干湿循环下红黏土路堤边坡稳定性分析方法研究

蒋浩 陈开圣

摘 要：紅黏土边坡破坏面形状并非圆弧面、参数选取不合理、对雨水入渗考虑不够充分是当前红黏土边坡稳定性分析中存在的主要问题，导致传统计算方法的计算结果不太可靠。通过理论分析和数值模拟，提出了干湿循环下红黏土路堤边坡的稳定分析方法，并进行了工程算例验证。结果显示，干湿循环和红黏土边坡损坏特征有关。土体强度、水压等物理指标的下降均导致稳定性降低。建议将边坡分为三层，裂缝较多层、裂缝一般层、裂缝较少层来进行稳定性分析，各个范围层采用不同强度指标。提出了基于复合滑动面（折线-圆弧）红黏土边坡稳定性分析方法，并进行了工程算例验证，结果表明本文提出的方法是可行的。

关键词：干湿循环;红黏土;路堤;边坡;稳定性分析

中图分类号：U416.14

文献标识码： A

贵州省内碳酸盐地区广泛分布着残积红黏土，其厚度一般5～7 m，最厚20 m以上，一些坡率在1∶1～1∶1.5的低矮坡仍然出现一定的破坏，对此技术人员也无法给出合理的解释 [1]。究其原因，红黏土边坡破坏形式与传统的滑弧滑动尚有区别，破坏面的形状并非圆弧形，而计算方法上仍然采用传统的均质土坡稳定性计算方法[2-3]，显然是值得商榷的。据此，有必要对红黏土边坡稳定性方法进行研究。中国学者主要从土体强度参数和边坡垮塌模式两类问题展开研究 [4]。陈开圣对干湿循环下红黏土抗剪性能进行研究，提出在对红黏土边坡进行稳定性分析时需要采用长期强度 [5]。邹新奇等认为红黏土边坡失稳特征与常规边坡不同，失稳滑面为折线-圆弧组合型[6]。吴立坚通过在现场做实验，研究了浅层边坡的破坏原理，给出合适的评价方法 [4]。但是，目前工程中对干湿循环下红黏土边坡破坏类型认识还不够充分，对干湿循环下红黏土边坡的稳定性如何进行计算目前这方面的研究成果较少。本文以前人研究成果为基础，运用理论与数值模拟相结合的方法，指出目前红黏土边坡稳定性分析存在的问题并给出适合的分析方法且加以验证。

1 红黏土边坡圆弧滑动法存在的问题

卢玉林等[7]建立了3类边坡破坏模式的计算模型，对瑞典圆弧条分法模型开展误差分析研究，结果表明与Bishop法最大偏差不超过30%。

而工程中最常用的传统方法是简化Bishop法，其做出下列假设，认为滑动面的侧面为圆弧、土间力水平，将滑体分成些许竖状土条，根据力学三大平衡法则计算条底反力 [8-10]。公式为：

Fs=∑1mθicbi+Wi-uibitanθ∑Wisinθ，（1）

mθ=cosθi+tanφFssinθ。（2）

其中：Fs为稳定系数，bi为土条宽，Wi为土条自重。

采用此法的缺点：①红黏土边坡破坏滑动面形态：文献[4]、[6]和[11]均认为红黏土边坡破坏形式不是典型的圆弧滑动，传统方法对滑裂面的假设与红黏土边坡相悖，其适用性还需进一步考究。②参数选取不合理：各参数会随干湿循环次数增加而降低，因此计算时采用原始强度并不合理。③对降雨入渗的影响考虑不够充分：裂隙水饱和时，不仅增加土体重量，还会减小坡体抗滑力，水带来的静水压力更会导致水平推力的产生，不考虑该情况会对算好的安全系数可信力产生影响。因此，对红黏土边坡而言，需要给出新的方法。

2 干湿循环下红黏土边坡稳定性影响因素分析

2.1 强度指标降低的影响

采用FLAC3D软件进行数值模拟研究。本构模型采用摩尔-库伦模型。根据室内试验研究结果，土体容重γ=17.9 kN/m3，压缩模量Es=15.23 MPa，泊松比μ=0.35，弹性模量E=9.49 MPa，体积模量K=10.54 MPa，剪切模量G=3.51 Mpa，建立边坡模型（图1）。干湿循环诱发边坡上层产生大量裂隙，强度低;中层裂隙较少强度较高;下层无裂隙，强度最高[12-13]。因此，将边坡土体分为A（裂隙较多）、B（裂隙一般）、C（裂隙较少）三层。各层选取不同的参数，根据国家自然科学基金项目“干湿循环作用下红黏土力学性能衰减规律研究”成果，表1为5次干湿循环后的参数。根据调研及工程经验，裂隙面深度一般不超过红黏土边坡的扰动深度（ 0～3 m） [4]，因此，取裂隙影响深度为3 m。表2为结果。

从表2不难看出，循环的次数越多，安全系数越小，减小幅度也越小。五次循环后，安全系数从4.28降低至2.63，减小37.2%。表明红黏土强度指标的降低会影响边坡的稳定性。

2.2 裂缝深度的影响

如图2为设置裂隙的几何模型，图3为裂隙模型。设置各层土体在5次循环后的强度参数（表3），剩余参数与前文相同。恒定裂缝宽为30 cm，增大裂缝深度进行计算，结果见表4。

据表4可知，随裂缝深度的增大，Fs减小，当深度低于3 m时，Fs随深度增加而减小的速率较大;当深度高于3 m时，Fs减小的速率降低。

2.3 裂缝水压力的影响

在距坡顶2.0 m处建立宽30 cm、深 3 m张拉裂隙，假定裂隙充满水，裂隙水产生的最大水平推力Pmax=1/2 ρgh2=45 N，取水平推力分别为10 N、20 N、30 N、40 N、50 N分析对边坡稳定性影响。结果见表5。

由表5可以看出，随水平推力的增大，Fs减小，水平推力从0 N增大到100 N，Fs从2.58降低至1.85，降幅26%，表明裂隙水压力严重影响边坡稳定性。

3 红黏土边坡复合滑动面分析法

3.1 分析方法

根据前人调研结果、理论分析，红黏土路堤边坡滑动面是复合型的（折线+圆弧），且滑动面平行于强裂隙发育区a与弱裂隙发育区b的交界处。图4为其受力状态，第一部分采用静力平衡求解，第二则采用条分法求解，仅考虑相邻土条内的作用力FN。

式中：N1是一部分垂直反力;T1是一部分横向分力;W1是一部分重力;l1是一部分滑面长度;FN是两部分间的作用力; Ni是第i条土体垂直反力;Wi是第i条土体自重;Ti是第i条土体横向分力;li为第i条土体滑面长度;ci和ψi为土体长期强度参数;θ是倾角;ρ是水的密度;h是裂缝深度;K是稳定性系数。

3.2 算例验证

边坡几何模型用图3，土体基本指标采用上述值。考虑强度指标衰减、坡顶裂隙深度和静水压力3种因素分别采用数值模拟和本文方法对红黏土边坡稳定性进行计算。结果见表6。

据表6可以看出，不考虑任何因素计算Fs较高，偏于危险。考虑干湿循环、裂隙深度、静水压力因素，采用数值模拟和本文方法（复合滑动面法）计算Fs要低，证明干湿循环、裂隙、静水压力对红黏土边坡稳定性影响较大，且数值模拟和本文方法（复合滑动面法）计算结果误差较小，验证了本文提出的方法（复合滑动面法）是可行的。

4 工程中提高红黏土边坡稳定性的方法

（1）路堤的施工需要及时做好防水及排水措施，保证雨水不会下渗入路堤内部，排走流向路堤施工范围内的水。

（2）路堤需要尽量在非雨季施工，若实在不能避免，应该在施工面保持横坡不低于3%，雨后作业面，待土体晒干并再次压实达标后方可进行。

（3）为预防土体裂缝出现，進行压实后应该将碾压层实施封闭措施，防止土体被暴晒，导致开裂。如采用复合土工布覆盖，并铺设10 cm厚的中细砂，达到保温防水效果。

（4）粘土、石灰土等（不透水且液限低）应作为红粘土路基包边材料，CBR需符合规定。包边时禁止使用低塑性土如粉土、砂土等。夯实后应该加强防护以免坡面开裂及地表水的渗入。分层铺设时，应先铺包边土，再铺红黏土。碾压前，填料的含水量应该加以控制，让其在同一施工工艺下能达包边土的压实度需满足的规定。

5 结论

（1）目前红黏土边坡稳定分析存在以下3个问题：①红黏土边坡破坏面形状并非圆弧面;②参数选取不合理;③雨水入渗考虑不充分，导致传统方法的计算结果不太可靠。干湿循环和红黏土边坡损坏特征有关，本文所述复合滑动面法更适于红黏土边坡。

（2）建议将边坡分为三层，裂缝较多层、裂缝一般层、裂缝较少层来进行稳定性分析，各个范围层采用不同强度指标，建议采用长期强度指标（c，φ）值。红黏土边坡稳定性分析中应考虑干湿循环土体强度指标（c，φ）的降低、坡顶裂隙深度和裂隙水压力的影响。提出了基于复合滑动面（折线-圆弧）红黏土边坡稳定性分析方法，并进行了工程算例验证，结果表明本文提出的方法是可行的。

（3）红粘土的边坡设计应该对防水措施充分考虑，保证施工快，封闭快，使土体不会因未及时封闭而失水过多，另需尽量在非雨季施工，对路基边坡采用低透水性低液限粘土包边，并采用草皮铺盖防止水体入渗，增强边坡安全性。

参考文献：

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[3]钱征宇.红黏土地区铁路工程的主要技术问题及其对策[J].中国铁路，2007（2）：41-45.

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[5]陈开圣.干湿循环下压实红黏土三轴试验[J].公路，2017（11）：215-220.

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[7]卢玉林，薄景山，陈晓冉瑞典圆弧法水平条分模型的误差分析[J]. 地震工程学报，2017，39（3）：496.

[8]孔令伟，陈正汉.特殊土与边坡技术发展综述[J].土木工程学报，2012，45（5）：141-161.

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[12]殷宗泽，徐彬.反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析[J].岩土工程学报，2011，33（3）：454-459.

[13]殷宗泽，袁俊平，韦杰，等.论裂隙对膨胀土边坡稳定的影响[J].岩土工程报，2012，34（12）：2155-2161.

（责任编辑：曾 晶）

Study on Stability Evaluation Method of Red Clay Slope

JIANG Hao， CHEN Kaisheng*

（College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Abstract：

The shape of the failure surface of red clay slope is not a circular arc surface， the parameter selection is unreasonable， and the insufficient consideration of rainwater infiltration is the main problem in the stability analysis of current red clay slope， which leads to the fact that the calculation result of traditional calculation method is not too good and reliable. Through theoretical analysis and numerical simulation， the stability analysis method of red clay embankment slope under dry and wet cycles was proposed， and the engineering example was verified. The results show that the wet and dry cycle is related to the damage characteristics of the red clay slope. Decreased physical properties such as soil strength and water pressure lead to a decrease in stability. It is recommended to divide the slope into three layers， with more cracks， general cracks and fewer cracks for stability analysis. Different range indicators were used for each range. The stability analysis method of red clay slope based on composite sliding surface （polyline￣arc） was proposed and verified by engineering examples. The results show that the proposed method is feasible.

Key words：

dry￣wet cycle; red clay; embankment; slope; stability analysis