干湿循环效应对膨胀性土边坡稳定性影响分析

2018-02-14李鹏宇唐中军

山西交通科技 2018年6期

李鹏宇，唐中军

（1.山西省公路局大同分局，山西大同 037000；2.无锡地铁集团有限公司，江苏无锡 214131）

膨胀土是一种特殊土体，其矿物组成中包含蒙脱石和伊利石，这两种矿物均有较强亲水性[1]。膨胀土具有以下显著的特性：由于地质运动产生的地应力以及节理面；由于对水的敏感性产生的裂隙性、膨胀性等。膨胀土边坡经常产生失稳破坏，已成为工程建设中的一大危害，出现在道路边坡中，一旦出现病害，维修费用高且容易出现交通事故[2-3]。膨胀土在我国的广西、河南、安徽、江苏等20多个省（区）都有广泛的分布，总面积在10万km2以上[4]。我国膨胀土分布区生活着3亿人口，膨胀土每年带来的经济损失高达150亿美元，在西部部分地区尤为严重[5]。因此膨胀土是一种典型的“问题性”土，由此引起的大量破坏使膨胀土成为人们关注的特殊土体。国内外学者对膨胀土边坡干湿循环效应作了大量研究。

Alonso[9]研究得出膨胀土试样的胀缩变形分为两部分：微观结构变形和宏观结构变形。李雄威等[10]发现膨胀土在达到饱和状态后，膨胀过程依然在进行当中，并且持续时间较长。池育源等[11]通过直剪试验验证了膨胀土在干湿循环作用下的裂缝情况，并通过测试确定了膨胀土稳定剂的掺入量。

王栋等[12]对考虑强度各向异性的边坡稳定进行有限元分析，说明了ABAQUS有限元数值模拟在评价成层边坡稳定性时的正确性。

1 依托工程概况

本工程地理位置位于安徽省合肥市蜀山区小庙镇窦小郢，紧邻G312（南侧）（桩号K40+700—K42+200），地面高程32～37 m，河道挖深20～24 m左右，边坡上部为膨胀土，下部为泥质粉、细砂岩-泥岩。

河道工程：该段桩号为K40+700—K42+200，共计1.5 km。

拟建河道工程设计方案：设计标准为限制性Ⅱ级航道，断面采用梯形断面，河道底宽60 m，底高程13.4 m，设计洪水位25.53 m，最高通航水位23.86 m，最低通航水位17.4 m；每6 m设一级边坡平台，一级平台宽4 m，二级平台宽8 m，三级平台宽3 m，渠道坡顶设13 m宽管护道路；渠道边坡高度大于20 m，土质和全-强风化砂岩边坡坡率1∶2、中等风化砂岩边坡坡率1∶2。试验段两端边坡坡率1∶3.5，每6 m设一级边坡平台，平台宽4 m。支护方式：从上至下依次采取生态护坡防护、水泥土覆盖隔离等措施；在下层岩基部分增加锚筋加固；在渠底采取现浇混凝土防护。试验研究结束后，根据设计断面对渠道进行扩挖，使其与上下游渠道衔接。

2 数值计算模型

根据本区膨胀土的工程特性，将膨胀土在深度方向上分为“大气影响带”和“非影响带”。即大气影响深度以上的土层为“大气影响带”，大气影响深度以下的土层为“非影响带”。“大气影响带”内土体经受反复干湿循环，胀缩裂隙发育，土体的整体性遭到破坏，表层常被微裂隙分割成散体状结构，易产生浅表型胀缩变形破坏。“非影响带”内基本不受大气环境影响，由于膨胀土的超固结性和微透水性，使其一般呈非饱和状态，为典型的非饱和土。土体渗透性微弱，为不透水层，孔洞及虫孔不甚发育，结构紧密。

有限元计算模型中的膨胀性岩土体参数取值如表1，表中参数均为试验工程现场试验测得。其中抗剪强度参数是通过膨胀性岩土的三轴试验和直剪试验得出。弹性模量是通过膨胀性岩土饱和样三轴试验中不同围压下线弹性阶段的弹性模量得出。

表1 膨胀性岩土体参数取值

根据《膨胀土地区建筑技术规范》[13]中的规定，由土的湿度系数来确定本区大气影响深度，而大气影响急剧层深度为大气影响深度的0.45倍。针对试验工程的实际情况，本区大气影响深度3.2～3.4 m，大气影响急剧层深度1.4～1.5 m。本文数值模拟采用大气影响剧烈层深度1.4 m，大气影响深度3.2 m。根据工程现场试验，得出膨胀土体各次干湿循环对应的强度指标，如表2所示。

表2 各次干湿循环对应强度指标

数值模型将膨胀土边坡分为3层。上层为大气影响急剧层，厚度为1.4 m；中层为大气影响过渡层，厚度为1.8 m；上层和中层合称为大气影响层，厚度为3.2 m；下层为非大气影响层。上层上覆压力小，受大气影响剧烈，裂隙充分发育，强度充分衰减，因此上层的强度参数可选取各次干湿循环后的强度参数。但是，干湿循环效应对膨胀土的作用还应受应力状态等影响，中层土体由于上覆压力、土质类型等因素的影响，裂隙开展程度不充分，强度衰减也不充分，因此可用影响率n来反映上覆压力、土质类型等因素的不同对中层土体强度的影响，影响率越高，中层土体受干湿循环影响越大，中层土体强度参数越接近上层。下层由于深度较深，上覆压力较大，所以不受干湿循环的影响，强度参数取土体初始强度值。

上层强度指标S上=Si，中层强度指标S中=(1-n)·S0+n·Si，其中 S 为强度指标，i为干湿循环次数，n 为影响率。

根据公式，算得各次干湿循环下不同影响率所对应的中层土体强度参数，中层土体强度参数与影响率关系如表3所示。

由于沿河道方向边坡断面的大小和形状基本不变，故选择桩号J42+300断面为代表断面进行建模。开挖边坡每6 m设一级边坡平台，一级平台宽4 m，二级平台宽8 m，三级平台宽3 m；渠道边坡高度大于20 m，一级斜坡坡率为1∶2，二级斜坡坡率为1∶3，三级斜坡坡率为1∶3，四级斜坡坡率为1∶4；河底宽度为10 m。整个试验段分布有膨胀土，边坡表层受干湿循环作用。模型示意图如图1所示。荷载为边坡本身的重力，边界条件为限制模型两侧边界水平方向的位移及模型底部水平和竖直方向的位移。模型有两个分析步，load和reduce分析步，load分析步施加21.8 kPa的体力，reduce分析步中对膨胀土体进行强度折减；有限元的单元类型采用CPE4（四节点平面应变单元）；本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型；采用非关联流动法则，剪胀角均为0°；不考虑渗流的影响。

3 计算结果分析

3.1 稳定性分析

图2为各次干湿循环下边坡安全系数与影响率关系图，安全系数由强度折减法所得。根据图像，总体上，干湿循环次数越多，边坡安全系数越小；同一干湿循环次数下，影响率越大，边坡安全系数越小。

图2 各次干湿循环下边坡安全系数与影响率关系

干湿循环次数不同时，边坡安全系数随影响率的变化趋势略有不同。当干湿循环次数较小为1、3时，安全系数随影响率的增大经历先平缓后剧烈的过程，在影响率为0～0.6时变化较为平缓，在影响率为0.6～1时变化较为剧烈；当干湿循环次数较大为5、7、10及无数次时，安全系数随影响率的变化同样经历先平缓后剧烈的过程，不同的是，在影响率0～0.8时变化较为平缓，在影响率0.8～1时较为剧烈，且剧烈程度相对于低次干湿循环较轻。

干湿循环次数不同，边坡安全系数受影响率变化而变化的幅度也不同。当影响率为1时，各次干湿循环安全系数的下降幅度见表4。干湿循环次数越少，影响率为1时边坡的安全系数下降幅度越大，最大达到了34.05%，最小为22.35%。

表4 边坡安全系数变化幅度表

3.2 滑动面分析

膨胀土边坡产生滑动的原因，是由于边坡自身重力会使土体产生下滑力，当土体抗剪强度无法抵抗土体的下滑力时，边坡就会产生滑坡。

图3为原边坡位移等值线云图，表5、表6、表7为不同干湿循环次数不同影响率下的边坡位移等值线云图，选取第1、3、5次干湿循环作为典型，其余干湿循环次数的位移等值线云图与第5次干湿循环类似，不再列举。以上均云图为采用强度折减法计算所得。

图3 原边坡位移等值线云图

1次干湿循环时，随着影响率的增大，边坡滑动面深度逐渐变浅。但相对而言，当影响率为0～0.6时，滑动面深度依然较深，与原边坡滑动面类似，属于深层滑动；当影响率为0.8～1时，滑动面处于“大气影响过渡层”底部，滑动深度处于浅层与深层之间，为较浅层滑动。1次干湿循环时，当影响率为0～0.6时，上层土体强度虽衰减，但依然相对较大，能够承受上层土体的下滑力，中层土体强度也相对较大，能够承受上、中层土体的下滑力，下层土体强度不能够承受整体边坡的下滑力，所以滑动面产生在下层，为深层滑动；当影响率为0.8～1时，中层土体强度进一步减小，已不能承受来自上、中层土体的重力沿坡面向下的分力，所以产生滑动，滑动面位于“大气影响过渡层”底部。

表5 1次干湿循环不同影响率对应位移等值线云图

表6 3次干湿循环不同影响率对应位移等值线云图

3次干湿循环时，当影响率为0～0.6时，滑动面处于“大气影响剧烈层”底部，为浅层滑动；当影响率为0.8～1时，滑动面处于“大气影响过渡层”底部，滑动面深度处于深层与浅层之间，为较浅层滑动。3次干湿循环时，当影响率为0～0.6时，上层土体强度较小，不能承受上层土体的下滑力，中层土体强度相对于上层较大，可以承受上、中层土体的下滑力，所以产生了浅层滑坡；当影响率为0.8～1时，上层、中层土体强度均较小，不能承受上、中层土体的下滑力，所以产生了滑动面位于“大气影响过渡层”底部的滑坡。

表7 5次干湿循环不同影响率对应位移等值线云图

5次干湿循环时（7至无数次干湿循环类似），当影响率为0～0.8时，滑动面位于“大气影响剧烈层”底部，为浅层滑动；当影响率为1时，滑动面位于“大气影响过渡层”底部，滑动面深度处于深层与浅层之间，为较浅层滑动。5次干湿循环时，当影响率为0～0.8时，上层土体强度较小，中层土体强度相对于上层较大，上层土体强度不能够承受上层土体的下滑力，所以产生了浅层滑坡；当影响率为1时，上层、中层土体强度均较小，不能承受上、中层土体的下滑力，所以产生了滑动面位于“大气影响过渡层”底部的滑坡。