带长大裂隙深层膨胀土渠坡微型群桩抗滑行为分析

焦保华， 肖俊逸， 付登博， 李友云， 王中恩

(1.湖南省益南高速公路建设开发有限公司, 湖南 益阳 413055；2.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

0 引言

随着我国现代化建设的飞速发展和人口的快速增长，现代交通体系也籍此蓬勃发展。随着工程活动广泛开展，进入膨胀土地区的工程也相应增多。由于膨胀土浸水体积剧烈膨胀、失水体积显著收缩和压缩性低的工程特性，工程中很容易出现膨胀土边坡失稳的情况[1]。通过对带裂隙膨胀土的滑移路径进行研究，发现加设群桩是针对边坡工程出现滑坡问题采取的主要措施[2]；但是群桩设计结合工程应用方面还存在许多问题，工程中多利用地质勘测报告和工程经验来对桩进行设计加固，缺乏科学指导。通过有限元数值模拟方法，对实际工程的设计和建设运营进行研究分析，更容易控制问题的出现，达到工程稳定性、经济性以及耐久性的综合效果，为类似工程提供参考。

本文以河南省南阳地区膨胀土渠坡微型群桩为研究对象，根据现场踏勘统计数据、工程地典型膨胀土室内土工试验和有限元数值模拟方法来分析该地区带长大裂隙深层膨胀土渠坡微型群桩的抗滑性能。

1 长大裂隙的统计分析及膨胀土室内土工试验参数获取

1.1 长大裂隙分布规律

地质勘察揭示出膨胀土坡体中裂隙发育较为完整，根据工程地典型渠坡断面勘察获得对裂隙的长度统计，裂隙长度从1mm到30m不等。按照现场统计的裂隙长度来对裂隙进行划分，将长度大于4m的裂隙划分为长大裂隙，本文主要讨论长度大于4m的长大裂隙。

膨胀土渠坡开挖后，对坡体内部存在的长大裂隙进行了长度、宽度、倾角的统计，图1为全部裂隙的倾向玫瑰统计图；图2为长大裂隙的倾向玫瑰统计图。由图可知，长大裂隙的总体分布倾向为27°～60°，且大多为正角度，只有少量呈现负角度。统计完成后，对长大裂隙倾角、长度及渠坡走向偏角拟合概率密度曲线，数据分析结果见表1。由表1可知，长大裂隙倾角服从正态分布，长度服从均匀分布，走向偏角服从均匀分布，中点位置随机分布，长大裂隙的长宽比为100∶1，长大裂隙的延伸深度均大于6m。

图1 全部裂隙倾向统计图(单位：°)

图2 长大裂隙倾向统计图(单位：°)

表1 长大裂隙空间分布规律统计表长大裂隙分布参数均值标准差分布类型倾角34.990 5135.8正态分布长度71.732 1均匀分布走向偏角08.660 3均匀分布中点位置——随机分布宽度长宽比为100∶1深度长大裂隙延伸深度均大于6 m

1.2 膨胀土室内土工试验参数获取

为了数值模拟结果的准确性，需要对膨胀土渠坡各层膨胀土的物理力学性质进行详细分析，根据现场调研以及室内土工试验对膨胀土渠坡进行详细分层。

1.2.1膨胀土自由膨胀率试验

目前判定膨胀土膨胀性的试验方法是测定膨胀土自由膨胀率。在工程所在地不同渠坡深挖方断面一定深度范围内选取原状土样进行自由膨胀率试验，测得典型渠坡断面不同深度范围下膨胀土自由膨胀率分别为35%、72%、110%。按照公路土工试验规程[3]，判定在深挖方膨胀土渠坡不同深度范围下的膨胀土土体分别为弱、中、强膨胀土。

1.2.2直剪试验

本试验采用固结慢剪法测定土样在不同压力下的抗剪强度指标(粘聚力c和内摩擦角φ)。选取典型膨胀土渠坡断面不同深度下的原状土制备原状土试样，通过试验得到不同压力下的剪切位移值；通过对不同压力及抗剪强度进行线性拟合，获取强、中、弱膨胀土的抗剪强度指标(见表2)。

表2 不同类型膨胀土抗剪强度指标土类初始含水率/%干密度/(g·cm-3)抗剪强度指标c/kPaφ/(°)深层强膨胀土22.41.6122.2024.56中层中膨胀土22.21.5912.5423.68浅层弱膨胀土21.81.528.1622.30

选取典型膨胀土渠坡断面深、中、浅层膨胀土土样，经自由膨胀率试验测定:膨胀土渠坡断面由下至上依次为强、中、弱膨胀土。对各膨胀土进行剪切试验，试验结果见图3～5。

图3 强膨胀土剪切试验结果

图4 中膨胀土剪切试验结果

图5 弱膨胀土剪切试验结果

1.2.3膨胀力试验

选取典型膨胀土渠坡断面中受压情况与天然受压情况一样的土样进行膨胀力试验，制备不同含水率的膨胀土试样，测定不同含水率条件下的膨胀力。表3、表4分别为强膨胀土和中膨胀土的膨胀力试验结果。由表可知，膨胀土的膨胀力随着含水率的增大而增大。

表3 强膨胀土膨胀力试验含水率/%平衡荷重/g膨胀力/kPa平均膨胀力P/kPaln(P)/kPa139 128358.74360.285.38 9 356361.82216 279255.92245.725.29 6 223235.52294 352175.36172.295.23 4 379169.22

表4 中膨胀土膨胀力试验含水率/%平衡荷重/g膨胀力/kPa平均膨胀力P/kPaln(P)/kPa132 23894.488.474.492 21382.54211 14948.9547.933.871 27446.912957623.7423.783.15 59323.82

2 不同内部地质构造膨胀土渠坡稳定性分析

2.1 膨胀土渠坡模型尺寸建立

选取南水北调中线工程河南南阳段典型膨胀土渠坡断面，建立渠坡数值模型，渠坡模型坡顶高21m，长20m；坡脚以下高7m，长69m；选取一个对称断面厚度4.65m。根据地质勘测报告和室内土工试验，整个膨胀土渠坡由上至下依次为弱、中、强膨胀土。上部为弱膨胀土，高度3m；中间为中膨胀土，高11m；下部为强膨胀土，高7m。一级马道坡度为1∶2.33，二级马道坡度为1∶2.5。具体膨胀土渠坡模型尺寸见图6。

a) 膨胀土渠坡模型尺寸大小(单位： m)

b) 膨胀土渠坡数值模型

膨胀土渠坡浅表层土体在长时间雨水作用下膨胀，在干燥情况下干燥收缩，导致细微裂隙产生。随着裂隙发展，浅表层土体强度减弱，极易发生牵引式滑坡破坏[4]。针对浅表层膨胀土弱化，改性处治换填是个十分有效的方法。周娟[5]根据工程地区降雨及气候报告，使用Geostudio数值模拟软件模拟渠坡表面土体发生的干湿循环，发现随着干湿循环时间的不同，渠坡表面土体弱化的大气影响深度范围也有所不同。干湿循环时间为6个月时，大气影响深度约为1m；干湿循环时间为12个月时，大气影响深度约为2m。本文假设浅表层膨胀土的处治换填深度为2m，换填材料为10%水泥改性膨胀土。

根据工程勘察报告，在y=7m的中、强膨胀土层交界面处，由于降雨时期地下水位上升及干燥时期水位下降，导致此处膨胀土易吸水软化，形成强度较低的软弱夹层。因此，本文假设在中、强膨胀土交界面处存在厚度为0.2m的软弱结构面，软弱结构面的长度从坡脚位置处延至一级马道顶端竖向位置处[6-7]。根据实际工程中渠坡的尺寸，建立2种不同坡体内部地质状况的膨胀土渠坡数值模型，见图7。

2.2 计算参数的选取

通过查阅实际工程现场报告，结合前文的土工试验，所选取的计算参数如表5。

a)不带裂隙带软弱结构面模型

b)带裂隙带软弱结构面模型

表5 土体计算参数材料重度/(kN/m-3)粘聚力/kPa内摩擦角/(°)弹性模量E/MPa泊松比弱膨胀土15.08.1622.305.300.35中膨胀土16.012.5423.685.360.35强膨胀土17.022.2024.566.480.35软弱结构面15.08.007.005.300.35长大裂隙面15.08.002.005.300.3510%水泥改性膨胀土16.735.0016.509.520.35桩24.0——30 000.000.20

2.3 膨胀土渠坡稳定性分析

根据渠坡建设期对渠坡典型断面的勘探统计，得到长大裂隙各产状要素服从的分布规律。根据各要素服从的分布规律将长大裂隙随机生成至膨胀土渠坡数值模型当中，并假设在中强膨胀土土层交界面处存在软弱结构夹层，从而建立不带裂隙带软弱结构面和带裂隙带软弱结构面2种不同地质构造膨胀土渠坡的数值模型。采用强度折减有限元法[8]，从塑性应变、位移矢量2个方面对2种不同地质构造膨胀土渠坡的稳定性进行分析。

2.3.1渠坡土体塑性区贯通图分析

图8为2种不同内部地质构造膨胀土渠坡的坡体塑性区应变图。对塑性区贯通前、后2个时刻进行对比分析，获取膨胀土渠坡在强度折减下的塑性应变云图变化，以此分析整个坡体在强度折减下的变化。

由图可知：

1)不带裂隙带软弱结构面膨胀土渠坡模型塑性区从软弱结构面处开始发展，在坡脚位置和软弱结构面的末端发生塑性应变，塑性区贯通后，形成从坡脚沿软弱结构面再到软弱结构面末端至坡顶平面的整体塑性区变化。不带裂隙带软弱结构面膨胀土渠坡模型的滑移是从坡顶到软弱结构面末端再到坡脚的整体滑移。

2)带裂隙带软弱结构面膨胀土渠坡模型塑性区从坡脚、长大裂隙面的两端以及软弱结构面的末端开始发展，随着强度不断折减，塑性区贯通，坡体破坏，形成了塑形贯通面。该塑性贯通区域从坡顶向着长大裂隙与软弱结构面的交界处发展，再沿着软弱结构面直至坡脚，长大裂隙与软弱结构面的存在使坡体整体发生较大的变化。

a)不带裂隙带软弱结构面

b)带裂隙带软弱结构面

2.3.2渠坡土体位移矢量分析

图9为膨胀土渠坡位移矢量图。从图中可以得到膨胀土渠坡在塑性区贯通前和塑性区贯通后的变化趋势。不带裂隙带软弱结构面膨胀土渠坡模型，在塑性区贯通前，以软弱结构面位置处向坡脚位置水平变化；在塑性区贯通后，形成了以软弱结构面末端至坡顶位置的整体性向右发生位移矢量变化。带裂隙带软弱结构面模型在塑性区贯通后，位移矢量沿着主长大裂隙面与软弱结构面水平向右发展。

a) 不带裂隙带软弱结构面

b)带裂隙带软弱结构面

3 带长大裂隙深层膨胀土渠坡微型群桩抗滑行为分析

3.1 膨胀土渠坡微型群桩模型建立

根据前文膨胀土渠坡模型数值分析，膨胀土渠坡由于内部存在长大裂隙以及不同层间土交界面的软弱结构层导致渠坡不稳定，极其容易产生滑坡、坍塌等灾害，在膨胀土渠坡工程中已产生的滑坡破坏处形成沿着主长大裂隙及软弱结构面的滑移面。

设计院提出微型群桩抗滑措施，微型桩的截面形式，有圆桩和方桩2种，王东海[9]、邓麟勇等[10]经过对比计算，得出方桩的抗滑效果优于圆桩。本文在2种不同的膨胀土渠坡模型中分别设立微型群桩，微型桩为35cm×35cm的方形桩，桩间距1.2m。2种不同膨胀土渠坡微型群桩模型见图10。

a)不带裂隙带软弱结构面模型

b)带裂隙带软弱结构面模型

3.2 带长大裂隙深层膨胀土渠坡微型群桩抗滑行为分析

3.2.1土体塑性区域贯通云图对比分析

图11为2种渠坡微型群桩模型塑性应变图。由图可知，2种膨胀土渠坡微型群桩模型的塑性区都是从坡脚位置开始发展，不带裂隙带软弱结构面模型塑性区从软弱结构面处开始发展，并在软弱结构面末端形成贯通区；带裂隙带软弱结构面模型的塑性区分别从长大裂隙面和软弱结构面开始发展，最终沿长大裂隙面与软弱结构面交界处形成塑性贯通。由此可得，长大裂隙对整体膨胀土边坡的滑移有巨大的影响。与不加设微型群桩膨胀土渠坡模型相比，加设微型群桩并不会改变膨胀土渠坡的塑性变化发展，最终形成的塑性变化也基本上不变；对存在软弱结构面的膨胀土渠坡模型，微型群桩的加设使得膨胀土渠坡塑性变化时间更长。

3.2.2土体位移矢量图分析

分别选取塑性区贯通前和塑性区贯通后的2个时刻进行矢量位移分析，如图12所示。结合渠坡土体位移矢量图(图9)可知，在不带裂隙带软弱结构面膨胀土渠坡微型群桩模型中，加没和不加设微型群桩的土体位移矢量都沿坡脚方向，加设微型群桩后，土体在各排桩处的位移矢量减少，说明微型群桩对桩前土具有一定的阻挡作用，可以看出明显抗滑效果。长大裂隙面及软弱结构面位移矢量都较大，随着塑性区的贯通，各微型桩桩前的位移矢量较小，桩后位移矢量较大，在2、3排桩后，土体位移矢量往着坡脚位置发展。

a)不带裂隙带软弱结构面膨胀土微型群桩模型

b)带裂隙带软弱结构面膨胀土微型群桩模型

a)不带裂隙带软弱结构面膨胀土微型群桩模型

b)带裂隙带软弱结构面膨胀土微型群桩模型

4 结论

1) 在南阳膨胀土地区不同地质深度内，随着地层揭露深度加深，膨胀土的膨胀率逐渐增大。在一般的膨胀土渠坡模型中，由于表层的土体易受干湿循环的影响，使得土体强度降低，容易发生浅表层的滑移;做了浅表层的改性换填处治后，渠坡整体形成了一个封闭型的整体，渠坡的滑移都是沿着深层土体的大范围滑移，说明浅表层的处治是比较好的。

2) 当地下水位上升时，中、强膨胀土交界处可能夹有软弱夹层，该软弱夹层会显著降低渠坡稳定性。由于长大裂隙及软弱结构面的强度比膨胀土土体的强度要小，膨胀土渠坡塑性区都是从长大裂隙及软弱结构面处开始发展的。

3) 根据ABQUSE数据模型分析，微型群桩可以有效提高膨胀土微型渠坡的稳定性。