降雨優先流下豎向加筋的膨脹土邊坡變形破壞機理研究

曾紅艷，楊文琦，周 成，譚昌明

(1．四川大學 水電學院 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室， 四川 成都 610065；2．四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司， 四川 成都 610041)

膨脹土邊坡常常在雨季吸水膨脹，而在旱季蒸發收縮，在劇烈水分波動下會發生脹縮變形致使裂縫發育，進而在降雨作用下產生裂縫優先流，膨脹土邊坡產生失穩破壞，不僅危害到當地人民的生命財產安全，也給生態造成了極大的破壞[1-3]。許多學者研究了膨脹土邊坡降雨失穩機理并提出了相應的解決方案，目前常用的有內因控制法例如砂墊層置換法、添加劑改性法[4-5]；也有外因控制法例如采用擴底樁、土釘、漿砌片石護坡等剛性防護措施，利用約束力來控制膨脹土邊坡的變形，從而提高其穩定性[6]。這種剛性支護的方法在短時間內有效，但并不能減小膨脹土邊坡內部水分波動，未從根本上解決問題。隨著干濕循環的繼續發生，膨脹土邊坡表面的漿砌片石護坡等最終會發生破壞，失去防護效果。因此有學者提出其他一些方法來提高膨脹土邊坡穩定性，例如具有毛細阻滯效果的CBS(Capillary Barrier System,CBS)防護系統能有效減小裂隙的產生，控制降雨優先入滲，從而維護了膨脹土邊坡的穩定性[7]。史慧珍[8]和殷宗澤等[9]考慮到膨脹土的脹縮變形特性，采用水平向的土工帶或土工格柵等對膨脹土填筑路基進行加固。

還有許多學者開展了一系列的離心模型試驗。例如王國利等[10]利用離心模型試驗研究了膨脹土邊坡在干濕循環過程中裂隙的發展及其對膨脹土邊坡降雨失穩的影響；饒錫寶等[11]利用離心模型試驗對南陽膨脹土渠道邊坡進行分析研究，確定了其穩定坡度；程永輝等[12]也利用離心模型試驗研究了膨脹土邊坡的牽引式滑坡。然而膨脹土邊坡降雨作用下的離心模型試驗一般難于模擬現場的降雨入滲，大多表現為坡面徑流及至坡腳浸泡工況。因此，程永輝等[12]在膨脹土邊坡的離心模型中設置砂井模擬坡面裂縫，開展降雨入滲和滑移破壞研究。

進一步地，作者考慮用豎向植筋帶代替砂井，不但可以模擬裂縫的優先流，同時還起到加筋的作用。利用GeoStudio軟件計算并對比分析降雨條件下膨脹土邊坡的水力和變形特征，通過分別計算不同降雨強度、不同布筋間距和不同植筋帶長度下膨脹土邊坡的變形情況，研究了豎向植筋帶對膨脹土邊坡的加固效果。研究結果為豎向植筋帶加固膨脹土邊坡提供理論參考，同時柔性植筋帶的持水作用也為植物護坡的應用提供了可能。

1 模擬裂縫透水性的砂井膨脹土邊坡離心模型試驗的數值模擬

1.1 建模計算

計算時模型采用文獻[12]中離心模型試驗對應的原型膨脹土邊坡尺寸：渠坡高度為6.5 m，渠底地基土層厚度3.5 m，渠底對稱計算寬度為3.5 m，渠頂寬度為4.5 m，坡度為1∶1.5。數值模擬時，結合實測含水率分布特點，把含砂井的膨脹土邊坡分為裂隙土層和吸濕土層。采用彈塑性模型，膨脹土強度參數根據文獻[13]中對南陽膨脹土進行的強度試驗選取，彈性模量E=5 000 kPa，μ=0.38，w=18%，自由膨脹率為124%，其他參數如表1所示。

表1 膨脹土材料參數表

根據試驗條件，計算模型的邊界條件設置如下：模型底面設置為不透水邊界，模型兩側由于不考慮地下水位設置為零流量邊界，坡頂、坡底面及坡面為滲流邊界，其上施加流量邊界條件，進行穩態滲流分析。建模如圖1所示。

圖1 砂井膨脹土邊坡的數值模擬建模圖

1.2 計算結果

利用GeoStudio中的SEEP模塊，可以得出降雨條件下膨脹土邊坡中的含水率等值線分布，如圖2所示。

從圖2可以看出，水分波動在坡表1 m～2 m范圍內最明顯，降雨影響深度大于2 m，且計算得到的含水率等值線分布同離心模型試驗[12]測得的含水率等值線分布較接近。在計算模型中，坡腳的入滲深度大于坡面，這與實際邊坡易形成坡腳積水導致坡腳入滲深度更深的規律一致。坡頂處的入滲比坡面處深，這是因為膨脹土本身的滲透系數很小，當降雨量小時，雨水完全入滲；當降雨量超過土體的入滲能力時，多余的雨水就會以坡面徑流的形式流走。顯然坡面的徑流量大于坡頂徑流量，因此坡頂的入滲深度較大[14]。模型中計算的坡頂入滲深度比坡腳入滲深度略大，可能是由于模型計算時坡頂的水力邊界設置并未能完全模擬膨脹土邊坡離心模型的實際條件。

圖2 砂井膨脹土邊坡的含水率等值線分布(%)

同時，將滲流計算結果導入Sigma-W模塊，利用強度折減法可以得出膨脹土邊坡破壞時的變形情況如圖3、圖4所示。結合兩圖可看出，膨脹土邊坡發生滑坡破壞時，坡腳處明顯地向臨空面隆起，且計算位移值同試驗結果較吻合。

圖3 砂井膨脹土邊坡的水平位移等值線圖(單位：m)

2 模擬裂縫優先流的豎向植筋帶膨脹土邊坡的數值模擬

2.1 豎向植筋帶加固膨脹土邊坡的計算分析

為了同第1部分中模擬的砂井膨脹土邊坡離心模型試驗結果進行對比，豎向植筋帶膨脹土邊坡降雨工況計算時，材料參數及邊界條件均與第1部分設置保持一致。由于豎向植筋帶只能受拉，不能受壓，因此通過Sigma-W模塊中的梁單元模擬。由于離心模型試驗中膨脹土邊坡的滑坡深度約在1 m左右，為了盡可能保證豎向植筋帶有一定的錨固深度，計算時取其長度為2 m。實際工程中可在坡面鋪設格構梁，與植筋帶構成錨拉加固體系，不僅能發揮抗滑和坡面防護的作用，還可以持水便于后期的植被生長[15]。植被根系在生長的過程中，會因趨水性在持水植筋帶周圍盤結形成根系辮子，增強固土作用。因此計算時在坡面施加垂直于坡面的法向應力1 kPa來模擬持水植筋帶錨拉格構梁所起的反壓作用，建模圖如圖5所示。

圖4 砂井膨脹土邊坡的沉降等值線圖(單位：m)

圖5 加筋膨脹土邊坡建模圖

2.1.1 膨脹土邊坡的表面位移

計算的砂井和豎向植筋帶膨脹土邊坡在降雨作用下坡面的變形分別如圖6所示。設置砂井時，坡頂的膨脹量大于坡面，這是由于坡面的徑流量更大而導致坡面入滲量小于坡頂入滲量，因此坡頂的膨脹量較坡面大；豎向植筋帶顯著抑制了膨脹土邊坡表層吸濕后的豎向膨脹變形值，這是因為豎向植筋帶錨拉格構梁所起的反壓作用抑制了膨脹土的豎向膨脹。但對水平向的坡土膨脹量作用不大，這主要是由于考慮到實際施工的方便，植筋帶是垂直設置的。

圖6 膨脹土邊坡模型計算的坡面節點的位移

由此可見，模擬裂縫透水性的砂井僅僅能調和坡面徑流和入滲的分配，從而近似模擬現場的降雨入滲，但在實際工程中不僅不會對邊坡的變形起到抑制作用，反而可能因為加大了雨水的入滲而促進膨脹土邊坡的失穩。相比之下，豎向植筋帶的存在既能作為持水帶，減少水分波動，為膨脹土邊坡植被生長提供了水分，同時還可抑制膨脹土的吸濕膨脹，使植筋帶-植物護坡應用于膨脹土邊坡加固成為了可能。

2.1.2 膨脹土邊坡的水分波動

膨脹土邊坡的水分波動和干濕循環[16]致使裂縫發育，進而在降雨作用下產生裂縫優先流，產生失穩破壞。因此對于膨脹土而言，猶如CBS防護系統的原理[6]，減小其內部水分波動是關鍵。結合Vadose軟件模塊，使砂井與豎向植筋帶膨脹土邊坡經歷相同的氣候條件，歷時一年。利用Vadose數據庫中美國瓦城斯波坎地區一年的降雨量與溫度變化數據，分別得到砂井與豎向植筋帶膨脹土邊坡的坡中截面的體積含水率的等值線圖7，其中s1—s4分別為坡中截面由上往下取的4個節點，相同的觀測點位分別見圖1和圖5。

圖7 兩種膨脹土邊坡的坡中截面的水分波動

由圖7可知，豎向植筋帶膨脹土邊坡一年內水分波動控制在10%以內；而砂井膨脹土邊坡內水分波動則較大，隨著氣候條件的變化，坡面節點的水分波動最大可達20%左右。與砂井相比，豎向植筋帶的存在能夠減小膨脹土邊坡內部尤其是坡表的水分波動，使膨脹土邊坡內部維持一定的含水率，減緩了膨脹土在劇烈干濕循環過程中的脹縮變形，有利于維持膨脹土邊坡的穩定性；同時，豎向植筋帶的存在還為植被生長提供了水分，有利于實現膨脹土邊坡的固土和綠化。

同時，從圖7中還可看出，砂井膨脹土邊坡中同一斷面不同深度處的初始含水率不一樣，而豎向植筋帶膨脹土邊坡中同樣斷面中四個點的初始含水率接近一致，這是兩種工況下不同的建模方法所造成的。砂井膨脹土邊坡中為了體現砂井的作用，將膨脹土邊坡分為三層，不同土層的初始含水率不一樣。而豎向植筋帶膨脹土邊坡中的豎向植筋帶是以梁單元的形式單獨設置的，坡土為單一均質的土層，各點初始含水率一致。且豎向植筋帶較大的滲透系數相當于增加膨脹土邊坡中的入滲通道，降雨時雨水會首先沿著持水帶及其與土體的界面以優勢流的形式下滲，而通過土體基質下滲的雨水只有很小一部分[17]。因此，膨脹土邊坡上豎向植筋帶之間的土體受氣候變化影響較小。

2.2 豎向植筋帶膨脹土邊坡工況參數敏感性分析

為了研究豎向植筋帶對膨脹土邊坡的影響，采用以上計算建模的模型，分別計算不同降雨強度、不同布筋間距和不同植筋長度下膨脹土邊坡的變形特性。

2.2.1 降雨強度的影響

在分別設置砂井和1 m布筋間距、2 m植筋長度的膨脹土邊坡中，分別施加降雨強度為5 mm/d、10 mm/d和15 mm/d降雨，計算獲得降雨4 d后膨脹土邊坡模型坡面的豎向位移值如圖8所示。由圖8可知，無論是砂井或是豎向植筋帶膨脹土邊坡坡面的膨脹量總是隨著雨強的增大而增大；在雨強為5 mm/d，10 mm/d時，植筋帶膨脹土邊坡表面的豎向膨脹量比砂井的情況更小，且雨強越小，這種抑制作用越明顯。在雨強為15 mm/d時，植筋帶膨脹土邊坡表面的豎向膨脹量明顯大于砂井的工況，這是因為在SEEP模塊的計算中，砂井的作用是通過提高整個土層的滲透系數來體現，而豎向植筋帶的透水作用則是通過其與土體之間的界面單元來體現，且植筋帶的滲透系數略大于砂井的數值，約為10-2cm/s～10-3cm/s左右[18]。當雨強較小時，砂井和豎向植筋帶均能促進雨水入滲，而豎向植筋帶對坡土還具有加筋阻滑作用，一定程度上能抑制坡土的膨脹變形。當雨強增大至15 mm/d時，由于模型中設置的砂井的滲透系數小于豎向植筋帶的數值，超過坡土入滲能力的雨水會大部分地以徑流的形式流走，入滲量較小，因此其膨脹量也相對較小。

圖8 不同降雨強度下植筋帶膨脹土邊坡坡面位移

2.2.2 布筋間距的影響

在降雨強度為10 mm/d、降雨歷時為4 d、豎向植筋帶長度為2 m的條件下，分別將布筋間距設置為0.5 m、1.0 m和1.5 m，計算得到膨脹土邊坡坡面節點的豎向位移值如圖9所示。由圖9可見，布筋間距由0.5 m增至1.5 m的過程中，膨脹土邊坡坡面的豎向位移值隨布筋間距的增大而增大，且位移值呈波浪型分布。布筋間距越小，豎向植筋帶對膨脹土邊坡的約束作用越明顯，節點之間位移的變化量起伏也越小。因此在實際工況中，為了取得類似于水平向加筋的筋箍效用[19]，宜按照細而密的原則布置豎向植筋帶。結合植物護坡時，宜一株灌喬木，一束植筋帶。

圖9 不同布筋間距下膨脹土邊坡的坡面位移

2.2.3 植筋長度的影響

在布筋間距為1 m、降雨強度為10 mm/d、降雨歷時為4 d的膨脹土邊坡中，分別設置豎向植筋帶的長度為1.5 m、2.0 m和2.5 m，以考慮其對膨脹土邊坡變形的影響，計算結果如圖10所示。

圖10 不同布筋深度下膨脹土邊坡坡面位移

由圖10可知，在降雨影響深度大于2 m的情況下(如圖2所示)，豎向植筋帶越長，坡面的膨脹量越大，這可能是由于植筋帶長度沒能滿足錨固長度的要求，沒有顯示出應該大于降雨影響深度的錨固效應；另一方面，也可能是由于豎向植筋帶的設置相當于增加了雨水的入滲通道，在一定程度上增大了膨脹土邊坡的降雨影響深度，雨水的入滲量也隨之增多，從而使得膨脹土的膨脹量更大；當然豎向植筋帶本身的拉伸變形也是一個原因，對這三個可能的原因需要進一步開展研究。

3 結 論

(1) 與單純為了模擬膨脹土邊坡裂縫透水性的砂井相比，豎向植筋帶既可以模擬優先流，又可以起到加固作用。植筋帶膨脹土邊坡在降雨過程中的膨脹變形變小，具有更高的穩定性。

(2) 類似于CBS護坡系統，豎向植筋帶作用于膨脹土邊坡，起到了一定的持水作用，不僅減小了膨脹土邊坡內部的水分波動，減緩了膨脹土邊坡在干濕循環過程中的脹縮變形，同時也為植被的生長提供了必要的水分，為植物護坡在膨脹土邊坡上的應用提供了可能。

(3) 豎向植筋帶作用于膨脹土邊坡時，降雨強度、布筋間距和植筋長度均會對其作用效果產生影響。由計算可知，布筋間距越小，豎向植筋帶對膨脹土邊坡膨脹變形的抑制作用越好，宜按照細而密的原則布置豎向植筋帶，結合植物護坡時，宜一株灌喬木，一束植筋帶，而且植筋帶長度應該大于降雨影響深度以便滿足錨固長度的要求。

(4) 豎向植筋帶與膨脹土之間可能存在著復雜的相互作用，具有一定錨固深度的豎向植筋帶可以有效提高抗滑力，如果有植株存在，根系-豎向植筋帶-膨脹土-降雨之間也會產生復雜的相互作用，這些都需要進一步試驗和計算分析。