砂礫石填筑中小河流河道邊坡穩(wěn)定性分析

趙明鈺

(河北省承德水文水資源勘測局，河北 承德 067000)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，工程建設項目不斷增多，涉及紅黏土的分布區(qū)域與應用也越來越頻繁。如道路建設中紅黏土分布區(qū)域路基工程的黏土填料和水工建設中土石壩工程的黏土心墻。但紅黏土具有高含水率、高塑性指數(shù)、低壓實性以及容易收縮開裂等特殊工程特性，一般不能直接應用于工程建設，需要進行一定的改良。改良方法有很多，其中通過向黏土中摻入不同的物質來改良某些工程特性比較常見[1]。

摻礫黏土由黏土料和礫石料摻和而成，通過摻礫，一方面可提高土料的變形能力，另一方面也可以提高其抗裂性能，因此摻礫黏土在填筑材料中得到了越來越廣泛的應用[2-5]。

本文通過在紅黏土中摻入砂礫石，通過室內試驗，選擇合適的配比材料，分析填筑材料的工程性質，利用極限平衡法和有限元強度折減法分析摻礫黏土填筑后不同工況下坡體的穩(wěn)定性。

1 模型的建立及模型參數(shù)

該研究模型為某在建的中小河流水利樞紐工程，所建水利樞紐位于第四系全新統(tǒng)崩坡積層覆蓋層上，局部崩坡積層下伏第四系上更新統(tǒng)沖積層，覆蓋層以下為志留系下統(tǒng)小河壩組砂巖。第四系全新統(tǒng)崩坡積層主要為崩積、坡積的灰?guī)r、粉砂巖塊(碎)石含黏土。土體中塊、碎石含量30%～60%，多呈次棱角狀，表層局部殘留少量河流沖積砂卵石、漂石，下部局部含有頁巖碎片組成的深灰色碎石土。土體結構較均勻，一般呈松散狀。

該水利樞紐兩側巖體破碎，上部土體松軟，需要對兩側部分巖土體進行清方，然后再對清方部分進行回填。考慮到當?shù)氐脑牧霞t黏土和砂礫石相對比較豐富，選擇利用將砂礫石摻入到紅黏土中進行填筑。選取其中一處典型斷面進行坡體穩(wěn)定性分析。圖1為典型填筑橫斷面圖。

圖1 典型填筑橫斷面圖

將河道邊坡清方后，對其進行填筑。填筑前必須考慮砂礫石和黏土的配比，以便讓填筑材料有更好的工程特性。表1為該模型的相關參數(shù)。

表1 模型相關計算參數(shù)

2 配比試驗

根據(jù)現(xiàn)場地質勘查資料，對滑帶土土樣進行取樣分析發(fā)現(xiàn)，該土樣的主體成分為紅黏土，并摻雜有部分的砂巖碎屑(大致在5%～25%左右)，土樣的天然含水率大致在8%～12%。參考相關的規(guī)范[8]，土樣在暴雨工況下的含水率在15%～20%。通過直剪試驗[4-5]，得到該滑帶土土樣的抗剪強度參數(shù)。

本文中黏聚力c、內摩擦角φ綜合取值的原則是：①以宏觀地質判別為前提；②以滑帶土的物質組成為基礎，測試(現(xiàn)場、室內試驗)值為依據(jù)；③以工程類比[4-7](經(jīng)驗)為參考。

2.1 土樣制備

按表2比例在紅黏土中摻入砂巖，砂巖礫石粒徑為0.075～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm，直剪壓力分別為100、200、300和400 kPa。該紅黏土的干密度為ρd=1.96 g/cm3，以天然工況下含水率10%和暴雨工況下含水率20%的配比進行試驗。

表2 制備土樣的成分及含量

2.2 直剪試驗結果分析

通過直剪試驗，設定不同的垂直壓力，得到剪應力和剪切位移的變化關系，擬合得到其內摩擦角和黏聚力。因文章篇幅有限，選取當摻礫含量為10%(含水率為10%)時的直剪結果。圖2為當摻礫含量為10%時，其剪應力和剪切位移的變化關系。

圖2 直剪試驗結果

根據(jù)直剪試驗結果，對不同垂直應力狀態(tài)下的剪切強度進行線性擬合。圖3為自然工況下含水率為10%時不同礫石含量的黏土線性擬合結果。表3為不同礫石含量的黏土擬合得到的黏聚力和內摩擦角。

圖3 擬合結果

工況摻礫比例/%粘聚力/kPa內摩擦角/(°)容重/kN·(m3)-1自然工況(含水率10%)暴雨工況(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中所得到的摻礫黏土的內摩擦角和黏聚力結果顯示，隨著摻礫量的增加，土樣的黏聚力強度降低，內摩擦角增加。

3 滑坡體穩(wěn)定性分析

采取極限平衡法和有限元強度折減法[6-8]計算本次滑坡體的穩(wěn)定性，并且對自然工況和暴雨工況下的坡體穩(wěn)定性進行對比分析。

3.1 極限平衡法

利用極限平衡法軟件Slide對自然工況和暴雨工況下的坡體穩(wěn)定性進行分析，表4為計算結果。因篇幅有限，只列舉了自然工況和暴雨工況下當填土料為摻礫10%時的坡體穩(wěn)定性分析。圖4為自然工況下坡體穩(wěn)定性分析，圖5為暴雨工程下坡體穩(wěn)定性分析。

表4 極限平衡法分析結果

圖4 自然工況下?lián)降[10%時極限平衡法計算坡體穩(wěn)定性分析

圖5 暴雨工況下?lián)降[10%時極限平衡法計算坡體穩(wěn)定性分析

3.2 有限元強度折減法

利用有限元軟件Phase對自然工況和暴雨工況下的坡體穩(wěn)定性進行有限元強度折減分析，表5為計算結果。因篇幅有限，只列舉了自然工況和暴雨工況下當填土料為摻礫10%時的坡體穩(wěn)定性分析。圖6為自然工況下坡體穩(wěn)定性分析，圖7為暴雨工程下坡體穩(wěn)定性分析。

表5 有限元強度折減法分析結果

圖6 自然工況下?lián)降[10%時有限元強度折減法計算坡體穩(wěn)定性分析

圖7 暴雨工況下?lián)降[10%時有限元強度折減法計算坡體穩(wěn)定性分析

3.3 滑坡穩(wěn)定性的評價標準

根據(jù)《邊坡工程設計規(guī)范》[9]，滑坡穩(wěn)定評價見表6。

表6 邊坡穩(wěn)定性評價標準

根據(jù)《邊坡工程設計規(guī)范》[9]規(guī)定：選取該邊坡的安全系數(shù)應采用1.15～1.20；考慮多年暴雨的附加作用影響時，安全系數(shù)可適當折減0.05～0.1。

3.4 小 結

通過極限平衡法和有限元強度折減法的計算結果可知，同種工況下兩種方法的計算結果差異很小。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性評價標準，將坡體穩(wěn)定性定為1.2。考慮到砂礫石和紅黏土的材料成本，選取暴雨工程下的坡體穩(wěn)定性進行考慮，最終選擇采用摻礫20%的砂礫石黏土為填筑材料。此時在暴雨工況下，通過極限平衡法計算得到的坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.206；通過有限元強度折減法計算得到的坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.22，符合規(guī)范要求，也滿足經(jīng)濟預算。

4 結 論

在紅黏土中加入砂礫石，通過室內試驗，分析填筑石料的工程特性。試驗結果表明，隨著摻礫量的增加，土樣的黏聚力強度降低，內摩擦角增加；隨著含水率的增加，土體的黏聚力和內摩擦角明顯減小。

利用極限平衡法和有限元強度折減法，計算分析當選用紅黏土中摻入不同含量的砂礫石時，在不同工況下(自然工況和暴雨工況)的坡體穩(wěn)定性，在滿足邊坡規(guī)范要求和工程經(jīng)濟建設需要的同時，最終選擇含摻礫量為20%的砂礫石黏土為邊坡填料。