平緩型膨脹土邊坡在干濕循環(huán)條件下的穩(wěn)定性研究

佟 浩

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,遼寧 沈陽 110003）

0 引言

膨脹土作為特殊性土的一種又被稱作脹縮性土,其標志性特點為遇水浸泡后體積會產(chǎn)生劇烈膨脹,在失水后體積又會產(chǎn)生顯著的收縮。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因在于膨脹土的組成成分中包含了大量的蒙脫石、伊利石等親水性較強的礦物。由于體變較大,穩(wěn)定性較差,因此對建筑物、構筑物危害性較大,但此類土在天然狀態(tài)下往往表現(xiàn)出較高的強度特征和較低的壓縮性,容易被作為良好的地基填土使用,加之膨脹土分布廣泛,在云南、貴州、廣西等10 個省份多有分布,若不做處理將其直接應用于大型建筑物、邊坡等場景中,可能會產(chǎn)生難以估量的損失。針對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性與破壞機理不少學者展開了研究[1-2],但考慮到邊坡類型的多樣性,而其中的多數(shù)研究主要針對坡度較大的工程邊坡,對于平緩型膨脹土邊坡的穩(wěn)定性及破壞機理,則缺少相關的研究數(shù)據(jù)用以指導工程實際。

本文以遼寧某地的平緩型膨脹土邊坡為研究對象,結合干濕循環(huán)試驗對坡體和滑坡帶中表現(xiàn)出的強度參數(shù)進行研究,并結合揚布普遍條分法,建立干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析方法。

1 研究概況

研究的平緩型膨脹土邊坡位于遼寧省某地國道線路附近,該路段地貌類型屬于侵蝕地貌丘陵區(qū),地勢特征呈現(xiàn)出西南高東北地的趨勢。場地的原坡度在7°～9°之間,屬于平緩型邊坡,路面高程為158 m,道路從西北往東南方向延伸并經(jīng)過斜坡中間。

滑坡段附近地表水系主要為小溪等間歇性流水,地下水類型主要以孔隙水和裂隙水為主,通過大氣降雨的形式進行補充,埋深一般為3.6 m～5.5 m 之間。根據(jù)地質勘查結果顯示,邊坡的構成主要包含了填土、中風化泥巖和殘積黏土。其中填土呈現(xiàn)灰白色,由植物根系、碎石等多種物質構成,平均自由膨脹率為47%；殘積黏土內(nèi)部包含呈破碎狀的風化巖塊,平均自由膨脹率為46%；中風化泥巖呈現(xiàn)深灰色,巖質較軟,失水會產(chǎn)生收縮開裂現(xiàn)象,平均自由膨脹率為48%,綜合上述結果可以看出,該坡體總體呈現(xiàn)中縮脹性。

由于受到當?shù)亟邓⒌乇硭档拳h(huán)境的影響,在路線運營期間,多處路段在路基邊坡產(chǎn)生滑移下出現(xiàn)路面沉降開裂,其中最大沉降量達到20 cm。產(chǎn)生滑坡的坡面后緣處有多條長度為1 m～18 m,深度1 m～2.5 m 不等的羽狀裂縫,填方段路基的下沉量在0.4 m～0.9 m 之間。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場勘察

為了明確滑移面的形狀和和位置所在,需要對邊坡地層進行現(xiàn)場勘察。本文所使用的方法為開挖探槽結合輕型動力觸探試驗進行。通過開挖探槽獲取地層的組成類型,輕型動力觸探試驗則可以對地層的軟弱夾層進行識別。其中圖1（a）所示為探槽開挖測量圖,圖1（b）所示為地層的分布情況圖。

圖1 探測槽開挖后土層的分布情況

根據(jù)輕型動力觸探試驗的結果,得到了貫入擊數(shù)和貫入深度關系曲線,見圖2。其中N10為貫入深度達到30 cm 時的貫入擊數(shù),貫入深度用h表示。

圖2 典型貫入擊數(shù)的N10 和h 關系曲線

通過圖2 的測試結果可以看出,貫入錘擊的次數(shù)在貫入深度達到3.3 m 左右時呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢,此結果表明在3.3 m 深度左右的地層力學性能較差,可認為該地層為邊坡滑動帶。結合貫入結果和地層分布情況可進一步推測出此邊坡的破壞類型為淺層失穩(wěn)破壞,屬于典型的膨脹土邊坡破壞模式。

2.2 干濕循環(huán)試驗

為了明確干濕循環(huán)和膨脹土邊坡失穩(wěn)之間的相互關系和獲取坡體和滑坡帶在干濕循環(huán)中表現(xiàn)出的強度參數(shù),需要設計干濕循環(huán)試驗。本文所用膨脹土取自上文所述邊坡滑動帶處的原狀膨脹土,其各項物理參數(shù)見表1。

表1 取樣膨脹土的基本物理參數(shù)

將取得的膨脹土樣本進行碾碎、烘干后篩分,將樣本制備成壓實度達到90%的環(huán)刀試樣,式樣共制備五組,每組兩個。將五組式樣分別按干濕循環(huán)次數(shù)0、2、4、6、8 次進行編號,按照順序分別編號為對照組A 和B、C、D、E 四個試驗組。由于根據(jù)現(xiàn)場勘察結果顯示當?shù)氐呐蛎浲猎谧匀粻顟B(tài)下含水率在10%～34%區(qū)間內(nèi)不等,因此對干濕循環(huán)試驗的含水率上下限設置為下限為10%,上限為35%。

本試驗采用的含水率改變方法為滴定管滴定結合烘箱烘干的方法進行模擬。即對試驗組式樣采用滴定管將水滴定在試驗上,并在滴定后稱取并記錄式樣質量,直至式樣含水率達到設定的上限含水率35%。之后將式樣置于溫度設定為40℃的烘箱中進行烘干,并不定時稱取并記錄式樣質量,直至式樣達到下限含水率10%,此過程視為一次干濕循環(huán)。之后對完成干濕循環(huán)預定次數(shù)的式樣按照《土工試驗方法標準》進行直剪試驗用以獲取式樣的強度結果。

3 結果分析

3.1 強度分析

通過分別對A、B、C、D、E 五組在0、2、4、6、8 次干濕循環(huán)后進行的直剪試驗,得到了不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹土式樣抗剪強度參數(shù)結果,并將結果繪制成了如圖3 所示的不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹土抗剪強度參數(shù)變化圖。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹土抗剪強度參數(shù)變化情況

圖3 為不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹土抗剪強度參數(shù)變化結果,從圖中可以看出隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,抗剪強度參數(shù)黏聚力基本呈現(xiàn)降低的趨勢,表明隨著干濕循環(huán)的作用,膨脹土土體內(nèi)部結構會遭到一定程度的破壞,導致抗剪強度的降低,其中隨著循環(huán)次數(shù)的增大,黏聚力降低較為顯著,在經(jīng)過8 次的干濕循環(huán)后黏聚力衰減到10.5 kPa 左右,衰減幅度達到了52%。同時黏聚力的衰減幅度隨著干濕循環(huán)的次數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢,在達到第8 次干濕循環(huán)時降至最低。表明現(xiàn)場的邊坡滑塌破壞主要原因在干濕循環(huán)作用下黏聚力降至最低值所致；相較于黏聚力,內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)的次數(shù)增加變化幅度較小,總體在11.2°～11.6°區(qū)間內(nèi)變化,其可能原因在于膨脹土式樣在經(jīng)歷脹縮變化后,其總體的表面特征未發(fā)生明顯改變,使得內(nèi)摩擦角總體上變化幅度也不大。

3.2 基于揚布普遍條分法的安全系數(shù)模型

采用條分法對膨脹土的邊坡穩(wěn)定性進行分析時,需引入膨脹力的概念。膨脹力為邊坡坡體內(nèi)力的一種[3],多存在于土體滑坡體之間,因此地基反力應等于膨脹力。但本文根據(jù)土條塊的受力模式分析認為地基反力應小于膨脹力,在確定膨脹力之后,便可以通過原地基反力和膨脹力的差值確定新的地基反力。

圖中P'lin為膨脹力分解后垂直向的分力；為膨脹力分解后水平向的分力；水平向膨脹力；yi和yi-1分別為第i和第i-1 條塊的側邊切應力；Ei和Ei-1分別為第i和第i-1條塊的側邊法應力；Pi和Pi-1分別為第i和第i-1 條塊的側邊膨脹力；Wi為第i條塊的自重應力；Wi為滑裂面在第i條塊的抗滑移力；Ni和N'i分別為原地基反力和新地基反力；Pli為膨脹力。

基于揚布普遍條分法,條塊在豎直方向上存在：

上式可以變化為：

將（2）進行變化可以得到：

由于在（3）中Ti主要由膨脹土的抗剪強度所決定,因此Ti必須滿足：

式中：Fs為安全系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力。

根據(jù)條塊水平向的受力平衡可知：

式（5）可以變化為：

由式（3）、式（4）、式（6）可得：

在式（7）中：

由于在揚布普遍條分法中規(guī)定,各個條塊之間的法向應力累加和應為0,即：

則結合式（9）的限定條件,可將式（7）轉化為求取安全系數(shù)的公式,即：

通過式（10）便可以對膨脹土邊坡的安全系數(shù)進行計算從而可以對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性進行定量分析。

3.3 膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析

基于前文得到的安全系數(shù)計算模型,對某地國道線路附近的平緩型膨脹土邊坡穩(wěn)定性進行計算研究,將滑體共劃分為10 個條塊,分別采用不考慮膨脹力影響的情況、文獻[3]的計算方法和本文所提出的計算方法進行對比,并繪制了圖4。

圖4 干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡安全系數(shù)變化情況

圖4 所示為不同方法下的干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡安全系數(shù)變化情況,從圖中可以看出在無干濕循環(huán)時,膨脹力會降低邊坡的安全系數(shù),但邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài),隨著干濕循環(huán)的進行和次數(shù)的增多,安全系數(shù)呈現(xiàn)出降低的趨勢且降幅也隨之減小,其變化趨勢與土體的抗剪強度大致相當。在達到8 次的干濕循環(huán)時,文獻[3]所給出的方法得到的安全系數(shù)為1.6,此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),而實際邊坡已經(jīng)失穩(wěn)；考慮到對邊坡的簡化處理,本文所給出的方法計算得到的安全系數(shù)為1.05,略大于1,此時邊坡狀態(tài)接近于失穩(wěn),與實際結果最為接近,可見對于平緩型膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析,本文的方法更加貼近實際。

4 結論

本文以遼寧某地的平緩型膨脹土邊坡為研究對象,結合干濕循環(huán)試驗對坡體和滑坡帶中表現(xiàn)出的強度參數(shù)進行研究,并結合揚布普遍條分法,建立了干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析方法,并得出了如下結論：

1）隨著干濕循環(huán)的作用,膨脹土土體內(nèi)部結構會遭到一定程度的破壞,導致抗剪強度的降低,致使膨脹土邊坡穩(wěn)定性降低。

2）在無干濕循環(huán)時,膨脹力會降低邊坡的安全系數(shù),隨著干濕循環(huán)的進行和次數(shù)的增多,安全系數(shù)呈現(xiàn)出降低的趨勢且降幅也隨之減小。