裂隙膨脹土邊坡模型降雨變形破壞過程數(shù)值分析

楊文琦，周 成,2，王 林，譚昌明

(1.四川大學(xué) 水電學(xué)院水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室， 四川 成都 610065；2.南京水利科學(xué)研究院 水利部土石壩破壞機理與防控技術(shù)重點實驗室， 江蘇 南京 210024；3.上海浦東新區(qū)投資咨詢公司， 上海 200125；4.四川省交通運輸廳 公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 四川 成都 610041)

膨脹土是一種具有“吸水膨脹、失水收縮”特性的特殊土體，而這種性質(zhì)正是使得自然界中的膨脹土邊坡在長期經(jīng)歷季節(jié)性氣候變化引起的干濕循環(huán)后產(chǎn)生各種形態(tài)裂隙的內(nèi)在因素[1-2]，裂隙的存在對邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響。根據(jù)國內(nèi)外膨脹土邊坡失事案例及相關(guān)經(jīng)驗，可將其破壞特征總結(jié)為淺層性、逐級牽引性、平緩性及季節(jié)性破壞[3]，其中季節(jié)性破壞主要緣于降雨的季節(jié)性。膨脹土邊坡常常在降雨之后發(fā)生失穩(wěn)，那么了解其在降雨工況下的變形破壞失穩(wěn)特征就顯得尤為重要。

人們常常利用模型試驗研究膨脹土邊坡的降雨失穩(wěn)機理，例如王國利等[4]和Chen等[5]利用離心模型試驗研究了膨脹土邊坡在干濕循環(huán)過程中裂隙的發(fā)展及其對膨脹土邊坡失穩(wěn)的影響。饒錫寶等[6]利用離心模型試驗對南陽膨脹土渠道邊坡進行分析研究，找出了其穩(wěn)定坡度。程永輝等[7]也利用離心模型試驗研究了膨脹土邊坡的牽引式滑坡。其中，程永輝等在試驗中利用設(shè)置砂井的方法來模擬坡面降雨入滲裂縫。

目前對于膨脹土邊坡雨后失穩(wěn)機理，大部分人從降雨后邊坡土體強度衰減的角度進行分析，這類分析多基于飽和土力學(xué)理論，對膨脹土的特殊性質(zhì)和破壞機理缺乏一定的考慮，導(dǎo)致分析結(jié)果與實際情況不相符。采取放緩坡角或采用剛性結(jié)構(gòu)對邊坡進行處理，效果也不甚理想，許多邊坡即使在坡度緩至1∶6甚至1∶10的情況下仍發(fā)生滑動甚至二次滑動[8]。因此，對膨脹土邊坡失穩(wěn)研究要結(jié)合膨脹土的基本特性、邊坡運行特點以及相關(guān)環(huán)境因素進行考慮。

為了研究膨脹土邊坡降雨浸水情況下的變形破壞特征，本文將結(jié)合文獻[9]膨脹土邊坡離心模型試驗進行建模和計算，并將計算結(jié)果同試驗結(jié)果進行對比，得出膨脹土邊坡在雨水入滲時變形的一般規(guī)律。同時，利用該模型，結(jié)合放大裂隙側(cè)向水壓力法模擬膨脹力作用，研究了不同的邊坡裂隙分布、裂隙處膨脹力大小和降雨強度和歷時在裂隙膨脹土邊坡變形破壞失穩(wěn)過程產(chǎn)生的影響。

1 裂隙膨脹土邊坡降雨變形破壞數(shù)值分析

文獻[9]中的離心模型試驗以南水北調(diào)中線工程為背景，確定膨脹土邊坡幾何尺寸：坡度為1∶1.5，渠坡高度為33.4 cm，渠底地基土層厚度為16.7 cm，渠底寬度為23.3 cm，渠頂寬度為26.6 cm。為了加快膨脹土邊坡模型中的雨水入滲，邊坡上每隔50 mm設(shè)置一道直徑為8 mm、深度為100 mm的砂井。試驗用土為南水北調(diào)中線渠段的邯鄲強膨脹土，根據(jù)室內(nèi)試驗得到其基本物理力學(xué)參數(shù)：液限為32.9%，塑限為81.2%，自由膨脹率為124%；c=27.5 kPa，φ=17.5°，飽和滲透系數(shù)約為3×10-6cm/s；E=5 000 kPa，μ=0.38。制模時控制初始含水率為18%，干密度為1.6 g/cm3。

1.1 離心模型試驗建模計算

為了上述離心試驗結(jié)果進行對比從而得出膨脹土邊坡在雨后失穩(wěn)過程中的變形破壞特征，利用GeoStudio軟件進行建模計算，模型尺寸與上述離心模型試驗中對應(yīng)的原型相關(guān)參數(shù)保持一致。試驗確定比尺為1∶20，參考離心模型試驗物理量換算表[10]，試驗邊坡尺寸可換算為原型邊坡尺寸，即渠坡高度為6.5 m，渠底地基土層厚度3.5 m，渠底寬度為3.5 m，渠頂寬度為4.5 m，坡度則為1∶1.5。土體基本參數(shù)不需要進行換算，可直接用于數(shù)值計算。另外，根據(jù)相似率，在膨脹土邊坡上每隔1 m設(shè)置一道深度為2 m的砂井。根據(jù)模型試驗條件，設(shè)置坡面為入滲邊界，模型底面與左右兩側(cè)均為不透水邊界，且設(shè)置位移邊界條件限制其位移。膨脹土邊坡建模圖如圖1所示。

圖1膨脹土邊坡建模圖(單位：m)

1.2 計算結(jié)果分析

通過計算得出了膨脹土邊坡在降雨過程中水平和豎直位移等值線圖，分別如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可以看出，降雨過程中，膨脹土邊坡內(nèi)部土體浸水后在水平方向和豎直方向上均產(chǎn)生了向臨空面方向的位移，表現(xiàn)出了整體膨脹趨勢。而坡腳位置由于積水，長時間處于飽和狀態(tài)，最易形成塑性軟化區(qū)，發(fā)生局部剪切破壞，之后滑動逐漸向上發(fā)展，表現(xiàn)出逐級牽引的特征，這也是膨脹土邊坡的一種典型破壞形式。故而膨脹土邊坡在坡腳處出現(xiàn)了水平和豎直位移的最大值。其中，離心模型試驗中膨脹土邊坡內(nèi)部水平、豎向位移最大值分別為0.16 m、0.20 m；而數(shù)值計算得到的水平、豎向位移最大值分別為0.14 m和0.16 m。數(shù)值計算結(jié)果同離心模型試驗結(jié)果在數(shù)值與趨勢上較為接近，能夠較好的反應(yīng)膨脹土邊坡在降雨過程中的變形特征。

圖2 膨脹土邊坡水平位移等值線圖(單位：m)

圖3膨脹土邊坡豎向位移等值線圖(單位：m)

膨脹土邊坡降雨失穩(wěn)后的邊坡立面圖如圖4所示。由于發(fā)生牽引式滑坡，失穩(wěn)后的膨脹土邊坡表現(xiàn)出了明顯的坡頂塌陷和坡腳隆起現(xiàn)象。此時，數(shù)值計算結(jié)果也同離心模型試驗結(jié)果保持了較好的一致性。

圖4降雨后膨脹土邊坡立面圖

2 裂隙膨脹土邊坡降雨穩(wěn)定性分析

膨脹土在干濕循環(huán)的作用下會發(fā)生不可逆的脹縮變形，一旦這種變形受到限制，就會產(chǎn)生膨脹力，這是研究膨脹土問題的一個關(guān)鍵因素。當然，對于膨脹土邊坡而言，除了膨脹力以外，還有其他因素也在同時影響著膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。大量實際工程發(fā)現(xiàn)，土坡在失穩(wěn)之前，邊坡上往往會出現(xiàn)一定的裂隙，隨著裂隙的發(fā)展，邊坡的穩(wěn)定性會隨之降低[11]。因此，在了解了膨脹土邊坡破壞過程中的變形特征的基礎(chǔ)上，分析膨脹土邊坡在裂隙、膨脹力和降雨歷時影響下的安全系數(shù)的變化趨勢，從而了解這些因素對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 模型建立

為了方便計算與比較，建模時同樣采用第2部分模型尺寸，同時保持膨脹土物理力學(xué)指標及邊界條件一致。模擬降雨工況時，設(shè)置邊界為流量邊界，根據(jù)國家氣象局頒布的降雨強度等級劃分設(shè)置雨強為30 mm/d(大雨)，降雨時長分別設(shè)置為3 d和6 d。

2.2 利用放大裂隙側(cè)向水壓力法近似模擬膨脹力作用

當膨脹土中的含水率增加時，土中會產(chǎn)生塑性勢，使膨脹土有發(fā)生膨脹變形的趨勢，當這種趨勢受到約束時，就會產(chǎn)生膨脹力。關(guān)于如何在膨脹土邊坡穩(wěn)定分析中考慮膨脹力的作用，許多學(xué)者做了相關(guān)假設(shè)和嘗試，例如譚波[12]考慮將膨脹力以面力的形式垂直作用于坡面；秦祿生等[13]考慮將膨脹力作為吸力的等效外力等等。因此，本文考慮降雨一方面入滲引起坡土膨脹，另一方面會集聚在裂隙。為了方便在GeoStudio軟件中引入膨脹力的作用，借鑒了路永珍[14]碩士論文中所使用的方法，通過放大裂隙側(cè)向水壓力來近似模擬膨脹力的作用。降雨時，雨水會沿著裂隙入滲，此時，裂隙周圍的土體會同時受到水壓力和膨脹力的作用，水壓力為三角分布，此時假設(shè)膨脹力沿裂隙均勻分布，如圖5所示。通過力矩平衡，將膨脹力大小換算成等效水壓力數(shù)值，相當于通過放大側(cè)向的水壓力來模擬膨脹力對裂隙兩側(cè)土體的作用效果,因此只需知道膨脹力的大小就可以巧妙的將膨脹力引入到膨脹土邊坡穩(wěn)定性計算過程中，如式(1)[14]。

(1)

根據(jù)文獻[15]，邯鄲強膨脹土相對應(yīng)的膨脹力在40.9 kPa～101 kPa范圍內(nèi)，根據(jù)離心模型試驗的制模含水率，下文計算時取膨脹力為50 kPa。

圖5裂隙膨脹力等效示意圖[14]

2.2.1 膨脹力作用效果分析

為了研究膨脹力施加情況對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，對裂隙深1 m、雨強為30 mm/d、降雨歷時為6 d情況下，有(pe=50 kPa)無膨脹力(pe=0 kPa)時的膨脹土邊坡進行了穩(wěn)定性分析，得出了不同工況下安全系數(shù)隨降雨歷時的變化規(guī)律，結(jié)果如表1所示。

表1 不同膨脹力施加工況下安全系數(shù)計算表

由表1可發(fā)現(xiàn)考慮膨脹力時的邊坡安全系數(shù)比未考慮膨脹力時的安全系數(shù)小了約30%～40%。當裂隙位于坡中時，降雨6 d后，考慮膨脹力時邊坡安全系數(shù)已低至1.146，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[16]，連續(xù)降雨情況下，路塹邊坡穩(wěn)定性驗算安全系數(shù)約為1.100～1.200。則此時，該膨脹土邊坡已存在滑坡的風(fēng)險，需對其進行加固處理。而未考慮膨脹力時，邊坡安全系數(shù)仍高達2.183，說明連續(xù)降雨6 d后膨脹土邊坡仍處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)，這與實際情況往往不符。顯然，膨脹力是分析降雨情況下膨脹土邊坡穩(wěn)定性時一個不可忽略的因素，若不考慮膨脹力的影響，往往會使得計算偏保守，無法反應(yīng)膨脹土邊坡在自然降雨條件下的真實情況，存在較大的風(fēng)險。

2.2.2 不同位置與深度的裂隙分布影響分析

對于膨脹土邊坡而言，裂隙的存在不僅破壞了土體的完整性，還為雨水提供了入滲通道，從而使邊坡內(nèi)部土體遇水產(chǎn)生極大的膨脹力。據(jù)Albrecht等[17]研究，黏土在經(jīng)歷過多次干濕循環(huán)過程產(chǎn)生裂隙后，其水力傳導(dǎo)系數(shù)會增加2～3個量級。因此，為了研究不同位置和深度的裂隙分布對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響程度，本文在計算時分別在坡頂、坡中處設(shè)置了豎直裂隙。根據(jù)廖世文的研究，膨脹土地區(qū)的裂隙深度往往同大氣影響深度保持一致[18]，文獻[15]中提到膨脹土地區(qū)大氣影響深度一般為1.0 m～2.5 m，因此計算時考慮了裂隙深度為0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m和1.5 m的情況。降雨強度同樣為30 mm/d，降雨歷時取為3 d，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6不同裂隙深度下安全系數(shù)計算圖

從圖6可以看出，裂隙位于坡中時膨脹土邊坡的安全系數(shù)明顯小于裂隙位于坡頂時膨脹土邊坡的安全系數(shù)。在坡頂裂隙中，雨水大多沿著裂隙發(fā)展方向做垂直入滲；而在坡中裂隙中，降雨飽和后往往還會出現(xiàn)平行于坡面的順坡滲流[19]，產(chǎn)生滲流力，不利于邊坡穩(wěn)定，這也導(dǎo)致一些降雨誘導(dǎo)型滑坡往往會出現(xiàn)破壞面與原坡面大致平行的情況。因此，膨脹土邊坡滑坡后緣多發(fā)生在坡中，而極少出現(xiàn)在坡頂[20]。

無論裂隙位于哪個位置，邊坡安全系數(shù)總是隨著裂隙深度的增加而較小的。膨脹土邊坡在經(jīng)歷干濕循環(huán)的過程中不斷發(fā)生脹縮變形，而由于土體表面和內(nèi)部含水率不一致導(dǎo)致其脹縮程度不一致，土體脹縮不均，于是產(chǎn)生裂隙。當裂隙底部成為新的蒸發(fā)面以后，以上過程又會重復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致裂隙不斷擴展、深入。降雨初期，雨水因土體出現(xiàn)的短暫疏水性而在地表累積，一旦形成積水，雨水會優(yōu)先沿著裂隙側(cè)壁入滲[21]，匯聚在裂隙底部，之后入滲至土體內(nèi)部。因此，裂隙的深度直接控制了膨脹土邊坡內(nèi)部的飽和區(qū)范圍。深度越大，降雨后沿著裂隙進入膨脹土邊坡的雨水越多，形成的飽和區(qū)域越大，對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性越不利。

2.2.3 不同降雨強度和降雨歷時的影響分析

降雨對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性有著直接影響，大部分膨脹土邊坡失穩(wěn)都發(fā)生在降雨之后。因此本文對存在不同位置裂隙的膨脹土邊坡施加長達6 d的降雨，雨強為30 mm/d，且裂隙深度均為1 m，以觀察邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時的變化情況。計算結(jié)果見表1所示。

表1展示了不同裂隙位置下膨脹土邊坡安全系數(shù)隨著降雨歷時的變化過程，無論裂隙在哪個位置，其安全系數(shù)總是隨著降雨時間的增加而減小的。在邊坡中，地下水位以上的負孔壓為非飽和土提供了附加的抗剪強度。降雨后，部分雨水沿著土中孔隙入滲到地下，抬高地下水位，使土體飽和，一方面增加土體自重從而增加邊坡的下滑力，另一方面使得基質(zhì)吸力減小從而降低其抗剪強度[22]；還有一部分雨水會形成坡面徑流，順著坡面往下流，若是不考慮植被的攔截作用，雨水的流淌帶走部分土壤；而雨水到坡腳時可能會在坡腳匯聚，使得坡腳被浸泡軟化，易發(fā)生局部剪切破壞，這也常常導(dǎo)致膨脹土邊坡發(fā)生牽引式的滑坡。降雨時間越長，雨水入滲量越大，這種影響也就越明顯。

雨水是膨脹土邊坡中主要的水分來源，降雨強度也將直接影響邊坡的安全系數(shù)。為研究降雨強度對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，分別設(shè)置了10 mm/d、30 mm/d、50 mm/d、70 mm/d和90 mm/d五組降雨強度，降雨時長為3 d，裂隙深度取1 m，計算裂隙分別在坡頂、坡中時膨脹土安全系數(shù)的變化趨勢，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7裂隙位于坡頂或坡中時安全系數(shù)隨雨強變化圖

由圖7可知膨脹土邊坡的安全系數(shù)隨著雨強的增加而減小，在一定程度上，雨強越大，對邊坡的影響越大。這種影響在雨強小于50 mm/d時表現(xiàn)較明顯，當雨強大于50 mm/d時，膨脹土邊坡的安全系數(shù)不再隨雨強的增加而發(fā)生較大變化。膨脹土邊坡的穩(wěn)定性與實際入滲雨量有關(guān)，在裂隙膨脹土中，裂隙兩側(cè)土體吸收沿裂隙入滲的雨水后逐漸飽和，裂隙也會隨之閉合。當裂隙深度內(nèi)土體均達到飽和以后，雨水不再入滲。因此，當雨強增加至大于土體入滲能力時，多余的雨水只能以坡面徑流形式流走[23]。在本文，雨強達50 mm/d時，裂隙土層可視為完全飽和，之后再增加雨強，膨脹土邊坡的安全系數(shù)也不會發(fā)生明顯變化。除此之外，雨強較大時對邊坡表面的沖蝕作用也將在一定程度上影響其穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

(1) 膨脹土邊坡在降雨時先發(fā)生整體膨脹，后坡腳及浸水軟化產(chǎn)生局部破壞，并逐漸向上發(fā)展，表現(xiàn)出了牽引式破壞的特征。破壞時出現(xiàn)坡頂凹陷、坡腳隆起的現(xiàn)象。

(2) 降雨條件下，考慮膨脹力作用時膨脹土邊坡的安全系數(shù)比未考慮膨脹力作用時的邊坡安全系數(shù)降低了約30%～40%，與自然界中膨脹土邊坡雨后失穩(wěn)的情況更吻合。說明在進行膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析時，需合理考慮膨脹力的作用，將其與普通黏性土坡區(qū)分開來。

(3) 膨脹土邊坡的穩(wěn)定性會隨著降雨強度、降雨歷時的增加而降低，但這種影響會受到土體入滲能力的限制，一旦坡土接近飽和，雨強等對邊坡穩(wěn)定性的影響將不再明顯。同時連接大氣與內(nèi)部穩(wěn)定土體的裂隙會影響邊坡穩(wěn)定性，裂隙開展深度越大，邊坡穩(wěn)定性越差；且裂隙位于膨脹土邊坡中部時比裂隙位于坡頂位置時更危險。這些規(guī)律為膨脹土邊坡的防護設(shè)計提供了依據(jù)。