludes mencionada aquí no incluye el problema del daño de talud causado por la erosión, sino que se refiere principalmente al daño de talud causado por deslizamientos de tierra. Hasta ahora, los métodos generales para estudiar la estabilidad de taludes se pueden resumir de la siguiente manera:

(1) Basado en la teoría del desequilibrio límite, se establece un método riguroso de análisis de mecánica matemática de ecuaciones de mecánica matemática: por Regin (1857 ) y desarrollado aún más por B.B. Sokolovsky de la ex Unión Soviética. Este método es teóricamente riguroso en mecánica matemática. Pero hasta ahora, no se ha desarrollado hasta el punto en que pueda reflejar plenamente las complejas características básicas de las capas naturales del suelo para resolver problemas prácticos, por lo que no se ha utilizado ampliamente en la práctica.

(2) Coulomb (1773) fue pionero en el método semiempírico de calcular las condiciones de equilibrio del suelo en pendiente asumiendo una superficie de ruptura. Muchos académicos continuaron estudiando y propusieron varias suposiciones sobre la superficie de ruptura. Su propósito es simplificar los métodos de análisis matemático y mecánico para su aplicación práctica. Debido a las diferentes propiedades de los suelos estudiados por los estudiosos, las hipótesis propuestas tienen grandes limitaciones en la práctica. Si en la práctica se adopta la suposición de la superficie de deslizamiento cilíndrica más ancha, ésta es adecuada para suelos plásticos, pero no para suelos frágiles y reológicos.

(3) De acuerdo con las condiciones de equilibrio límite, la antigua Unión Soviética propuso un método de análisis mecánico matemático que utiliza la superficie de ruptura como pendiente estable. A partir de sus principios básicos, es fácil ver que sus supuestos no son perfectos en sí mismos. En los fenómenos reales, se ve a menudo que la pendiente formada por la superficie de deslizamiento es inestable. Por tanto, no parece haber necesidad de continuar la investigación sobre esta hipótesis.

(4) Método de comparación de condiciones geológicas de ingeniería: es un método utilizado a menudo por ingenieros geólogos y personal técnico y merece atención. Sin embargo, a veces es difícil de aplicar porque las condiciones creadas por el hombre superan las condiciones naturales y de ingeniería existentes. Este método debe combinarse con otros métodos para tener un futuro brillante.

(5) Método de prueba modelo: aunque este método tiene una historia de 50 años, todavía se encuentra en la etapa de investigación, pero en principio es un método prometedor.

Como se puede observar de lo anterior, cada método tiene sus ventajas y desventajas. Por lo tanto, en la práctica, a menudo se utilizan varios métodos para comparar e investigar. Cabe señalar que cuando se trabaja con un determinado método, primero se deben comprender las condiciones aplicables de varios métodos; de lo contrario, será subjetivo y ciego. En el trabajo real, también debemos evitar el mosaico aleatorio.

Para resolver el problema de la estabilidad de la pendiente del canal de loess, adoptamos el segundo y cuarto método mencionados anteriormente para realizar la investigación, es decir, analizando los datos de estudio existentes sobre los fenómenos geológicos de ingeniería de la estabilidad de la pendiente de loess, Se desarrolló un método empírico para calcular la estabilidad de taludes de canales de loess y predecir la estabilidad de taludes de canales de loess. Además de investigar la estabilidad de la pendiente del Canal Loess, también investigamos las carreteras Tianlan y Lanyin construidas. Durante el estudio, se centraron en tres cuestiones: ① La estabilidad de los taludes en diferentes capas de loess; ② El modo de falla y la forma de la superficie de fractura de los taludes de loess; ③ Los fenómenos estructurales del loess, como las juntas estructurales, las juntas de columnas, etc., influyen en la estabilidad de los taludes.

La estabilidad de la pendiente del canal de loess construido se introdujo en el artículo "Investigación del canal" (ver "Trabajos seleccionados de Sun Guangzhong sobre ingeniería geológica"). Antes de discutir los principios y métodos de predicción de la estabilidad de taludes, se discuten los resultados de las investigaciones de estabilidad de taludes.

Los datos del estudio de cortes y pendientes de la carretera se presentan a continuación:

(1) El barranco de Tianlan Road está ubicado principalmente en el antiguo loess. Hay entre 10 y 20 m de loess nuevo en la parte superior de la antigua capa de suelo amarillo. La pendiente de corte de esta línea es generalmente de 1: 1,0, y algunas son tan pronunciadas como 1: 0,5.

No importa qué tipo de loess atraviese el camino, su coeficiente de pendiente es 1:1,0. Excepto por algunas secciones (como Lengshui Cha) que han sido dañadas por actividades de aguas subterráneas, el coeficiente de pendiente es. generalmente estable. Pero si la pendiente es más pronunciada, eso no es cierto. Algunos son estables; otros han sido destruidos.

Figura 12-1 Estabilidad de varios perfiles de pendiente representativos de Tianlan Road

Como se muestra en la Figura 12-1, el coeficiente de pendiente es 1:0,5 y la cima es de 20 m de nuevo Loess. , el fondo es de loess viejo. La altura total de la pendiente es de casi 60 m. La parte superior ha resultado dañada, pero la parte inferior aún está estable.

Cerca de la misma sección, el coeficiente de pendiente de corte es 1:0,75, lo que es seguro y estable sin daños.

(2) La sección de Dijiatai a Lanzhou de Lanyin Road tiene las siguientes tres situaciones (ver Figura 12-2):

A. 15 m Para cortes de caminos sin loes, el coeficiente de pendiente de 1:0,5 es inestable, pero el coeficiente de pendiente de 1:1,0 es estable.

Figura 12-2 Estabilidad del talud de corte de Lanyin Road (sección Lanzhou a Zhaijiatai)

b El talud de corte compuesto de loess antiguo es estable, con una altura de 1,5 ~ 20 m. El coeficiente de pendiente es 1:0,5. Cuando el coeficiente de pendiente es 1:0,75, la pendiente con una altura de 30 a 40 m también es estable.

C. Cuando la parte superior es de 10 ~ 15 m de loess nuevo, la parte inferior es loess viejo y el espesor del loess viejo es superior a 30 m, la parte superior adopta un coeficiente de pendiente de 1: 1,0, y la parte inferior adopta un coeficiente de pendiente de 1:0,5, no se encontraron daños en el talud. Por el contrario, parte del talud en el nuevo loess superior ha sido destruido (Figura 12-2b).

Cabe señalar que la mayor parte de los daños en la pendiente se producen en la nueva capa de loess, pero el loess antiguo en ocasiones se ve afectado por el loess nuevo superior y en ocasiones es destruido.

(3) Se han construido canales de loess de tamaño pequeño y mediano en el área de Yongdeng. Los siguientes tres conceptos se han extraído de los resultados del estudio: ① Cuando la nueva altura de la pendiente de loess es de aproximadamente 10 m para la construcción, si el coeficiente de pendiente es 1: 0,5, la estabilidad es diferente y el daño se produce principalmente en la parte superior de la pendiente. Las nuevas pendientes de loess con una altura superior a 10 m son inestables durante la construcción del coeficiente de pendiente de los antiguos canales de ríos de loess con una altura; de 30 ~ 35 m es 1:0,6 y no se encuentran daños (3) Cuando el canal pasa a través de la capa de loess con una superficie estructural, la superficie estructural se inclina hacia la ranura del canal cuando el ángulo de inclinación de la superficie estructural es. Más de 40° ~ 54°, a menudo se producen daños.

(4) Los resultados del estudio del canal Linxia Beiyuan muestran que cuando el coeficiente de pendiente de la construcción es de 1:0,5, la antigua pendiente de loess con una altura de 15 m es estable cuando la altura alcanza los 30 ~ 35 m, el coeficiente de pendiente; Es 1:0,6, que también es estable.

(5) Cuando el loess en el perfil natural tiene paredes columnares, la pendiente suele ser vertical. A menudo hay enormes montones de loess delante del acantilado, que probablemente se forman por el colapso del loess a lo largo de la pared vertical del perfil.

Durante el trabajo de campo, no solo investigamos la descripción general de la estabilidad de los taludes de loess, sino que también observamos el modo de falla y la forma de la superficie de fractura de los taludes de loess.

El modo de falla de los taludes de loess está determinado en gran medida por las características estructurales y estructurales del suelo. Hay tres formas de falla de los taludes de loess: ① Los taludes de loess homogéneos y microcapas (viejos y nuevos) a menudo tienen una cierta superficie de fractura cuando fallan. Cuando falla la pendiente, se desliza hacia abajo a lo largo de la superficie de la fractura; (2) Cuando falla la fisura estructural, el suelo cortado en bloques por juntas se desliza principalmente hacia abajo a lo largo de la superficie de la fisura; (3) Cuando falla la pendiente compuesta de loess de escisión columnar; , Principalmente causado por colapso y destrucción.

Durante el trabajo se encontró que cuando falla el talud de loess, existen tres tipos de superficies de fractura (Figura 12-3):

(1) La forma de la sección transversal está cerca de una línea recta. El ángulo de inclinación de la superficie de la fractura es principalmente de 65 ° a 70 °, y algunos son tan pequeños como 50 °.

Figura 12-3 Forma de falla del talud artificial de loess

(2) La fractura es una línea discontinua compuesta por dos líneas rectas, y el segmento de línea recta superior es mucho más grande que el segmento de recta inferior.

(3) Su superficie de fractura es una curva plegada compuesta por dos líneas rectas y una curva corta. La línea recta de arriba es mucho más grande que la combinación de las otras dos partes.

Generalmente, el ángulo de inclinación hacia arriba de las dos superficies de fractura anteriores (2) y (3) es de 60° ~ 80°, principalmente de 70° ~ 75°, y el ángulo de inclinación hacia abajo suele ser de 35° ~ 40°.

Existe un voladizo vertical en la parte superior de cualquiera de los tres planos de fractura mencionados anteriormente. La altura del voladizo varía según el tipo de loess. En términos generales, el loess nuevo es de 0,8 ~ 1,5 ~ 2,5 m y el loess antiguo es de 1,5 ~ 2,5 m. Según estudios reales, cuando la altura de la pendiente es inferior a 30 ~ 40 m, la proporción de la polilínea suavemente inclinada en la parte inferior. La parte del talud con superficie quebrada es muy pequeña, rara vez más de 1/4 o 1/5. Cuando un talud falla extensamente o involucra actividad de agua subterránea, la condición real de la superficie de falla es muy diferente. No hay mucha información sobre este tipo de superficie de fractura y no está muy clara. A continuación nos centraremos en la estabilidad de pendientes bajas.

Basándonos en el análisis de los datos de observación reales, llegamos a la conclusión preliminar de que la estabilidad de la pendiente baja de la depresión de loess se puede predecir asumiendo una línea recta o una superficie de ruptura plana.

En el trabajo de predicción, el diagrama de cálculo mecánico que se muestra en la Figura 12-4 se puede utilizar para calcular la estabilidad de la pendiente de loess: primero, suponiendo una determinada pendiente de pendiente, a diferentes alturas A, B, Make Supongamos superficies de fractura con diferentes ángulos de inclinación en C y verifique sus alturas máximas estables. Suponiendo que se utilizan varios coeficientes de pendiente para calcular la altura máxima de pendiente, se pueden obtener los datos que se muestran en la Tabla 12-1. Estos datos pueden usarse como estándares de diseño después de ser corregidos con datos empíricos (Tabla 12-2).

Figura 12-4 Diagrama esquemático para el cálculo de estabilidad de talud de loess

Fig. 12-5 Diagrama esquemático para el cálculo de estabilidad de talud de suelo heterogéneo

Loess. ingeniería de capas El índice calculado de propiedades es diferente en diferentes profundidades. Al calcular la estabilidad de los taludes de construcción, recomendamos que la solución se base en los supuestos de la Figura 12-5, es decir, suponiendo que la presión vertical sobre la superficie de la fractura es:

Principios de ingeniería geológica

La presión normal de Ni es:

Principios de ingeniería geológica

La resistencia al corte es:

Principios de ingeniería geológica

El esfuerzo cortante Si es:

Principios de Ingeniería Geológica

Entonces las condiciones de equilibrio del suelo en la pendiente se pueden expresar mediante la fórmula (14-5), es decir:

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En la fórmula: hi es el espesor de la capa de suelo con las mismas propiedades de ingeniería; γi es la gravedad natural en la capa de suelo hi es el ángulo de fricción interna de; la capa alta de suelo Ci es la constante de corte de la capa alta de suelo; se supone que el ángulo de inclinación de la superficie de fractura Li es la longitud de la superficie de fractura supuesta Li=hi/sinα, ci es la misma. Los anteriores son los principios y métodos para calcular la estabilidad de pendientes de loess homogéneas y microcapas.

Utilizando el método anterior, enumeramos los resultados del cálculo de la pendiente de construcción de canales de loess en áreas típicas de Longxi en la Tabla 12-1.

Tabla 12-1 Cálculo de la altura estable final de la construcción del talud del canal de loess en la región de Longxi

En la tabla, se selecciona loess nuevo γ = 12,8 ~ 13,0 kn/m3 y el antiguo loess w (agua) = 10, φ = 21, c = 22 kPa, γ = 13,5 ~ 65433. Como altura estable máxima se utiliza el coeficiente de estabilidad K=1,10.

En comparación con los datos anteriores, es obvio que los resultados calculados son generalmente consistentes con los datos obtenidos en la encuesta. Los datos de referencia del coeficiente de estabilidad de taludes para la construcción de canales de loess en el área de Longxi se muestran en la Tabla 12-2. La estabilidad de la pendiente no solo debe garantizar la estabilidad de los escalones, sino también la estabilidad de toda la pendiente. La estabilidad de la pendiente total está determinada por el coeficiente de pendiente secundaria, la altura de la pendiente secundaria y el ancho del escalón.

Tabla 12-2 Referencia de estabilidad de taludes del canal de loess en la región de Longxi

El loess nuevo y el loess viejo en la región de Longxi a menudo se superponen y acumulan, formando un perfil de suelo de doble capa. Cabe destacar la estabilidad del talud de este canal de loess de doble capa, es decir, cuando la antigua capa de loess es cubierta por la nueva capa de loess, la estabilidad del talud tiende a disminuir. Combinado con la distribución de loess nuevo en Longxi, se calculó la estabilidad de la pendiente de un perfil de suelo de doble capa con una nueva capa de loess de 10 a 15 m que cubre la antigua capa de suelo amarillo.

Los resultados muestran que si la parte superior de la nueva capa de loess adopta el coeficiente de pendiente última estable, y la parte inferior de la antigua capa de suelo amarillo adopta la pendiente última estable de una única capa de suelo de altura correspondiente (según la altura total) , entonces la pendiente del canal de loess del perfil de suelo de doble capa es inestable, es decir, su estabilidad tiende a disminuir.

Por lo tanto, se señala que en el caso de estructura de loess de doble capa, se debe prestar especial atención al estudio de su estabilidad durante los proyectos constructivos. En términos generales, si la parte superior adopta la pendiente última estable, la parte inferior debe adoptar una pendiente que sea más suave que la pendiente última estable de una sola capa de suelo a la altura correspondiente, o reducir la velocidad de la pendiente superior. El tipo de plan adecuado debe determinarse mediante comparación económica.

En el loess antiguo a menudo se desarrollan planos estructurales que se cruzan, lo que tiene un gran impacto en la estabilidad de las pendientes.

Cuando falla un talud de loess con una superficie estructural, el sistema de suelo del talud se desliza hacia abajo a lo largo de la superficie estructural.

En estudios de campo se encontró que cuando se destruye un talud compuesto por loess antiguo con una superficie estructural, el ángulo mínimo de inclinación de la superficie estructural cuando el suelo del talud se desliza a lo largo de la superficie estructural (Tabla 12-3). Cuando el ángulo de inclinación de la junta del canal inclinado es superior a 38° ~ 40°, la pendiente compuesta de loess antiguo que contiene grietas estructurales es propensa a fallar. La gravedad del daño del talud a lo largo de la superficie estructural no radica en el deslizamiento hacia abajo de pequeños trozos de suelo cortados por la superficie estructural del talud, sino en el hecho de que puede causar daños a gran escala al talud (Figura 12-6). ).

Tabla 12-3 Ángulo de inclinación mínimo de la superficie de deslizamiento de taludes antiguos de loess con superficies estructurales desarrolladas

Las juntas en loess antiguo generalmente están ligeramente cementadas. Sin embargo, debido a excavaciones, descargas, intemperismo y otras razones, a menudo se separan. Desde la perspectiva de la resistencia al corte del suelo, la constante de corte a lo largo del plano de la junta en este momento puede considerarse cero, y su resistencia al corte depende principalmente del ángulo de fricción interna.

Por lo tanto, según los resultados de nuestro análisis, se puede concluir que la relación entre la estabilidad de la pendiente de construcción del canal de fisura de loess y el ángulo de inclinación del plano de unión se puede simplificar a (12-10): p>

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En la fórmula: k es el coeficiente de estabilidad del talud; φ es el ángulo de fricción interna del loess a lo largo de la superficie de la junta; α es el ángulo de inclinación del; superficie de la articulación.

La fórmula (12-10) muestra que al excavar un canal en loess antiguo con fisuras estructurales, la estabilidad del talud tiene poco que ver con la altura del talud, sino que depende principalmente del ángulo de inclinación del talud estructural. plano de unión y las juntas de borde de loess. Relación entre el ángulo de fricción en el plano.

El loess viejo con juntas estructurales desarrolladas generalmente tiene una mayor resistencia al corte y no es raro que su ángulo de fricción interna alcance 35° ~ 40°. Además, las juntas están cementadas hasta cierto punto, lo que concuerda con las observaciones anteriores.

Por razones de seguridad del proyecto, al excavar zanjas en loess viejo con juntas estructurales, cuando el ángulo de inclinación de la superficie de ruptura es mayor que el ángulo de fricción interna del loess viejo a lo largo de la superficie de la junta, la pendiente el ángulo debe reducirse hasta que el viejo loess. El ángulo de fricción interna a lo largo de la superficie de la junta también se puede utilizar como refuerzo de anclaje, y la cabeza del anclaje interno debe pasar a través de la superficie de ruptura estructural hasta una cierta profundidad.

Figura 12-6 Fallo de talud causado por grietas

Figura 12-7 Diagrama esquemático de fallo de talud vertical con grietas columnares.

Figura 12-8 Diagrama esquemático para calcular la estabilidad de taludes de loess con juntas columnares

En general, las juntas columnares no se desarrollan en loess Longxi, mientras que las juntas columnares sí se desarrollan en loess Longxi .

En los estudios de campo, a veces vemos que los taludes de loess con fractura vertical a menudo colapsan. No es difícil ver que este fenómeno es causado por la destrucción del loess en el fondo de la columna de loess bajo el peso de la capa de suelo columnar suprayacente. Como se muestra en la Figura 12-7, la altura de la pendiente vertical del loess articulado columnar es h, y el peso propio de la capa de suelo suprayacente es γ, entonces la presión (q) que actúa sobre la capa de suelo subyacente es

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Suponiendo que la resistencia a la compresión libre del suelo del fondo es p, el coeficiente de estabilidad (k) de un talud de loess dividido verticalmente con altura h es

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Usando la fórmula (12-9) y métodos de prueba, se puede obtener fácilmente la altura máxima de pendiente que se puede mantener mediante loess dividido verticalmente. La falla de taludes verticales con juntas columnares ocurre principalmente cuando el loess en el fondo se sumerge en agua, por lo que P debe tomarse como la resistencia a la compresión libre del loess sumergido. Si un talud con juntas columnares se excava en loess, su estabilidad se puede analizar mediante el modelo mecánico que se muestra en la Figura 12-8. En este momento, la resistencia a la compresión del loess en la parte inferior de la junta columnar debe ser la resistencia a la compresión lateral.

Como se puede observar de lo anterior, la estabilidad de taludes en canales de loess es un problema muy complejo. Al evaluar la estabilidad de la pendiente de los canales de loess, sólo considerando exhaustivamente las características, la estructura y el desarrollo estructural de varias capas de loess y determinando el método de predicción correcto se puede predecir correctamente la estabilidad de la pendiente; de ​​lo contrario, se producirán consecuencias adversas.

Las pendientes de vaguada son generalmente pendientes bajas. Si encuentra una pendiente alta, puede utilizar el "método de análisis de estabilidad del suelo descrito en el Capítulo 4, Sección 2" para realizar el análisis de estabilidad, que no se describirá nuevamente aquí.