砂礫石填筑中小河流河道邊坡穩(wěn)定性分析

趙明鈺

(河北省承德水文水資源勘測(cè)局，河北 承德 067000)

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工程建設(shè)項(xiàng)目不斷增多，涉及紅黏土的分布區(qū)域與應(yīng)用也越來(lái)越頻繁。如道路建設(shè)中紅黏土分布區(qū)域路基工程的黏土填料和水工建設(shè)中土石壩工程的黏土心墻。但紅黏土具有高含水率、高塑性指數(shù)、低壓實(shí)性以及容易收縮開(kāi)裂等特殊工程特性，一般不能直接應(yīng)用于工程建設(shè)，需要進(jìn)行一定的改良。改良方法有很多，其中通過(guò)向黏土中摻入不同的物質(zhì)來(lái)改良某些工程特性比較常見(jiàn)[1]。

摻礫黏土由黏土料和礫石料摻和而成，通過(guò)摻礫，一方面可提高土料的變形能力，另一方面也可以提高其抗裂性能，因此摻礫黏土在填筑材料中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2-5]。

本文通過(guò)在紅黏土中摻入砂礫石，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，選擇合適的配比材料，分析填筑材料的工程性質(zhì)，利用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法分析摻礫黏土填筑后不同工況下坡體的穩(wěn)定性。

1 模型的建立及模型參數(shù)

該研究模型為某在建的中小河流水利樞紐工程，所建水利樞紐位于第四系全新統(tǒng)崩坡積層覆蓋層上，局部崩坡積層下伏第四系上更新統(tǒng)沖積層，覆蓋層以下為志留系下統(tǒng)小河壩組砂巖。第四系全新統(tǒng)崩坡積層主要為崩積、坡積的灰?guī)r、粉砂巖塊(碎)石含黏土。土體中塊、碎石含量30%～60%，多呈次棱角狀，表層局部殘留少量河流沖積砂卵石、漂石，下部局部含有頁(yè)巖碎片組成的深灰色碎石土。土體結(jié)構(gòu)較均勻，一般呈松散狀。

該水利樞紐兩側(cè)巖體破碎，上部土體松軟，需要對(duì)兩側(cè)部分巖土體進(jìn)行清方，然后再對(duì)清方部分進(jìn)行回填。考慮到當(dāng)?shù)氐脑牧霞t黏土和砂礫石相對(duì)比較豐富，選擇利用將砂礫石摻入到紅黏土中進(jìn)行填筑。選取其中一處典型斷面進(jìn)行坡體穩(wěn)定性分析。圖1為典型填筑橫斷面圖。

圖1 典型填筑橫斷面圖

將河道邊坡清方后，對(duì)其進(jìn)行填筑。填筑前必須考慮砂礫石和黏土的配比，以便讓填筑材料有更好的工程特性。表1為該模型的相關(guān)參數(shù)。

表1 模型相關(guān)計(jì)算參數(shù)

2 配比試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查資料，對(duì)滑帶土土樣進(jìn)行取樣分析發(fā)現(xiàn)，該土樣的主體成分為紅黏土，并摻雜有部分的砂巖碎屑(大致在5%～25%左右)，土樣的天然含水率大致在8%～12%。參考相關(guān)的規(guī)范[8]，土樣在暴雨工況下的含水率在15%～20%。通過(guò)直剪試驗(yàn)[4-5]，得到該滑帶土土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

本文中黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ綜合取值的原則是：①以宏觀地質(zhì)判別為前提；②以滑帶土的物質(zhì)組成為基礎(chǔ)，測(cè)試(現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)試驗(yàn))值為依據(jù)；③以工程類比[4-7](經(jīng)驗(yàn))為參考。

2.1 土樣制備

按表2比例在紅黏土中摻入砂巖，砂巖礫石粒徑為0.075～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm，直剪壓力分別為100、200、300和400 kPa。該紅黏土的干密度為ρd=1.96 g/cm3，以天然工況下含水率10%和暴雨工況下含水率20%的配比進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 制備土樣的成分及含量

2.2 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)直剪試驗(yàn)，設(shè)定不同的垂直壓力，得到剪應(yīng)力和剪切位移的變化關(guān)系，擬合得到其內(nèi)摩擦角和黏聚力。因文章篇幅有限，選取當(dāng)摻礫含量為10%(含水率為10%)時(shí)的直剪結(jié)果。圖2為當(dāng)摻礫含量為10%時(shí)，其剪應(yīng)力和剪切位移的變化關(guān)系。

圖2 直剪試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同垂直應(yīng)力狀態(tài)下的剪切強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合。圖3為自然工況下含水率為10%時(shí)不同礫石含量的黏土線性擬合結(jié)果。表3為不同礫石含量的黏土擬合得到的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖3 擬合結(jié)果

工況摻礫比例/%粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)容重/kN·(m3)-1自然工況(含水率10%)暴雨工況(含水率20%)035.6522.7521.610%32.1523.8121.620%26.9126.5721.630%25.5129.4121.6032.4522.2523.510%30.1423.1123.520%26.3524.0723.530%23.5425.3423.5

表3中所得到的摻礫黏土的內(nèi)摩擦角和黏聚力結(jié)果顯示，隨著摻礫量的增加，土樣的黏聚力強(qiáng)度降低，內(nèi)摩擦角增加。

3 滑坡體穩(wěn)定性分析

采取極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法[6-8]計(jì)算本次滑坡體的穩(wěn)定性，并且對(duì)自然工況和暴雨工況下的坡體穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 極限平衡法

利用極限平衡法軟件Slide對(duì)自然工況和暴雨工況下的坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，表4為計(jì)算結(jié)果。因篇幅有限，只列舉了自然工況和暴雨工況下當(dāng)填土料為摻礫10%時(shí)的坡體穩(wěn)定性分析。圖4為自然工況下坡體穩(wěn)定性分析，圖5為暴雨工程下坡體穩(wěn)定性分析。

表4 極限平衡法分析結(jié)果

圖4 自然工況下?lián)降[10%時(shí)極限平衡法計(jì)算坡體穩(wěn)定性分析

圖5 暴雨工況下?lián)降[10%時(shí)極限平衡法計(jì)算坡體穩(wěn)定性分析

3.2 有限元強(qiáng)度折減法

利用有限元軟件Phase對(duì)自然工況和暴雨工況下的坡體穩(wěn)定性進(jìn)行有限元強(qiáng)度折減分析，表5為計(jì)算結(jié)果。因篇幅有限，只列舉了自然工況和暴雨工況下當(dāng)填土料為摻礫10%時(shí)的坡體穩(wěn)定性分析。圖6為自然工況下坡體穩(wěn)定性分析，圖7為暴雨工程下坡體穩(wěn)定性分析。

表5 有限元強(qiáng)度折減法分析結(jié)果

圖6 自然工況下?lián)降[10%時(shí)有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算坡體穩(wěn)定性分析

圖7 暴雨工況下?lián)降[10%時(shí)有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算坡體穩(wěn)定性分析

3.3 滑坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《邊坡工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，滑坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)見(jiàn)表6。

表6 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《邊坡工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]規(guī)定：選取該邊坡的安全系數(shù)應(yīng)采用1.15～1.20；考慮多年暴雨的附加作用影響時(shí)，安全系數(shù)可適當(dāng)折減0.05～0.1。

3.4 小 結(jié)

通過(guò)極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果可知，同種工況下兩種方法的計(jì)算結(jié)果差異很小。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將坡體穩(wěn)定性定為1.2?？紤]到砂礫石和紅黏土的材料成本，選取暴雨工程下的坡體穩(wěn)定性進(jìn)行考慮，最終選擇采用摻礫20%的砂礫石黏土為填筑材料。此時(shí)在暴雨工況下，通過(guò)極限平衡法計(jì)算得到的坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.206；通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.22，符合規(guī)范要求，也滿足經(jīng)濟(jì)預(yù)算。

4 結(jié) 論

在紅黏土中加入砂礫石，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分析填筑石料的工程特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著摻礫量的增加，土樣的黏聚力強(qiáng)度降低，內(nèi)摩擦角增加；隨著含水率的增加，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角明顯減小。

利用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法，計(jì)算分析當(dāng)選用紅黏土中摻入不同含量的砂礫石時(shí)，在不同工況下(自然工況和暴雨工況)的坡體穩(wěn)定性，在滿足邊坡規(guī)范要求和工程經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要的同時(shí)，最終選擇含摻礫量為20%的砂礫石黏土為邊坡填料。