砂砾石填筑中小河流河道边坡稳定性分析

赵明钰

(河北省承德水文水资源勘测局，河北 承德 067000)

0 引 言

随着中国经济的高速发展，工程建设项目不断增多，涉及红黏土的分布区域与应用也越来越频繁。如道路建设中红黏土分布区域路基工程的黏土填料和水工建设中土石坝工程的黏土心墙。但红黏土具有高含水率、高塑性指数、低压实性以及容易收缩开裂等特殊工程特性，一般不能直接应用于工程建设，需要进行一定的改良。改良方法有很多，其中通过向黏土中掺入不同的物质来改良某些工程特性比较常见[1]。

掺砾黏土由黏土料和砾石料掺和而成，通过掺砾，一方面可提高土料的变形能力，另一方面也可以提高其抗裂性能，因此掺砾黏土在填筑材料中得到了越来越广泛的应用[2-5]。

本文通过在红黏土中掺入砂砾石，通过室内试验，选择合适的配比材料，分析填筑材料的工程性质，利用极限平衡法和有限元强度折减法分析掺砾黏土填筑后不同工况下坡体的稳定性。

1 模型的建立及模型参数

该研究模型为某在建的中小河流水利枢纽工程，所建水利枢纽位于第四系全新统崩坡积层覆盖层上，局部崩坡积层下伏第四系上更新统冲积层，覆盖层以下为志留系下统小河坝组砂岩。第四系全新统崩坡积层主要为崩积、坡积的灰岩、粉砂岩块(碎)石含黏土。土体中块、碎石含量30%～60%，多呈次棱角状，表层局部残留少量河流冲积砂卵石、漂石，下部局部含有页岩碎片组成的深灰色碎石土。土体结构较均匀，一般呈松散状。

该水利枢纽两侧岩体破碎，上部土体松软，需要对两侧部分岩土体进行清方，然后再对清方部分进行回填。考虑到当地的原材料红黏土和砂砾石相对比较丰富，选择利用将砂砾石掺入到红黏土中进行填筑。选取其中一处典型断面进行坡体稳定性分析。图1为典型填筑横断面图。

图1 典型填筑横断面图

将河道边坡清方后，对其进行填筑。填筑前必须考虑砂砾石和黏土的配比，以便让填筑材料有更好的工程特性。表1为该模型的相关参数。

表1 模型相关计算参数

2 配比试验

根据现场地质勘查资料，对滑带土土样进行取样分析发现，该土样的主体成分为红黏土，并掺杂有部分的砂岩碎屑(大致在5%～25%左右)，土样的天然含水率大致在8%～12%。参考相关的规范[8]，土样在暴雨工况下的含水率在15%～20%。通过直剪试验[4-5]，得到该滑带土土样的抗剪强度参数。

本文中黏聚力c、内摩擦角φ综合取值的原则是：①以宏观地质判别为前提；②以滑带土的物质组成为基础，测试(现场、室内试验)值为依据；③以工程类比[4-7](经验)为参考。

2.1 土样制备

按表2比例在红黏土中掺入砂岩，砂岩砾石粒径为0.075～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm，直剪压力分别为100、200、300和400 kPa。该红黏土的干密度为ρd=1.96 g/cm3，以天然工况下含水率10%和暴雨工况下含水率20%的配比进行试验。

表2 制备土样的成分及含量

2.2 直剪试验结果分析

通过直剪试验，设定不同的垂直压力，得到剪应力和剪切位移的变化关系，拟合得到其内摩擦角和黏聚力。因文章篇幅有限，选取当掺砾含量为10%(含水率为10%)时的直剪结果。图2为当掺砾含量为10%时，其剪应力和剪切位移的变化关系。

图2 直剪试验结果

根据直剪试验结果，对不同垂直应力状态下的剪切强度进行线性拟合。图3为自然工况下含水率为10%时不同砾石含量的黏土线性拟合结果。表3为不同砾石含量的黏土拟合得到的黏聚力和内摩擦角。

图3 拟合结果

工况掺砾比例/%粘聚力/kPa内摩擦角/(°)容重/kN·(m3)-1自然工况(含水率10%)暴雨工况(含水率20%)035.6522.7521.610%32.1523.8121.620%26.9126.5721.630%25.5129.4121.6032.4522.2523.510%30.1423.1123.520%26.3524.0723.530%23.5425.3423.5

表3中所得到的掺砾黏土的内摩擦角和黏聚力结果显示，随着掺砾量的增加，土样的黏聚力强度降低，内摩擦角增加。

3 滑坡体稳定性分析

采取极限平衡法和有限元强度折减法[6-8]计算本次滑坡体的稳定性，并且对自然工况和暴雨工况下的坡体稳定性进行对比分析。

3.1 极限平衡法

利用极限平衡法软件Slide对自然工况和暴雨工况下的坡体稳定性进行分析，表4为计算结果。因篇幅有限，只列举了自然工况和暴雨工况下当填土料为掺砾10%时的坡体稳定性分析。图4为自然工况下坡体稳定性分析，图5为暴雨工程下坡体稳定性分析。

表4 极限平衡法分析结果

图4 自然工况下掺砾10%时极限平衡法计算坡体稳定性分析

图5 暴雨工况下掺砾10%时极限平衡法计算坡体稳定性分析

3.2 有限元强度折减法

利用有限元软件Phase对自然工况和暴雨工况下的坡体稳定性进行有限元强度折减分析，表5为计算结果。因篇幅有限，只列举了自然工况和暴雨工况下当填土料为掺砾10%时的坡体稳定性分析。图6为自然工况下坡体稳定性分析，图7为暴雨工程下坡体稳定性分析。

表5 有限元强度折减法分析结果

图6 自然工况下掺砾10%时有限元强度折减法计算坡体稳定性分析

图7 暴雨工况下掺砾10%时有限元强度折减法计算坡体稳定性分析

3.3 滑坡稳定性的评价标准

根据《边坡工程设计规范》[9]，滑坡稳定评价见表6。

表6 边坡稳定性评价标准

根据《边坡工程设计规范》[9]规定：选取该边坡的安全系数应采用1.15～1.20；考虑多年暴雨的附加作用影响时，安全系数可适当折减0.05～0.1。

3.4 小 结

通过极限平衡法和有限元强度折减法的计算结果可知，同种工况下两种方法的计算结果差异很小。

根据边坡稳定性评价标准，将坡体稳定性定为1.2。考虑到砂砾石和红黏土的材料成本，选取暴雨工程下的坡体稳定性进行考虑，最终选择采用掺砾20%的砂砾石黏土为填筑材料。此时在暴雨工况下，通过极限平衡法计算得到的坡体稳定性系数为1.206；通过有限元强度折减法计算得到的坡体稳定性系数为1.22，符合规范要求，也满足经济预算。

4 结 论

在红黏土中加入砂砾石，通过室内试验，分析填筑石料的工程特性。试验结果表明，随着掺砾量的增加，土样的黏聚力强度降低，内摩擦角增加；随着含水率的增加，土体的黏聚力和内摩擦角明显减小。

利用极限平衡法和有限元强度折减法，计算分析当选用红黏土中掺入不同含量的砂砾石时，在不同工况下(自然工况和暴雨工况)的坡体稳定性，在满足边坡规范要求和工程经济建设需要的同时，最终选择含掺砾量为20%的砂砾石黏土为边坡填料。