膨脹土高邊坡改性后力學特征及安全穩定性分析研究

韋富杰

(廣西桂商實業投資有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

在建設公路、鐵路及水利設施等過程中會遇到膨脹土邊坡，膨脹土由于其吸水特殊性[1-2]，對工程安全性是一個極大的挑戰。如何應對膨脹土高邊坡的失穩危害性是較多學者研究的重要課題[3]，采用理論計算方法等可對邊坡土體滑移面展開計算[4-5]，由本構模型方程延伸至工程設計，進而預判邊坡工程失穩前兆，為工程建設提供參照。徐文剛、殷俊文、許容等[6-8]認為采用有限元仿真手段，通過FLAC 3D、ANSYS等軟件平臺建立計算模型，進而施加不同外荷載，可分析邊坡模型在不同因素影響下的安全穩定性，評價邊坡滑移體與安全穩定影響因素。本文基于廣西百色高速公路修筑區段內的膨脹土高邊坡穩定性問題，研究探討了固化劑成分對膨脹土的改良效果，以改性土力學特征為研究結果，分析改性膨脹土邊坡工程安全穩定性。

1 工程概況

本項目位于廣西百色“橫5”高速公路樂業修筑路段內，該項目路段長約4 052.5 m，其中膨脹土高邊坡位于K02+105處，與高速公路走向呈垂直方向，以東西為徑向，膨脹土厚度達4.1 m。土體主要為第四系風化坡積土層，土體滲透系數較高，不均勻沉降較為明顯。該邊坡的滑動面出現在砂質泥巖土層中，且較為陡峭，極易發生二次滑坡地質災害，威脅高速公路修筑路段內的安全施工。該膨脹土高邊坡計劃采用錨桿加固措施，設計采用鉆孔式錨桿T33N，錨索預張拉應力為480 kN，分段式進行預應力張拉，最后一段拉力為86.86 kN，錨桿長度值為2.5 m、面積值為256.58 mm2。坡面配置有橫、縱連系梁結構，最大設計彎矩值為379.58 kN·m，結構設計為6φ18 mm鋼筋。其初步支護設計如圖1所示。

圖1 邊坡支護設計示意圖

根據本項目組野外地質勘察發現，該邊坡內主要由黏土礦物組成，而施工周期為當地雨季時節，黏土礦物具有較強的吸水特性，且在吸水飽和狀態下，土體極易發生軟化等現象，強度亦會降低。根據室內試驗表明，本批膨脹土試樣強度在飽和狀態下降低了40%，且膨脹土在吸水后極易出現體積膨脹，體積膨脹變形程度最大可至30%。根據室內液固耦合試驗發現，膨脹土滲透系數達10-7m/s，表明膨脹土試樣內部孔隙度較高，滲流水極易對土體內部產生結構性破壞。由于膨脹土的特殊力學性質，在飽水狀態下邊坡失穩極易發生，因此本文對該膨脹土高邊坡的穩定性進行研究，并結合膨脹土試驗力學特性與工程實際給出改良方案。

2 改性后力學特征

2.1 試驗介紹

為對高膨脹土進行物理改良，本文采用DTC剪切試驗儀開展改性土力學試驗研究，該試驗設備包括加載裝置、數據采集裝置及電腦控制裝置。從試驗設備適用性方面考慮，該試驗系統最大剪切荷載可達100 kN，而圍壓最大可設定5 MPa，采用液壓程序控制加載方式，所有荷載加載裝置均采用活塞推動形式試驗，試驗過程中荷載振幅≤1%，確保荷載滿足靜力加載要求。數據采集裝置是外接一個十六通道數據采集和處理設備，可滿足試驗實時采集監控要求，數據間隔可根據試驗數據精度要求，可設定在0.01～10 s，數據處理時確保光滑度在95%以上。應力與變形參數采集裝置分別以荷載傳感器、變形傳感器為載體，荷載裝置最小精度可達0.01 N，而變形傳感器包括有軸向與環向變形裝置，試驗前分別進行標定和誤差清零，軸向變形傳感器量程為-15～15 mm，確保最小誤差≤0.1%。試驗全過程均采用電腦程序控制，本試驗中加載變形速率控制為0.01 mm/min，確保試驗進程處于可控狀態，滿足試驗破壞力學研究要求。

本試驗中所用樣品均來自百色“橫5”高速公路K1+255區段處膨脹土邊坡工程現場，經現場原位試驗測定該膨脹土最優含水量為17.5%，承載力為80～110 kPa左右。為提升膨脹土承載能力與限制變形特征，采用固化液對試驗樣品進行物理改良，確保改性土內部孔隙結構穩定性。本試驗一方面為研究改性土的剪切力學特征，一方面探討固化液摻量對改性土力學特征影響，因此設定圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，固化液摻量分別按照原狀土樣質量的1%、3%、5%、7%、9%設定，具體試驗參數如表1所示。所有試樣均在實驗室經重塑加工后，混合相應的固化液摻量，制備成試驗樣品，并在養護箱內養護24 h，所有試樣制備后直徑、高度分別為75 mm、150 mm[9-10]。本試驗中在分析不同圍壓、不同固化液摻量后，確定最適宜的固化液摻量，進而分析該高膨脹土穩定性。

表1 各組試樣試驗參數表

2.2 力學特征分析

根據對改性土開展三軸剪切試驗，獲得不同圍壓不同摻量影響下改性土剪切應力應變特征，如圖2為典型圍壓100 kPa、400 kPa下試驗結果。從圖2可看出，固化液摻量與改性土加載應力水平具有正相關關系，含固化液成分的改性土加載應力水平均高于原狀膨脹土試樣。在剪切應變為4%時固化液摻量為1%試樣的加載應力為280.3 kPa，而在該應變下摻量為5%、7%、9%試樣的應力較之分別增長了50.5%、65.8%、92.6%。當固化液摻量愈多，則膨脹土內部孔隙結構被壓密、填充效果越好，對于顆粒結構穩定性具有重要的提升作用，故而表現為加載應力水平較高的現象。但從固化液成分正向促進效果階段性來看，圍壓為100 kPa、應變為3%時，原狀土摻量1%～5%試樣間平均加載應力水平增長為25.2%，而在摻量5%后，應變不發生變化，但加載應力水平增幅為8.5%，此時固化液成分對改性土加載應力水平的促進效應達到“飽和”狀態。分析認為，固化液成分本質上是一種填充密實劑，當膨脹土試樣與固化液成分糅合改造后，其內部大部分活動孔隙均得到良好愈合，但仍存在一些閉合孔隙或非活動孔隙無法有效吸收的固化液成分，因而即使固化液成分增多，對改性土加載應力水平影響也是停滯狀態[11]。從該高速公路膨脹土邊坡改良設計考慮，固化液成分摻量控制在合理值即可，不需要增加過多。

(a)圍壓100 kPa

(b)圍壓400 kPa

從改性土變形特征來看，固化液摻量愈大，則土體塑性變形能力愈強，出現峰值應力階段愈滯后，圍壓100 kPa下僅固化液摻量為9%的試樣未出現峰值應力，而在圍壓200 kPa下固化液摻量為7%、9%的試樣均未出現峰值應力，而摻量5%下峰值應力出現較滯后，整體上可表現為圍壓增大，改性土受固化液摻量影響，塑性能力更得到強化。固化液摻量增大，改性土彈性變形模量均增大，圍壓100 kPa下摻量為1%的試樣彈性模量為64.7 kPa，而摻量為5%、9%的試樣彈性模量較之分別增加了27.8%、50.6%；固化液摻量每增大2%，其彈性模量平均可增加25.8%，而圍壓400 kPa下彈性模量隨固化液摻量增加平均增加10.4%。分析表明，圍壓增大后，固化液成分對改性土彈性變形能力的影響受到限制，塑性變形能力提升，對邊坡大滑移及潛在滑動面形成具有重要促進效果。

在上述試驗結果上，對各試驗條件下的改性土試樣抗剪強度進行處理，其中未出現峰值強度的試樣取應變為15%對應加載應力，如圖3所示。從圖中可知，固化液摻量愈多，改性土試樣抗剪強度愈高，但增幅在摻量達5%后逐漸減弱。圍壓100 kPa下摻量為1%時試樣抗剪強度為431.82 kPa，而摻量為3%、7%、9%的試樣抗剪強度較之分別增強了30.9%、83.1%；摻量為1%～5%的試樣抗剪強度隨之平均增幅為43.8%，而摻量為5%～9%的試樣抗剪強度的平均增幅為6.1%。當圍壓增大至300 kPa、400 kPa后，整體上抗剪強度均得到顯著增長，但固化液摻量對強度的促進效應變化較小，仍以摻量5%為增強轉折變化節點。由此可知，對于百色高速公路高膨脹土邊坡工程中的土質改良問題，可確定固化液摻量5%為最優參數。

圖3 不同圍壓下改性土抗剪強度隨固化液摻量變化特征曲線圖

3 膨脹土高邊坡穩定性分析

邊坡穩定性分析實質上是求解邊坡安全系數，而邊坡安全系數的求解方式主要通過有限差分法，結合具體工程巖土參數求解。基于有限元分析方法與各個巖土層，劃分出該高邊坡有限元單元網格模型，如圖4所示。針對降雨條件，設定邊坡頂、底部均為入滲邊界，且邊界入滲系數根據降雨強度、降雨時間綜合設定，分別以原狀膨脹土邊坡、固化液摻量5%改良后邊坡為對比對象，兩種邊坡研究對象的土體滲透系數分別設定為1.75×10-6m/s、5.35×10-7m/s，并加以不同降雨強度、降雨時間等因素。

3.1 改性膨脹土邊坡穩定性

根據對改性土邊坡滑移面仿真計算，獲得原膨脹土邊坡與固化液摻量5%改性土邊坡穩定性計算結果，如圖5所示。圖5中橫、縱坐標與前述網格單元劃分一致。從圖5對比可看出，原狀膨脹土潛在滑移面比改性土邊坡占據面積要大，且滑移方向以前者更為顯著，表明前者邊坡滑移失穩可能性較高，不利于邊坡工程的安全穩定性。

圖4 邊坡單元網格劃分圖

(a)原狀膨脹土邊坡

(b)固化液為摻量5%的改性土邊坡

在百色高速公路施工擾動時間過程中，計算獲得各時間節點不同摻量改性土與原狀土邊坡安全穩定系數，如圖6所示。從安全穩定系數變化可反映邊坡逐步失穩的過程，在施工開挖第5 d時，原狀膨脹土邊坡安全穩定系數為1.93，而開挖第10 d、30 d時原狀膨脹土邊坡的安全穩定系數分別減少了14.4%、41.6%；施工開挖每5 d平均會導致安全穩定系數降低10.1%，在開挖第35 d時安全穩定系數甚至<1，表明邊坡失穩破壞。相比之下，摻固化液改性土邊坡安全穩定系數隨施工開挖時間變化降幅較穩定，在固化液摻量5%改性土邊坡中，開挖第10 d、20 d、30 d時安全穩定系數較初始開挖第5 d分別減少了6%、12.9%、19.2%，安全穩定系數隨每開挖5 d平均降低2.6%，在開挖全過程中安全穩定系數均>1。由此可知，摻固化液改性土邊坡安全穩定性得到顯著提高，有利于工程建設[12]。

圖6 施工過程中不同類型邊坡安全系數曲線圖

3.2 降雨時長

當降雨時長不同時，邊坡穩定性會有所差異，土體吸收水量進而達到飽和狀態需要一定的時間，膨脹土的體積膨脹變形的發生是在充足的水分與一定階段緩慢變形的過程中實現的，因而需要研究改性膨脹土邊坡在不同降雨持續時間下的穩定性。

圖7為降雨時長影響邊坡安全系數變化曲線，從其整體演化特征可看出，隨著降雨時間延長，邊坡安全系數均降低。固化液摻量為3%邊坡在降雨第10 h時安全穩定系數為1.59，而降雨時間每延長10 h，安全穩定系數平均減少8%。在降雨全過程中，固化液摻量為9%邊坡的安全穩定系數分布為1.1～2.09，降雨第20 h、40 h安全穩定系數較第10 h時分別減少了3.6%、7.7%，隨降雨時間每延長10 h，安全穩定系數平均減少7.5%，即固化液摻量3%、9%改性土邊坡在施工開挖后，在降雨時間持續較長的前提下，安全穩定系數均會逼近1。固化液摻量為5%改性土邊坡在施工開挖結束時，降雨全過程中安全穩定系數均>1.5，降雨第20 h、30 h時的安全穩定系數較降雨第10 h時分別減少了4.2%、6.4%，安全穩定系數隨降雨時間每延長10 h平均降低2.4%。綜合認為，即使降雨時間延長或降雨范圍擴大，固化液摻量為5%改性土邊坡安全穩定性均較高，因而百色高速公路膨脹土高邊坡采用摻量5%固化液處理較為適宜。

圖7 不同降雨時長下邊坡安全系數曲線圖

3.3 降雨強度

膨脹土高邊坡穩定性不僅受降雨時長影響，也受降雨量的影響。為此，在有限元分析軟件中設置不同的降雨量，研究在同一施工開挖時間及降雨時長下，降雨量對改性膨脹土高邊坡穩定性的影響變化。

圖8為不同降雨強度下改性膨脹土高邊坡安全系數特征值。從圖中可看出，隨著降雨強度增加，不論固化劑摻量多少，其安全穩定系數均隨降雨強度增加而遞減，在固化液摻量為1%時，降雨強度5 m/s下安全穩定系數為1.17，而降雨強度為35 m/s、65 m/s后，安全穩定系數分別減少了15.3%、38.8%。這是由于降雨強度增大后，突破邊坡土層抗滲面層可能性增加，局部滲流活動觸發邊坡內潛在滑移面形成，導致邊坡安全穩定系數減小。當固化劑摻量增加后，受降雨強度影響邊坡安全穩定系數的降幅在減小，以固化液摻量5%為例，該類型改性土邊坡在降雨強度每增大10 m/s時，其安全穩定系數減小5.3%，而固化液摻量為9%時該降幅為6.9%。由此可見，固化液成分有助于控制邊坡內孔隙水壓力分布及影響程度，對邊坡安全穩定具有促進效應；當固化液摻量為5%時，隨降雨強度變化，該邊坡工程的安全穩定系數維持在1.6，穩定性較佳。

圖8 不同降雨強度下邊坡安全系數曲線圖

4 結語

(1)固化液摻量與改性土承載能力具有正相關關系，但摻量達到5%后對承載能力的促進效應減弱；圍壓100 kPa下摻量為1%～5%的試樣抗剪強度平均增幅為43.8%，而摻量為5%～9%的試樣抗剪強度的平均增幅為6.1%；固化液成分對改性土塑性變形能力有提升，但對彈性變形能力有所限制。

(2)改性土邊坡潛在滑移面弱于原狀膨脹土邊坡；隨施工開挖進程，每5 d原狀膨脹土邊坡安全穩定系數平均降低10.1%，在開挖第30 d時安全穩定系數甚至<1；改性土邊坡在開挖全過程安全系數均>1，摻量為5%的改性土邊坡安全系數隨每開挖5 d平均降低2.6%。

(3)降雨時間愈長，安全系數愈低，隨降雨時間延長10 h，摻量為3%、9%的改性土邊坡安全穩定系數分別平均減少8%、7.5%，摻量為5%的改性土邊坡降雨全過程中安全穩定系數均>1.5，固化液改性劑摻量5%更為適宜。

(4)邊坡安全系數均隨降雨強度增大而遞減，但摻量愈多，改性土邊坡安全系數隨之降幅愈小，摻量為5%、9%的改性土邊坡在降雨強度每增大10 m/s時，安全系數分別減小5.3%、6.9%，摻量為5%的改性土邊坡安全穩定狀態較優。