基于GeoStudio2004的膨胀土渠坡稳定分析——以南水北调东线徐州段为例

申　阳　侯婷婷　张　亮（北京市永定河管理处　北京　100065　沂沭泗水利管理局　徐州　221018南水北调东线总公司直属分公司　徐州　221010）

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基于GeoStudio2004的膨胀土渠坡稳定分析
——以南水北调东线徐州段为例

申阳侯婷婷张亮
（北京市永定河管理处北京100065沂沭泗水利管理局徐州221018南水北调东线总公司直属分公司徐州221010）

南水北调东线工程在徐州段存有混凝土基础，膨胀性多为弱—中等，局部较强。为确保工程安全运行，针对这一问题采取相应的工程措施，利用Geostudio软件中slope/w边坡稳定分析模块对膨胀土边坡进行分析,结果显示经过处理后的膨胀土边坡处于稳定状态。

南水北调东线工程膨胀土Geostudio软件slope/w模块

1　引言

膨胀土是一种典型的非饱和土，遇水膨胀、失水收缩，是胀缩效应十分明显的特殊黏性土。膨胀土具有多裂隙结构，膨胀、收缩、再膨胀的往复变形，在膨胀土地基上的建筑物，随季节气候的变化会反复不断地产生不均匀的上升和下沉，最终导致建筑物破坏。膨胀土的强度变化比一般黏性土要复杂，且更容易受到外界条件的影响。

从构成土体的矿物成份看，粘性土都具有一定的膨胀性，只有当其膨胀量超过某一范围并能对建筑物造成危害时，土的工程性质才具有一定的特殊性。从宏观条件分析，土的膨胀性与其初始含水量与膨胀后含水量的差值呈正比，与其天然密度呈正比。

从工程角度出发，只有在膨胀力大于建筑物荷载的情况下，膨胀才能对上部结构造成损害，因而膨胀力才是工程设计的控制性指标，其次是土体的膨胀和崩解速度。

2　工程概况

南水北调东线工程是国家战略东线工程（简称东线工程），是从江苏扬州江都水利枢纽提水，途径江苏、山东、河北三省，向华北地区输送生产生活用水的国家级跨省界区域工程。其中江苏省的膨胀土分布在徐州、宿迁以及淮安等地，因此膨胀土是东线工程需要面对和彻底解决的问题。

该地区膨胀土矿物成分主要包括蒙脱石、伊利石、高岭土、水针铁矿。根据土层和地段的不同，矿物成分存在一定的差别，灰白色的土样大多以伊利石和少量的蒙脱石为主，其次是高岭土和水针铁矿；黄色、褐色的土样则以伊利石为主，其次是高岭土和水针铁矿。一般灰白色土体的膨胀性大于黄褐色土体的膨胀性。结合X衍射和扫描电镜结果可以看出，伊利石、蒙脱石大多以混层矿物而存在，含量在54% ～70%，且主要表现为团粒集合体和絮状结构，这也是导致胀缩性不均匀的重要因素。

受到膨胀土的影响，为东线工程的安全稳定，对该地区膨胀土进行开挖。根据以往经验，膨胀性粘性土即使被挖置于地表多年，甚至进行了压实处理，其膨胀性基本不会改变，故不能作为填筑土料直接使用，采取换填土的方式或压实处理后混入石灰减弱膨胀性回填，可有效改良膨胀土基础。

3　GeoStudio理论基础

GeoStudio软件采用极限平衡理论，能够模拟多种类型或较为复杂的地基层等问题，使用随机性和确定性两种输入参数方法进行分析。slope/w是GeoStudio系列软件中最重要的一个软件之一，是边坡稳定性计算方面的专业分析软件。运用该软件能够采用多种不同的分析方法来分析边坡稳定问题，无论是复杂的还是简单的边坡都能在该软件的模拟下得出想要计算的结果。使用极限平衡理论，软件内置多种滑移面搜索法，可以进行边坡失效概率分析和参数敏感性分析。slope/w软件还可以应用有限元方法对大部分边坡稳定性问题进行有效的计算和分析。极限平衡分析法是边坡稳定分析的传统方法，通过安全系数定量评价边坡的稳定性，也因为安全系数的直观性，该软件被工程界广泛应用。

其分析过程是先根据经验和理论预设一个可能形状的滑动面，通过分析在临近破坏情况下，土体外力与内部强度所提供抗力之间的平衡，计算土体在自身荷载作用下的边坡稳定性过程。其概念简单明了，且在计算方法上形成了大量的计算经验和计算模型，计算结果也已经达到很高的精度。主要理论为Mohr-Coulomb准则，即力和力矩的平衡，公式为：

式中：τf—土体的抗剪强度；

c—粘聚力；

σ—滑动面的法向应力；

普遍极限平衡法把研究的对象是由一个超静定的问题转化为静定问题，认为力的两个方向的合力为零，并且把问题中所有的力绕着某一点形成的力矩之和看作为零，同时还必须假设某些力（条间力）的大小方向。条分法和土条的受力情况如图1所示。

图1　条分法及土条受力图

4　GeoStudio模拟分析

4.1构建模型

在slope/w模块中，以1∶20的比例构建边坡模型，将换填土与膨胀土各自成为一个区域，并将换填土和膨胀土的基本参数分别赋予两个区域，模型如图2。

图2　1slope/w边坡模型图

4.2边坡分析

结合《工程边坡设计规范》，采用有效应力对膨胀土和换填土边坡进行稳定性分析。施工初期自然状态下膨胀土边坡和换填土边坡的稳定性，根据该课题所提供的资料和渠坡边坡的实际情况，应用GeoStudio软件的slope/w模块进行建模分析，结果见图3。计算安全系数为1.893，表明此刻膨胀土边坡处于比较稳定的状态，根据每一条块受力分析结果和膨胀土边坡失稳的经验，坡脚处最有可能滑坡。

图3　Morgenstern-Price法边坡稳定分析图

5　结论与分析

该课题对南水北调东线工程徐州段膨胀土边坡稳定问题进行了分析，并选取典型试验段对膨胀土边坡进行了现场原型试验。为更好地对边坡进行稳定分析，该课题结合了GeoStudio软件slope/w模块，对试验段膨胀土边坡进行稳定分析，分析结果显示，该边坡处于稳定状态。

目前，对膨胀土边坡的研究并不完全透彻，所以课题中对膨胀土边坡进行的分析存在一定局限性，有必要继续完善。应用GeoStudio软件slope/w模块对膨胀土边坡进行稳定性分析，虽然可以准确判断渠坡自身的安全性，但是缺少土体变形前后的形态以及其随时间变化的微过程，需要更好、更立体的软件对其进行分析，使现象更加直观，分析更为透彻■