干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)膨脹性土邊坡穩(wěn)定性影響分析

李鵬宇，唐中軍

（1.山西省公路局 大同分局，山西 大同 037000；2.無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214131）

膨脹土是一種特殊土體，其礦物組成中包含蒙脫石和伊利石，這兩種礦物均有較強(qiáng)親水性[1]。膨脹土具有以下顯著的特性：由于地質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地應(yīng)力以及節(jié)理面；由于對(duì)水的敏感性產(chǎn)生的裂隙性、膨脹性等。膨脹土邊坡經(jīng)常產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，已成為工程建設(shè)中的一大危害，出現(xiàn)在道路邊坡中，一旦出現(xiàn)病害，維修費(fèi)用高且容易出現(xiàn)交通事故[2-3]。膨脹土在我國(guó)的廣西、河南、安徽、江蘇等20多個(gè)省（區(qū)）都有廣泛的分布，總面積在10萬(wàn)km2以上[4]。我國(guó)膨脹土分布區(qū)生活著3億人口，膨脹土每年帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)150億美元，在西部部分地區(qū)尤為嚴(yán)重[5]。因此膨脹土是一種典型的“問(wèn)題性”土，由此引起的大量破壞使膨脹土成為人們關(guān)注的特殊土體。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膨脹土邊坡干濕循環(huán)效應(yīng)作了大量研究。

Alonso[9]研究得出膨脹土試樣的脹縮變形分為兩部分：微觀結(jié)構(gòu)變形和宏觀結(jié)構(gòu)變形。李雄威等[10]發(fā)現(xiàn)膨脹土在達(dá)到飽和狀態(tài)后，膨脹過(guò)程依然在進(jìn)行當(dāng)中，并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。池育源等[11]通過(guò)直剪試驗(yàn)驗(yàn)證了膨脹土在干濕循環(huán)作用下的裂縫情況，并通過(guò)測(cè)試確定了膨脹土穩(wěn)定劑的摻入量。

王棟等[12]對(duì)考慮強(qiáng)度各向異性的邊坡穩(wěn)定進(jìn)行有限元分析，說(shuō)明了ABAQUS有限元數(shù)值模擬在評(píng)價(jià)成層邊坡穩(wěn)定性時(shí)的正確性。

1 依托工程概況

本工程地理位置位于安徽省合肥市蜀山區(qū)小廟鎮(zhèn)竇小郢，緊鄰G312（南側(cè)）（樁號(hào)K40+700—K42+200），地面高程32～37 m，河道挖深20～24 m左右，邊坡上部為膨脹土，下部為泥質(zhì)粉、細(xì)砂巖-泥巖。

河道工程：該段樁號(hào)為K40+700—K42+200，共計(jì)1.5 km。

擬建河道工程設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為限制性Ⅱ級(jí)航道，斷面采用梯形斷面，河道底寬60 m，底高程13.4 m，設(shè)計(jì)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設(shè)一級(jí)邊坡平臺(tái)，一級(jí)平臺(tái)寬4 m，二級(jí)平臺(tái)寬8 m，三級(jí)平臺(tái)寬3 m，渠道坡頂設(shè)13 m寬管護(hù)道路；渠道邊坡高度大于20 m，土質(zhì)和全-強(qiáng)風(fēng)化砂巖邊坡坡率1∶2、中等風(fēng)化砂巖邊坡坡率1∶2。試驗(yàn)段兩端邊坡坡率1∶3.5，每6 m設(shè)一級(jí)邊坡平臺(tái)，平臺(tái)寬4 m。支護(hù)方式：從上至下依次采取生態(tài)護(hù)坡防護(hù)、水泥土覆蓋隔離等措施；在下層巖基部分增加錨筋加固；在渠底采取現(xiàn)澆混凝土防護(hù)。試驗(yàn)研究結(jié)束后，根據(jù)設(shè)計(jì)斷面對(duì)渠道進(jìn)行擴(kuò)挖，使其與上下游渠道銜接。

2 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)本區(qū)膨脹土的工程特性，將膨脹土在深度方向上分為“大氣影響帶”和“非影響帶”。即大氣影響深度以上的土層為“大氣影響帶”，大氣影響深度以下的土層為“非影響帶”。“大氣影響帶”內(nèi)土體經(jīng)受反復(fù)干濕循環(huán)，脹縮裂隙發(fā)育，土體的整體性遭到破壞，表層常被微裂隙分割成散體狀結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生淺表型脹縮變形破壞。“非影響帶”內(nèi)基本不受大氣環(huán)境影響，由于膨脹土的超固結(jié)性和微透水性，使其一般呈非飽和狀態(tài)，為典型的非飽和土。土體滲透性微弱，為不透水層，孔洞及蟲(chóng)孔不甚發(fā)育，結(jié)構(gòu)緊密。

有限元計(jì)算模型中的膨脹性巖土體參數(shù)取值如表1，表中參數(shù)均為試驗(yàn)工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得。其中抗剪強(qiáng)度參數(shù)是通過(guò)膨脹性巖土的三軸試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)得出。彈性模量是通過(guò)膨脹性巖土飽和樣三軸試驗(yàn)中不同圍壓下線彈性階段的彈性模量得出。

表1 膨脹性巖土體參數(shù)取值

根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[13]中的規(guī)定，由土的濕度系數(shù)來(lái)確定本區(qū)大氣影響深度，而大氣影響急劇層深度為大氣影響深度的0.45倍。針對(duì)試驗(yàn)工程的實(shí)際情況，本區(qū)大氣影響深度3.2～3.4 m，大氣影響急劇層深度1.4～1.5 m。本文數(shù)值模擬采用大氣影響劇烈層深度1.4 m，大氣影響深度3.2 m。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出膨脹土體各次干濕循環(huán)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)，如表2所示。

表2 各次干濕循環(huán)對(duì)應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)

數(shù)值模型將膨脹土邊坡分為3層。上層為大氣影響急劇層，厚度為1.4 m；中層為大氣影響過(guò)渡層，厚度為1.8 m；上層和中層合稱(chēng)為大氣影響層，厚度為3.2 m；下層為非大氣影響層。上層上覆壓力小，受大氣影響劇烈，裂隙充分發(fā)育，強(qiáng)度充分衰減，因此上層的強(qiáng)度參數(shù)可選取各次干濕循環(huán)后的強(qiáng)度參數(shù)。但是，干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)膨脹土的作用還應(yīng)受應(yīng)力狀態(tài)等影響，中層土體由于上覆壓力、土質(zhì)類(lèi)型等因素的影響，裂隙開(kāi)展程度不充分，強(qiáng)度衰減也不充分，因此可用影響率n來(lái)反映上覆壓力、土質(zhì)類(lèi)型等因素的不同對(duì)中層土體強(qiáng)度的影響，影響率越高，中層土體受干濕循環(huán)影響越大，中層土體強(qiáng)度參數(shù)越接近上層。下層由于深度較深，上覆壓力較大，所以不受干濕循環(huán)的影響，強(qiáng)度參數(shù)取土體初始強(qiáng)度值。

上層強(qiáng)度指標(biāo)S上=Si，中層強(qiáng)度指標(biāo)S中=(1-n)·S0+n·Si，其中 S 為強(qiáng)度指標(biāo)，i為干濕循環(huán)次數(shù)，n 為影響率。

根據(jù)公式，算得各次干濕循環(huán)下不同影響率所對(duì)應(yīng)的中層土體強(qiáng)度參數(shù)，中層土體強(qiáng)度參數(shù)與影響率關(guān)系如表3所示。

由于沿河道方向邊坡斷面的大小和形狀基本不變，故選擇樁號(hào)J42+300斷面為代表斷面進(jìn)行建模。開(kāi)挖邊坡每6 m設(shè)一級(jí)邊坡平臺(tái)，一級(jí)平臺(tái)寬4 m，二級(jí)平臺(tái)寬8 m，三級(jí)平臺(tái)寬3 m；渠道邊坡高度大于20 m，一級(jí)斜坡坡率為1∶2，二級(jí)斜坡坡率為1∶3，三級(jí)斜坡坡率為1∶3，四級(jí)斜坡坡率為1∶4；河底寬度為10 m。整個(gè)試驗(yàn)段分布有膨脹土，邊坡表層受干濕循環(huán)作用。模型示意圖如圖1所示。荷載為邊坡本身的重力，邊界條件為限制模型兩側(cè)邊界水平方向的位移及模型底部水平和豎直方向的位移。模型有兩個(gè)分析步，load和reduce分析步，load分析步施加21.8 kPa的體力，reduce分析步中對(duì)膨脹土體進(jìn)行強(qiáng)度折減；有限元的單元類(lèi)型采用CPE4（四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元）；本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型；采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，剪脹角均為0°；不考慮滲流的影響。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 穩(wěn)定性分析

圖2為各次干濕循環(huán)下邊坡安全系數(shù)與影響率關(guān)系圖，安全系數(shù)由強(qiáng)度折減法所得。根據(jù)圖像，總體上，干濕循環(huán)次數(shù)越多，邊坡安全系數(shù)越小；同一干濕循環(huán)次數(shù)下，影響率越大，邊坡安全系數(shù)越小。

圖2 各次干濕循環(huán)下邊坡安全系數(shù)與影響率關(guān)系

干濕循環(huán)次數(shù)不同時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨影響率的變化趨勢(shì)略有不同。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)較小為1、3時(shí)，安全系數(shù)隨影響率的增大經(jīng)歷先平緩后劇烈的過(guò)程，在影響率為0～0.6時(shí)變化較為平緩，在影響率為0.6～1時(shí)變化較為劇烈；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)較大為5、7、10及無(wú)數(shù)次時(shí)，安全系數(shù)隨影響率的變化同樣經(jīng)歷先平緩后劇烈的過(guò)程，不同的是，在影響率0～0.8時(shí)變化較為平緩，在影響率0.8～1時(shí)較為劇烈，且劇烈程度相對(duì)于低次干濕循環(huán)較輕。

干濕循環(huán)次數(shù)不同，邊坡安全系數(shù)受影響率變化而變化的幅度也不同。當(dāng)影響率為1時(shí)，各次干濕循環(huán)安全系數(shù)的下降幅度見(jiàn)表4。干濕循環(huán)次數(shù)越少，影響率為1時(shí)邊坡的安全系數(shù)下降幅度越大，最大達(dá)到了34.05%，最小為22.35%。

表4 邊坡安全系數(shù)變化幅度表

3.2 滑動(dòng)面分析

膨脹土邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)的原因，是由于邊坡自身重力會(huì)使土體產(chǎn)生下滑力，當(dāng)土體抗剪強(qiáng)度無(wú)法抵抗土體的下滑力時(shí)，邊坡就會(huì)產(chǎn)生滑坡。

圖3為原邊坡位移等值線云圖，表5、表6、表7為不同干濕循環(huán)次數(shù)不同影響率下的邊坡位移等值線云圖，選取第1、3、5次干濕循環(huán)作為典型，其余干濕循環(huán)次數(shù)的位移等值線云圖與第5次干濕循環(huán)類(lèi)似，不再列舉。以上均云圖為采用強(qiáng)度折減法計(jì)算所得。

圖3 原邊坡位移等值線云圖

1次干濕循環(huán)時(shí)，隨著影響率的增大，邊坡滑動(dòng)面深度逐漸變淺。但相對(duì)而言，當(dāng)影響率為0～0.6時(shí)，滑動(dòng)面深度依然較深，與原邊坡滑動(dòng)面類(lèi)似，屬于深層滑動(dòng)；當(dāng)影響率為0.8～1時(shí)，滑動(dòng)面處于“大氣影響過(guò)渡層”底部，滑動(dòng)深度處于淺層與深層之間，為較淺層滑動(dòng)。1次干濕循環(huán)時(shí)，當(dāng)影響率為0～0.6時(shí)，上層土體強(qiáng)度雖衰減，但依然相對(duì)較大，能夠承受上層土體的下滑力，中層土體強(qiáng)度也相對(duì)較大，能夠承受上、中層土體的下滑力，下層土體強(qiáng)度不能夠承受整體邊坡的下滑力，所以滑動(dòng)面產(chǎn)生在下層，為深層滑動(dòng)；當(dāng)影響率為0.8～1時(shí)，中層土體強(qiáng)度進(jìn)一步減小，已不能承受來(lái)自上、中層土體的重力沿坡面向下的分力，所以產(chǎn)生滑動(dòng)，滑動(dòng)面位于“大氣影響過(guò)渡層”底部。

表5 1次干濕循環(huán)不同影響率對(duì)應(yīng)位移等值線云圖

表6 3次干濕循環(huán)不同影響率對(duì)應(yīng)位移等值線云圖

3次干濕循環(huán)時(shí)，當(dāng)影響率為0～0.6時(shí)，滑動(dòng)面處于“大氣影響劇烈層”底部，為淺層滑動(dòng)；當(dāng)影響率為0.8～1時(shí)，滑動(dòng)面處于“大氣影響過(guò)渡層”底部，滑動(dòng)面深度處于深層與淺層之間，為較淺層滑動(dòng)。3次干濕循環(huán)時(shí)，當(dāng)影響率為0～0.6時(shí)，上層土體強(qiáng)度較小，不能承受上層土體的下滑力，中層土體強(qiáng)度相對(duì)于上層較大，可以承受上、中層土體的下滑力，所以產(chǎn)生了淺層滑坡；當(dāng)影響率為0.8～1時(shí)，上層、中層土體強(qiáng)度均較小，不能承受上、中層土體的下滑力，所以產(chǎn)生了滑動(dòng)面位于“大氣影響過(guò)渡層”底部的滑坡。

表7 5次干濕循環(huán)不同影響率對(duì)應(yīng)位移等值線云圖

5次干濕循環(huán)時(shí)（7至無(wú)數(shù)次干濕循環(huán)類(lèi)似），當(dāng)影響率為0～0.8時(shí)，滑動(dòng)面位于“大氣影響劇烈層”底部，為淺層滑動(dòng)；當(dāng)影響率為1時(shí)，滑動(dòng)面位于“大氣影響過(guò)渡層”底部，滑動(dòng)面深度處于深層與淺層之間，為較淺層滑動(dòng)。5次干濕循環(huán)時(shí)，當(dāng)影響率為0～0.8時(shí)，上層土體強(qiáng)度較小，中層土體強(qiáng)度相對(duì)于上層較大，上層土體強(qiáng)度不能夠承受上層土體的下滑力，所以產(chǎn)生了淺層滑坡；當(dāng)影響率為1時(shí)，上層、中層土體強(qiáng)度均較小，不能承受上、中層土體的下滑力，所以產(chǎn)生了滑動(dòng)面位于“大氣影響過(guò)渡層”底部的滑坡。

4 結(jié)論

由于膨脹土對(duì)水的敏感性，其吸水失水產(chǎn)生的脹縮過(guò)程，在土體中形成裂隙，裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展會(huì)使膨脹土產(chǎn)生強(qiáng)度損傷，從而影響整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性，基于干濕循環(huán)強(qiáng)度損傷效應(yīng)，對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行有限元模擬。得到如下結(jié)論：

a）干濕循環(huán)導(dǎo)致邊坡大氣影響層土體強(qiáng)度損傷，從而導(dǎo)致膨脹土邊坡安全系數(shù)下降，穩(wěn)定性受到不利影響。干濕循環(huán)次數(shù)越多，邊坡安全系數(shù)越低，穩(wěn)定性越低，其穩(wěn)定性對(duì)影響率的變化越不敏感。

b）干濕循環(huán)導(dǎo)致邊坡表層土體強(qiáng)度損傷較大，所以滑坡通常表現(xiàn)為淺層滑動(dòng)。干濕循環(huán)次數(shù)不同，邊坡滑動(dòng)面隨影響率變化的形式不盡相同，滑動(dòng)面的差異是不同情況下邊坡各層土體強(qiáng)度以及潛在滑動(dòng)面上受力狀態(tài)共同作用所決定的。

c）膨脹土邊坡由于干濕循環(huán)和影響率的變化所產(chǎn)生的一系列變化，歸根結(jié)底，是由于土體強(qiáng)度的狀態(tài)產(chǎn)生了變化。