降雨條件下水泥改性膨脹土邊坡穩定性數值分析研究

黎鳳蓮

【摘要：】文章以某地膨脹土邊坡為分析對象，采用數值模擬的手段模擬分析了采用不同比例水泥土加固方式后邊坡在降雨條件下的穩定性變化規律，并重點分析加固前后邊坡安全系數和豎向、水平位移變化規律。結果表明：相比于邊坡無防護手段時，采用3%水泥土、4%水泥土和5%水泥土防護手段在3次降雨后邊坡安全系數降幅分別減小了42.8%、68.7%和73.8%;降雨入滲對邊坡的淺層位移影響較大，邊坡的最大水平和豎向位移分別出現在坡面中上部和坡頂位置;水泥土具有較好的隔離水分作用和重力效應，使土體產生較小的膨脹作用，起到良好的加固效果，能有效減小降雨過程中的邊坡失穩風險，而邊坡不采用防護手段時的位移基本上是采用水泥土防護手段時的5倍左右。

【關鍵詞：】膨脹土邊坡;降雨條件;水泥土;穩定性;數值分析

U416.1+4A230703

0 引言

土質邊坡由于具有較好的透水性，在降雨條件下非常容易發展成膨脹性土邊坡，加劇了土質邊坡的失穩風險。近年來，國內學者對此進行了一些研究，主要有：文獻[1-2]以降雨條件下膨脹土邊坡滲流場變化進行分析，得到了裂隙存在及發展對邊坡穩定性的影響，并重點分析了錨桿參數變化對膨脹土邊坡和一般土質邊坡的影響。文獻[3-4]采用離心機試驗與數值模擬試驗相結合的手段，具體分析了土工格柵加固膨脹土邊坡的效果，結果表明，采用長土工格柵或通長布置配筋方法可以提高膨脹土邊坡穩定性，研究結果可為工程提供借鑒。文獻[5-6]以膨脹土邊坡為分析對象，重點研究了膨脹土邊坡近年來的發展以及對膨脹土邊坡穩定性的分析方法。文獻[7-8]以某工程為研究背景，通過室內干濕循環試驗，分析膨脹土邊坡失穩破壞的主要原因，并采用數值模擬的手段進行了驗證分析。本文主要以某地膨脹土邊坡為分析對象，以數值模擬的手段模擬分析了采用不同比例水泥土加固方式后邊坡在降雨條件下的穩定性變化規律，并重點分析加固前后邊坡安全系數和豎向、水平位移變化規律。研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某地區膨脹土邊坡，土質以坡殘積細粒土亞組為主要成分，邊坡高度為6 m，長度為12.5 m，坡率為1∶1.5。如圖1所示，該邊坡包括無防護坡段和水泥土防護坡段兩個工況，對于有防護坡段，水泥土厚度為0.1 m，水泥土含量分別為3%、4%和5%。本文為了簡化計算，假設邊坡為均質邊坡。

2 數值建模

2.1 模型建立

圖2所示為計算模型圖，邊坡高度為6 m，長度為12.5 m，坡率為1∶1.5。本文在模擬過程中主要考慮邊坡的吸濕膨脹影響，土體的重度、模量均取天然狀態下的數值，采用強度折減法計算邊坡安全系數。模型除上邊界外，其他邊界均進行位移約束。模型采用摩爾-庫侖本構模型。圖2分別為模型的土體強度和內摩擦角沿深度變化圖。表1所示為天然土體和3%水泥土、4%水泥土和5%水泥土的物理力學參數。根據文獻[3]，在數值模擬中，可以通過土體的溫度膨脹系數和設置溫度場來得到坡體溫度分布，以此來模擬邊坡吸濕膨脹作用。

2.2 工況設置

本文共分為4個工況，并對每種工況下邊坡的初始狀態和降雨后的狀態進行模擬，分別如下：1#邊坡為無防護形式;2#邊坡為3%水泥土防護方式;3#邊坡為4%水泥土防護方式;4#邊坡為5%水泥土防護方式。降雨方式均為短時強降雨方式。

3 數值結果分析

3.1 邊坡安全性分析

圖3所示為各邊坡安全系數隨干濕循環次數變化曲線圖。由圖3可知，在降雨前各種工況下的邊坡均保持較大的安全系數，穩定性較好，安全系數均在5.1之上，其中，1#邊坡安全系數最小。隨著水泥土含量增大，邊坡安全系數增大。此外，在干濕循環試驗中，隨著干濕循環次數的增加，邊坡安全系數依次減小。對于1#、2#、3#和4#邊坡，在降雨3次后，安全系數依次分別減小了5.53%、3.02%、1.73%和1.38%。由此可知，相比于邊坡無防護手段時，采用3%水泥土、4%水泥土和5%水泥土防護手段的邊坡在3次降雨后的邊坡安全系數降幅分別減小了42.8%、68.7%和73.8%。

3.2 邊坡位移變化分析

位移是反映邊坡安全性最為直觀的參數之一，如下頁圖4～6所示，分別給出了1#邊坡第1次降雨后和第3次降雨后以及4#邊坡第3次降雨后的邊坡水平位移和豎向位移數據。由圖4～6可知，降雨入滲對邊坡的淺層位移影響較大，這與現有研究相吻合，即膨脹土邊坡在淺層表面已發生滑坡現象。邊坡的水平位移最大值出現在坡面中上部位，而邊坡的最大豎向位移出現在坡頂位置。對比圖4和圖5可知，對于1#邊坡，第3次降雨后，邊坡的水平位移和豎向位移明顯大于第一次降雨后。對比圖5和圖6可知：對于4#邊坡，第3次降雨之后，邊坡的水平位移和豎向位移明顯小于1#邊坡。

為了更直觀地顯示各邊坡位移變化，如下頁圖7所示，通過設置監測點得到了1#～4#邊坡最大豎向和水平位移。由圖7（a）可知，在降雨發生前（初始狀態時）豎向位移為0 mm，第一次降雨后，1#～4#邊坡豎向位移分別為20.04 mm、1.41 mm、0 mm和0 mm;第二次降雨后，1#～4#邊坡豎向位移分別為22.31 mm、3.24 mm、3.23 mm和3.23 mm;第三次降雨后，1#～4#邊坡豎向位移分別為22.54 mm、5.02 mm、5.07 mm和5.06 mm。由圖7（b）可知，在降雨發生前（初始狀態時）豎向位移為0 mm，第一次降雨后，1#～4#邊坡水平位移分別為

9.33 mm、1.28 mm、0 mm和0 mm;第二次降雨后，1#～4#邊坡水平位移分別為10.16 mm、1.53 mm、1.52 mm和1.51 mm;第三次降雨后，1#～4#邊坡水平位移分別為10.64 mm、2.06 mm、2.02 mm和2.02 mm。綜上可知，采用水泥土防護時，無論是豎向位移還是水平位移均比不采用防護手段時小得多。邊坡不采用防護手段時的位移基本是采用水泥土防治手段時的5倍左右，其主要原因是：（1）水泥土起到了較好的隔離水分作用，致使土體產生較小的膨脹作用;（2）水泥土起到了重力效應，減小了土體膨脹性。由此，證明采用水泥土防護措施加固邊坡可以起到良好的加固效果，能有效減小降雨過程中的邊坡失穩風險。

4 結語

本文主要以某地膨脹土邊坡為分析對象，采用數值模擬的手段模擬分析了采用不同比例水泥土加固方式后邊坡在降雨條件下的穩定性變化規律，并重點分析加固前后邊坡安全系數和豎向、水平位移變化規律，得到以下結論：

（1）相比于邊坡無防護手段時，采用3%水泥土、4%水泥土和5%水泥土防護手段在3次降雨后邊坡安全系數降幅分別減小了42.8%、68.7%和73.8%。

（2）降雨入滲對邊坡的淺層位移影響較大，邊坡的水平位移最大值出現在坡面中上部位，而邊坡的最大豎向位移出現在坡頂位置。采用水泥土防護時，無論是豎向位移還是水平位移均比不采用防護手段時小得多，邊坡不采用防護手段時的位移基本是采用水泥土防治手段時的5倍左右。

（3）水泥土具有較好的隔離水分作用和重力效應，可使土體產生較小的膨脹作用，起到良好的加固效果，能有效減小降雨過程中的邊坡失穩風險。

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