干濕循環(huán)效應(yīng)對膨脹性土邊坡穩(wěn)定性影響分析

李鵬宇，唐中軍

（1.山西省公路局 大同分局，山西 大同 037000；2.無錫地鐵集團有限公司，江蘇 無錫 214131）

膨脹土是一種特殊土體，其礦物組成中包含蒙脫石和伊利石，這兩種礦物均有較強親水性[1]。膨脹土具有以下顯著的特性：由于地質(zhì)運動產(chǎn)生的地應(yīng)力以及節(jié)理面；由于對水的敏感性產(chǎn)生的裂隙性、膨脹性等。膨脹土邊坡經(jīng)常產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，已成為工程建設(shè)中的一大危害，出現(xiàn)在道路邊坡中，一旦出現(xiàn)病害，維修費用高且容易出現(xiàn)交通事故[2-3]。膨脹土在我國的廣西、河南、安徽、江蘇等20多個?。▍^(qū)）都有廣泛的分布，總面積在10萬km2以上[4]。我國膨脹土分布區(qū)生活著3億人口，膨脹土每年帶來的經(jīng)濟損失高達150億美元，在西部部分地區(qū)尤為嚴重[5]。因此膨脹土是一種典型的“問題性”土，由此引起的大量破壞使膨脹土成為人們關(guān)注的特殊土體。國內(nèi)外學(xué)者對膨脹土邊坡干濕循環(huán)效應(yīng)作了大量研究。

Alonso[9]研究得出膨脹土試樣的脹縮變形分為兩部分：微觀結(jié)構(gòu)變形和宏觀結(jié)構(gòu)變形。李雄威等[10]發(fā)現(xiàn)膨脹土在達到飽和狀態(tài)后，膨脹過程依然在進行當中，并且持續(xù)時間較長。池育源等[11]通過直剪試驗驗證了膨脹土在干濕循環(huán)作用下的裂縫情況，并通過測試確定了膨脹土穩(wěn)定劑的摻入量。

王棟等[12]對考慮強度各向異性的邊坡穩(wěn)定進行有限元分析，說明了ABAQUS有限元數(shù)值模擬在評價成層邊坡穩(wěn)定性時的正確性。

1 依托工程概況

本工程地理位置位于安徽省合肥市蜀山區(qū)小廟鎮(zhèn)竇小郢，緊鄰G312（南側(cè)）（樁號K40+700—K42+200），地面高程32～37 m，河道挖深20～24 m左右，邊坡上部為膨脹土，下部為泥質(zhì)粉、細砂巖-泥巖。

河道工程：該段樁號為K40+700—K42+200，共計1.5 km。

擬建河道工程設(shè)計方案：設(shè)計標準為限制性Ⅱ級航道，斷面采用梯形斷面，河道底寬60 m，底高程13.4 m，設(shè)計洪水位25.53 m，最高通航水位23.86 m，最低通航水位17.4 m；每6 m設(shè)一級邊坡平臺，一級平臺寬4 m，二級平臺寬8 m，三級平臺寬3 m，渠道坡頂設(shè)13 m寬管護道路；渠道邊坡高度大于20 m，土質(zhì)和全-強風(fēng)化砂巖邊坡坡率1∶2、中等風(fēng)化砂巖邊坡坡率1∶2。試驗段兩端邊坡坡率1∶3.5，每6 m設(shè)一級邊坡平臺，平臺寬4 m。支護方式：從上至下依次采取生態(tài)護坡防護、水泥土覆蓋隔離等措施；在下層巖基部分增加錨筋加固；在渠底采取現(xiàn)澆混凝土防護。試驗研究結(jié)束后，根據(jù)設(shè)計斷面對渠道進行擴挖，使其與上下游渠道銜接。

2 數(shù)值計算模型

根據(jù)本區(qū)膨脹土的工程特性，將膨脹土在深度方向上分為“大氣影響帶”和“非影響帶”。即大氣影響深度以上的土層為“大氣影響帶”，大氣影響深度以下的土層為“非影響帶”?！按髿庥绊憥А眱?nèi)土體經(jīng)受反復(fù)干濕循環(huán)，脹縮裂隙發(fā)育，土體的整體性遭到破壞，表層常被微裂隙分割成散體狀結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生淺表型脹縮變形破壞?！胺怯绊憥А眱?nèi)基本不受大氣環(huán)境影響，由于膨脹土的超固結(jié)性和微透水性，使其一般呈非飽和狀態(tài)，為典型的非飽和土。土體滲透性微弱，為不透水層，孔洞及蟲孔不甚發(fā)育，結(jié)構(gòu)緊密。

有限元計算模型中的膨脹性巖土體參數(shù)取值如表1，表中參數(shù)均為試驗工程現(xiàn)場試驗測得。其中抗剪強度參數(shù)是通過膨脹性巖土的三軸試驗和直剪試驗得出。彈性模量是通過膨脹性巖土飽和樣三軸試驗中不同圍壓下線彈性階段的彈性模量得出。

表1 膨脹性巖土體參數(shù)取值

根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[13]中的規(guī)定，由土的濕度系數(shù)來確定本區(qū)大氣影響深度，而大氣影響急劇層深度為大氣影響深度的0.45倍。針對試驗工程的實際情況，本區(qū)大氣影響深度3.2～3.4 m，大氣影響急劇層深度1.4～1.5 m。本文數(shù)值模擬采用大氣影響劇烈層深度1.4 m，大氣影響深度3.2 m。根據(jù)工程現(xiàn)場試驗，得出膨脹土體各次干濕循環(huán)對應(yīng)的強度指標，如表2所示。

表2 各次干濕循環(huán)對應(yīng)強度指標

數(shù)值模型將膨脹土邊坡分為3層。上層為大氣影響急劇層，厚度為1.4 m；中層為大氣影響過渡層，厚度為1.8 m；上層和中層合稱為大氣影響層，厚度為3.2 m；下層為非大氣影響層。上層上覆壓力小，受大氣影響劇烈，裂隙充分發(fā)育，強度充分衰減，因此上層的強度參數(shù)可選取各次干濕循環(huán)后的強度參數(shù)。但是，干濕循環(huán)效應(yīng)對膨脹土的作用還應(yīng)受應(yīng)力狀態(tài)等影響，中層土體由于上覆壓力、土質(zhì)類型等因素的影響，裂隙開展程度不充分，強度衰減也不充分，因此可用影響率n來反映上覆壓力、土質(zhì)類型等因素的不同對中層土體強度的影響，影響率越高，中層土體受干濕循環(huán)影響越大，中層土體強度參數(shù)越接近上層。下層由于深度較深，上覆壓力較大，所以不受干濕循環(huán)的影響，強度參數(shù)取土體初始強度值。

上層強度指標S上=Si，中層強度指標S中=(1-n)·S0+n·Si，其中 S 為強度指標，i為干濕循環(huán)次數(shù)，n 為影響率。

根據(jù)公式，算得各次干濕循環(huán)下不同影響率所對應(yīng)的中層土體強度參數(shù)，中層土體強度參數(shù)與影響率關(guān)系如表3所示。

由于沿河道方向邊坡斷面的大小和形狀基本不變，故選擇樁號J42+300斷面為代表斷面進行建模。開挖邊坡每6 m設(shè)一級邊坡平臺，一級平臺寬4 m，二級平臺寬8 m，三級平臺寬3 m；渠道邊坡高度大于20 m，一級斜坡坡率為1∶2，二級斜坡坡率為1∶3，三級斜坡坡率為1∶3，四級斜坡坡率為1∶4；河底寬度為10 m。整個試驗段分布有膨脹土，邊坡表層受干濕循環(huán)作用。模型示意圖如圖1所示。荷載為邊坡本身的重力，邊界條件為限制模型兩側(cè)邊界水平方向的位移及模型底部水平和豎直方向的位移。模型有兩個分析步，load和reduce分析步，load分析步施加21.8 kPa的體力，reduce分析步中對膨脹土體進行強度折減；有限元的單元類型采用CPE4（四節(jié)點平面應(yīng)變單元）；本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型；采用非關(guān)聯(lián)流動法則，剪脹角均為0°；不考慮滲流的影響。

3 計算結(jié)果分析

3.1 穩(wěn)定性分析

圖2為各次干濕循環(huán)下邊坡安全系數(shù)與影響率關(guān)系圖，安全系數(shù)由強度折減法所得。根據(jù)圖像，總體上，干濕循環(huán)次數(shù)越多，邊坡安全系數(shù)越小；同一干濕循環(huán)次數(shù)下，影響率越大，邊坡安全系數(shù)越小。

圖2 各次干濕循環(huán)下邊坡安全系數(shù)與影響率關(guān)系

干濕循環(huán)次數(shù)不同時，邊坡安全系數(shù)隨影響率的變化趨勢略有不同。當干濕循環(huán)次數(shù)較小為1、3時，安全系數(shù)隨影響率的增大經(jīng)歷先平緩后劇烈的過程，在影響率為0～0.6時變化較為平緩，在影響率為0.6～1時變化較為劇烈；當干濕循環(huán)次數(shù)較大為5、7、10及無數(shù)次時，安全系數(shù)隨影響率的變化同樣經(jīng)歷先平緩后劇烈的過程，不同的是，在影響率0～0.8時變化較為平緩，在影響率0.8～1時較為劇烈，且劇烈程度相對于低次干濕循環(huán)較輕。

干濕循環(huán)次數(shù)不同，邊坡安全系數(shù)受影響率變化而變化的幅度也不同。當影響率為1時，各次干濕循環(huán)安全系數(shù)的下降幅度見表4。干濕循環(huán)次數(shù)越少，影響率為1時邊坡的安全系數(shù)下降幅度越大，最大達到了34.05%，最小為22.35%。

表4 邊坡安全系數(shù)變化幅度表

3.2 滑動面分析

膨脹土邊坡產(chǎn)生滑動的原因，是由于邊坡自身重力會使土體產(chǎn)生下滑力，當土體抗剪強度無法抵抗土體的下滑力時，邊坡就會產(chǎn)生滑坡。

圖3為原邊坡位移等值線云圖，表5、表6、表7為不同干濕循環(huán)次數(shù)不同影響率下的邊坡位移等值線云圖，選取第1、3、5次干濕循環(huán)作為典型，其余干濕循環(huán)次數(shù)的位移等值線云圖與第5次干濕循環(huán)類似，不再列舉。以上均云圖為采用強度折減法計算所得。

圖3 原邊坡位移等值線云圖

1次干濕循環(huán)時，隨著影響率的增大，邊坡滑動面深度逐漸變淺。但相對而言，當影響率為0～0.6時，滑動面深度依然較深，與原邊坡滑動面類似，屬于深層滑動；當影響率為0.8～1時，滑動面處于“大氣影響過渡層”底部，滑動深度處于淺層與深層之間，為較淺層滑動。1次干濕循環(huán)時，當影響率為0～0.6時，上層土體強度雖衰減，但依然相對較大，能夠承受上層土體的下滑力，中層土體強度也相對較大，能夠承受上、中層土體的下滑力，下層土體強度不能夠承受整體邊坡的下滑力，所以滑動面產(chǎn)生在下層，為深層滑動；當影響率為0.8～1時，中層土體強度進一步減小，已不能承受來自上、中層土體的重力沿坡面向下的分力，所以產(chǎn)生滑動，滑動面位于“大氣影響過渡層”底部。

表5 1次干濕循環(huán)不同影響率對應(yīng)位移等值線云圖

表6 3次干濕循環(huán)不同影響率對應(yīng)位移等值線云圖

3次干濕循環(huán)時，當影響率為0～0.6時，滑動面處于“大氣影響劇烈層”底部，為淺層滑動；當影響率為0.8～1時，滑動面處于“大氣影響過渡層”底部，滑動面深度處于深層與淺層之間，為較淺層滑動。3次干濕循環(huán)時，當影響率為0～0.6時，上層土體強度較小，不能承受上層土體的下滑力，中層土體強度相對于上層較大，可以承受上、中層土體的下滑力，所以產(chǎn)生了淺層滑坡；當影響率為0.8～1時，上層、中層土體強度均較小，不能承受上、中層土體的下滑力，所以產(chǎn)生了滑動面位于“大氣影響過渡層”底部的滑坡。

表7 5次干濕循環(huán)不同影響率對應(yīng)位移等值線云圖

5次干濕循環(huán)時（7至無數(shù)次干濕循環(huán)類似），當影響率為0～0.8時，滑動面位于“大氣影響劇烈層”底部，為淺層滑動；當影響率為1時，滑動面位于“大氣影響過渡層”底部，滑動面深度處于深層與淺層之間，為較淺層滑動。5次干濕循環(huán)時，當影響率為0～0.8時，上層土體強度較小，中層土體強度相對于上層較大，上層土體強度不能夠承受上層土體的下滑力，所以產(chǎn)生了淺層滑坡；當影響率為1時，上層、中層土體強度均較小，不能承受上、中層土體的下滑力，所以產(chǎn)生了滑動面位于“大氣影響過渡層”底部的滑坡。

4 結(jié)論

由于膨脹土對水的敏感性，其吸水失水產(chǎn)生的脹縮過程，在土體中形成裂隙，裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展會使膨脹土產(chǎn)生強度損傷，從而影響整個邊坡的穩(wěn)定性，基于干濕循環(huán)強度損傷效應(yīng)，對膨脹土邊坡進行有限元模擬。得到如下結(jié)論：

a）干濕循環(huán)導(dǎo)致邊坡大氣影響層土體強度損傷，從而導(dǎo)致膨脹土邊坡安全系數(shù)下降，穩(wěn)定性受到不利影響。干濕循環(huán)次數(shù)越多，邊坡安全系數(shù)越低，穩(wěn)定性越低，其穩(wěn)定性對影響率的變化越不敏感。

b）干濕循環(huán)導(dǎo)致邊坡表層土體強度損傷較大，所以滑坡通常表現(xiàn)為淺層滑動。干濕循環(huán)次數(shù)不同，邊坡滑動面隨影響率變化的形式不盡相同，滑動面的差異是不同情況下邊坡各層土體強度以及潛在滑動面上受力狀態(tài)共同作用所決定的。

c）膨脹土邊坡由于干濕循環(huán)和影響率的變化所產(chǎn)生的一系列變化，歸根結(jié)底，是由于土體強度的狀態(tài)產(chǎn)生了變化。