探析膨胀土路基边坡雨季失稳破坏机理的预应能力

李文坤

摘要：本文通过对路基边坡降雨前后的应力应变分布的差别进行对比，对膨胀屠戮基边坡预计大量失稳破坏进行了分析，经研究可以发现边坡表层土体存在大量吸水的现象，导致产生较大的膨胀力，而这种现象正是导致路基边坡出现表层滑塌的主要原因注意。

关键词：路基边坡；失稳；膨胀土

膨胀土路基边坡的雨季失稳破坏现象一直都是公路、铁路工程中的一个难题。膨胀土路基边坡在降雨之后会产生大面积的滑塌现象，使得地区经济受到非常大的损失。较多的学者和工程师针对此问题开展了一系列的研究，比如，对膨胀土地区路基边坡大量雨季失稳的情况进行摸底调查；从膨胀土的抗剪强度的公式开始计算并运用极限平衡法进行应力分析；对膨胀土地区的边坡的灌区边坡失稳进行相应的分析。

1.膨胀土边坡破坏的几种形式

1.1滑坡的形式

滑坡具有明显的滑床，其具有前缘平缓、后壁陡直、具有弧形外貌的特点，滑坡一般都是以牵引式出现的，具有叠瓦的形状，滑坡一般都是成群的发生的，所以这种滑坡一般具有很强的破坏性。滑体的厚度一般是1.0m～0.3m之间，大多的滑体的厚度都是小于6m的，这种浅层性的滑体与大气风化作用层度、土的类型有很密切的联系，与高度和坡度无关。

1.2坍滑的形式

在膨胀土体干缩效应和分化的作用下，裂缝切割和水的作用下，土体失去了稳定的性能，造成了其强度的严重衰减。雨季是坍滑高发期，滑体裂缝密集，其画面清晰，不仅如此还有较为明显的擦痕，滑体多在坡脚滑出，又或者是软弱的夹层滑出，如果不加以控制的话会产生滑坡现象。

1.3溜塌现象

边坡表层的土体吸水过饱和，在重力参透压力的作用下，沿着坡面向下产生溜塌现象。这种现象是膨胀土边坡表层最为常见的一种病害，发生频率较多的时候是雨季，与坡度没有关系。溜塌表面没有裂缝和滑面，上方的位置有弧形小坎，其溜塌所以移动的具体较短，并且很快的就可以稳定在坡面上，厚度在1m以内，最高不超过1.5m。

2.膨胀土路基边坡雨季失稳变形分析

2.1平衡微分方法在湿度应力场中的使用

膨胀土体由于含水量增加而发生的应变分量公式如下：

再将公式（2）带恶补公式（6）中，就可以构成湿度应力的控制微分方程式。运用其方程式，可以求的湿度场中的应力场，当然，其条件是当湿度场发生变化的。

3.运用有限元分析膨胀土边坡破坏的肌理

3.1有限元素的选用

本次试验选用的路基是膨胀填筑路基，高13m、底部4m、顶部1m。是非膨胀土。运用路基结构对称的特性，选取路基的半幅横断满作为计算区域。路基中线为竖向位移，给提供滑支便捷条件。为了避免计算过程中膨胀力对路基表层产生不良影响，故将表层土体使用单元网格加密，由此来提升其计算精度。

3.2计算结果分析

因为降雨的作用，膨胀路基表层土体吸水膨胀后产生向外的膨胀力，膨胀力是水平向外、竖直向上的。這种膨胀力使得路基结构变形，其应变和应力产生很大的改变。路基的失稳破坏其实是在变形的过程中产生的，因此，只有将膨胀力作用下的路基变化的规律进行研究，才可以保障其路基的稳定性。由下图可以发展，路基膨胀土填筑层的侧向变形在膨胀力的作用下开始增加，初次之外路基内的各点的位移矢量在膨胀力的作用之下，数值开始逐渐增加，随之倾斜度也随之加大。越靠近路基边坡表面，这种现象就越明显。路基边坡侧向位移如表1所示，边坡变形图如图1所示。

如表1所示，路基顶面下的7m处的应力和应变值是路基内大小主应力场。从图1、图2可以发现，当膨胀力增加以后，路基土体单元大主应力保持不变，而小主应力程减小趋势，坡面部分出现拉应力，单元土体的应力水平得到了相应的提升，整个路基稳定系数降低。同过限元计算还发现，当施加膨胀力之后路基出现了很大的受拉区域。一般的，土体的拉抗强度是非常小的，不能承受拉应力，因此，受拉区的土体是非常容易裂开的，吸水膨胀也会导致强度失稳，这也是雨季后膨胀土出现表层失稳的重要原因之一。

4.膨胀土边坡破坏的防御

防御膨胀土边坡的破坏，就必须先防滑、防水，水是膨胀土产生破坏的主要原因之一，因此，对于地表水、地下水等都需要及时处理。路垫之上有雨水渗透，要设置相应排水设施，将水排出。根据膨胀土的类别和挖方深度的不同，可以进行以下措施。

4.1边坡开挖式

膨胀土边坡可以使用台阶形的方式，它是将高边坡降低为矮边坡，使用这种方法，不仅可以减轻边皮对坡脚的压力，还可以减弱地面雨水对边坡的冲蚀。除此之外还对边坡进行了有效的支撑。

4.2边坡坡度的选择

因为环境的影响，加大了膨胀土的工程性质的难度，这样就导致边坡坡度和破坏的位置难以确定，所以，对边坡设计有必要采取保守的坡比方案。

4.3边坡的防护和加固

膨胀土路垫边坡一般都会设置当涂墙，预埋的深度有1.5m以上。另外，为了保证墙基干燥的稳定性，可以在墙背设置较为厚的反滤层，用来抵消墙后部分的应力以及膨胀力的释放。墙顶的宽度可以是墙高的一般，挡土墙的面积应扩大，为了防止墙背土的压力。坡面设置骨架护坡。可以铺设较多的草皮，因为草皮对边坡的隔热、保温、保湿、干缩湿胀有移动的作用。虽然草皮的有多种益处，但是在遇到雨季的时候，容易被冲刷，因为深度的限制，就更不容易围护边坡。因此，设置一些可以支撑土体的浆砌片，或者是石骨架，都会有不错的效果。

5.结论

膨胀土边坡的失稳破坏已经收到了广泛的关注，本文通过对有限元分析膨胀边坡破坏的原因进行了简要的探讨和分析，发现引发膨胀边坡失稳的主要原因是水，所以，只有做好边坡的排水工作，及时封闭坡面，加强对边坡坡脚的防护治理工作，才可以使得减少边坡受到的损害。