干濕循環(huán)下紅黏土路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法研究

蔣浩 陳開圣

摘 要：紅黏土邊坡破壞面形狀并非圓弧面、參數(shù)選取不合理、對雨水入滲考慮不夠充分是當(dāng)前紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析中存在的主要問題，導(dǎo)致傳統(tǒng)計算方法的計算結(jié)果不太可靠。通過理論分析和數(shù)值模擬，提出了干濕循環(huán)下紅黏土路堤邊坡的穩(wěn)定分析方法，并進(jìn)行了工程算例驗證。結(jié)果顯示，干濕循環(huán)和紅黏土邊坡?lián)p壞特征有關(guān)。土體強(qiáng)度、水壓等物理指標(biāo)的下降均導(dǎo)致穩(wěn)定性降低。建議將邊坡分為三層，裂縫較多層、裂縫一般層、裂縫較少層來進(jìn)行穩(wěn)定性分析，各個范圍層采用不同強(qiáng)度指標(biāo)。提出了基于復(fù)合滑動面（折線-圓?。┘t黏土邊坡穩(wěn)定性分析方法，并進(jìn)行了工程算例驗證，結(jié)果表明本文提出的方法是可行的。

關(guān)鍵詞：干濕循環(huán);紅黏土;路堤;邊坡;穩(wěn)定性分析

中圖分類號：U416.14

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

貴州省內(nèi)碳酸鹽地區(qū)廣泛分布著殘積紅黏土，其厚度一般5～7 m，最厚20 m以上，一些坡率在1∶1～1∶1.5的低矮坡仍然出現(xiàn)一定的破壞，對此技術(shù)人員也無法給出合理的解釋 [1]。究其原因，紅黏土邊坡破壞形式與傳統(tǒng)的滑弧滑動尚有區(qū)別，破壞面的形狀并非圓弧形，而計算方法上仍然采用傳統(tǒng)的均質(zhì)土坡穩(wěn)定性計算方法[2-3]，顯然是值得商榷的。據(jù)此，有必要對紅黏土邊坡穩(wěn)定性方法進(jìn)行研究。中國學(xué)者主要從土體強(qiáng)度參數(shù)和邊坡垮塌模式兩類問題展開研究 [4]。陳開圣對干濕循環(huán)下紅黏土抗剪性能進(jìn)行研究，提出在對紅黏土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時需要采用長期強(qiáng)度 [5]。鄒新奇等認(rèn)為紅黏土邊坡失穩(wěn)特征與常規(guī)邊坡不同，失穩(wěn)滑面為折線-圓弧組合型[6]。吳立堅通過在現(xiàn)場做實驗，研究了淺層邊坡的破壞原理，給出合適的評價方法 [4]。但是，目前工程中對干濕循環(huán)下紅黏土邊坡破壞類型認(rèn)識還不夠充分，對干濕循環(huán)下紅黏土邊坡的穩(wěn)定性如何進(jìn)行計算目前這方面的研究成果較少。本文以前人研究成果為基礎(chǔ)，運(yùn)用理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，指出目前紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析存在的問題并給出適合的分析方法且加以驗證。

1?紅黏土邊坡圓弧滑動法存在的問題

盧玉林等[7]建立了3類邊坡破壞模式的計算模型，對瑞典圓弧條分法模型開展誤差分析研究，結(jié)果表明與Bishop法最大偏差不超過30%。

而工程中最常用的傳統(tǒng)方法是簡化Bishop法，其做出下列假設(shè)，認(rèn)為滑動面的側(cè)面為圓弧、土間力水平，將滑體分成些許豎狀土條，根據(jù)力學(xué)三大平衡法則計算條底反力 [8-10]。公式為：

Fs=∑1mθicbi+Wi-uibitanθ∑Wisinθ，（1）

mθ=cosθi+tanφFssinθ。（2）

其中：Fs為穩(wěn)定系數(shù)，bi為土條寬，Wi為土條自重。

采用此法的缺點(diǎn)：①紅黏土邊坡破壞滑動面形態(tài)：文獻(xiàn)[4]、[6]和[11]均認(rèn)為紅黏土邊坡破壞形式不是典型的圓弧滑動，傳統(tǒng)方法對滑裂面的假設(shè)與紅黏土邊坡相悖，其適用性還需進(jìn)一步考究。②參數(shù)選取不合理：各參數(shù)會隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低，因此計算時采用原始強(qiáng)度并不合理。③對降雨入滲的影響考慮不夠充分：裂隙水飽和時，不僅增加土體重量，還會減小坡體抗滑力，水帶來的靜水壓力更會導(dǎo)致水平推力的產(chǎn)生，不考慮該情況會對算好的安全系數(shù)可信力產(chǎn)生影響。因此，對紅黏土邊坡而言，需要給出新的方法。

2?干濕循環(huán)下紅黏土邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

2.1?強(qiáng)度指標(biāo)降低的影響

采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型。根據(jù)室內(nèi)試驗研究結(jié)果，土體容重γ=17.9 kN/m3，壓縮模量Es=15.23 MPa，泊松比μ=0.35，彈性模量E=9.49 MPa，體積模量K=10.54 MPa，剪切模量G=3.51 Mpa，建立邊坡模型（圖1）。干濕循環(huán)誘發(fā)邊坡上層產(chǎn)生大量裂隙，強(qiáng)度低;中層裂隙較少強(qiáng)度較高;下層無裂隙，強(qiáng)度最高[12-13]。因此，將邊坡土體分為A（裂隙較多）、B（裂隙一般）、C（裂隙較少）三層。各層選取不同的參數(shù)，根據(jù)國家自然科學(xué)基金項目“干濕循環(huán)作用下紅黏土力學(xué)性能衰減規(guī)律研究”成果，表1為5次干濕循環(huán)后的參數(shù)。根據(jù)調(diào)研及工程經(jīng)驗，裂隙面深度一般不超過紅黏土邊坡的擾動深度（ 0～3 m） [4]，因此，取裂隙影響深度為3 m。表2為結(jié)果。

從表2不難看出，循環(huán)的次數(shù)越多，安全系數(shù)越小，減小幅度也越小。五次循環(huán)后，安全系數(shù)從4.28降低至2.63，減小37.2%。表明紅黏土強(qiáng)度指標(biāo)的降低會影響邊坡的穩(wěn)定性。

2.2?裂縫深度的影響

如圖2為設(shè)置裂隙的幾何模型，圖3為裂隙模型。設(shè)置各層土體在5次循環(huán)后的強(qiáng)度參數(shù)（表3），剩余參數(shù)與前文相同。恒定裂縫寬為30 cm，增大裂縫深度進(jìn)行計算，結(jié)果見表4。

據(jù)表4可知，隨裂縫深度的增大，F(xiàn)s減小，當(dāng)深度低于3 m時，F(xiàn)s隨深度增加而減小的速率較大;當(dāng)深度高于3 m時，F(xiàn)s減小的速率降低。

2.3?裂縫水壓力的影響

在距坡頂2.0 m處建立寬30 cm、深 3 m張拉裂隙，假定裂隙充滿水，裂隙水產(chǎn)生的最大水平推力Pmax=1/2 ρgh2=45 N，取水平推力分別為10 N、20 N、30 N、40 N、50 N分析對邊坡穩(wěn)定性影響。結(jié)果見表5。

由表5可以看出，隨水平推力的增大，F(xiàn)s減小，水平推力從0 N增大到100 N，F(xiàn)s從2.58降低至1.85，降幅26%，表明裂隙水壓力嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定性。

3?紅黏土邊坡復(fù)合滑動面分析法

3.1?分析方法

根據(jù)前人調(diào)研結(jié)果、理論分析，紅黏土路堤邊坡滑動面是復(fù)合型的（折線+圓?。一瑒用嫫叫杏趶?qiáng)裂隙發(fā)育區(qū)a與弱裂隙發(fā)育區(qū)b的交界處。圖4為其受力狀態(tài)，第一部分采用靜力平衡求解，第二則采用條分法求解，僅考慮相鄰?fù)翖l內(nèi)的作用力FN。

式中：N1是一部分垂直反力;T1是一部分橫向分力;W1是一部分重力;l1是一部分滑面長度;FN是兩部分間的作用力; Ni是第i條土體垂直反力;Wi是第i條土體自重;Ti是第i條土體橫向分力;li為第i條土體滑面長度;ci和ψi為土體長期強(qiáng)度參數(shù);θ是傾角;ρ是水的密度;h是裂縫深度;K是穩(wěn)定性系數(shù)。

3.2?算例驗證

邊坡幾何模型用圖3，土體基本指標(biāo)采用上述值?？紤]強(qiáng)度指標(biāo)衰減、坡頂裂隙深度和靜水壓力3種因素分別采用數(shù)值模擬和本文方法對紅黏土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算。結(jié)果見表6。

據(jù)表6可以看出，不考慮任何因素計算Fs較高，偏于危險。考慮干濕循環(huán)、裂隙深度、靜水壓力因素，采用數(shù)值模擬和本文方法（復(fù)合滑動面法）計算Fs要低，證明干濕循環(huán)、裂隙、靜水壓力對紅黏土邊坡穩(wěn)定性影響較大，且數(shù)值模擬和本文方法（復(fù)合滑動面法）計算結(jié)果誤差較小，驗證了本文提出的方法（復(fù)合滑動面法）是可行的。

4?工程中提高紅黏土邊坡穩(wěn)定性的方法

（1）路堤的施工需要及時做好防水及排水措施，保證雨水不會下滲入路堤內(nèi)部，排走流向路堤施工范圍內(nèi)的水。

（2）路堤需要盡量在非雨季施工，若實在不能避免，應(yīng)該在施工面保持橫坡不低于3%，雨后作業(yè)面，待土體曬干并再次壓實達(dá)標(biāo)后方可進(jìn)行。

（3）為預(yù)防土體裂縫出現(xiàn)，進(jìn)行壓實后應(yīng)該將碾壓層實施封閉措施，防止土體被暴曬，導(dǎo)致開裂。如采用復(fù)合土工布覆蓋，并鋪設(shè)10 cm厚的中細(xì)砂，達(dá)到保溫防水效果。

（4）粘土、石灰土等（不透水且液限低）應(yīng)作為紅粘土路基包邊材料，CBR需符合規(guī)定。包邊時禁止使用低塑性土如粉土、砂土等。夯實后應(yīng)該加強(qiáng)防護(hù)以免坡面開裂及地表水的滲入。分層鋪設(shè)時，應(yīng)先鋪包邊土，再鋪紅黏土。碾壓前，填料的含水量應(yīng)該加以控制，讓其在同一施工工藝下能達(dá)包邊土的壓實度需滿足的規(guī)定。

5?結(jié)論

（1）目前紅黏土邊坡穩(wěn)定分析存在以下3個問題：①紅黏土邊坡破壞面形狀并非圓弧面;②參數(shù)選取不合理;③雨水入滲考慮不充分，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法的計算結(jié)果不太可靠。干濕循環(huán)和紅黏土邊坡?lián)p壞特征有關(guān)，本文所述復(fù)合滑動面法更適于紅黏土邊坡。

（2）建議將邊坡分為三層，裂縫較多層、裂縫一般層、裂縫較少層來進(jìn)行穩(wěn)定性分析，各個范圍層采用不同強(qiáng)度指標(biāo)，建議采用長期強(qiáng)度指標(biāo)（c，φ）值。紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)考慮干濕循環(huán)土體強(qiáng)度指標(biāo)（c，φ）的降低、坡頂裂隙深度和裂隙水壓力的影響。提出了基于復(fù)合滑動面（折線-圓弧）紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析方法，并進(jìn)行了工程算例驗證，結(jié)果表明本文提出的方法是可行的。

（3）紅粘土的邊坡設(shè)計應(yīng)該對防水措施充分考慮，保證施工快，封閉快，使土體不會因未及時封閉而失水過多，另需盡量在非雨季施工，對路基邊坡采用低透水性低液限粘土包邊，并采用草皮鋪蓋防止水體入滲，增強(qiáng)邊坡安全性。

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（責(zé)任編輯：曾?晶）

Study on Stability Evaluation Method of Red Clay Slope

JIANG Hao， CHEN Kaisheng*

（College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Abstract：

The shape of the failure surface of red clay slope is not a circular arc surface， the parameter selection is unreasonable， and the insufficient consideration of rainwater infiltration is the main problem in the stability analysis of current red clay slope， which leads to the fact that the calculation result of traditional calculation method is not too good and reliable. Through theoretical analysis and numerical simulation， the stability analysis method of red clay embankment slope under dry and wet cycles was proposed， and the engineering example was verified. The results show that the wet and dry cycle is related to the damage characteristics of the red clay slope. Decreased physical properties such as soil strength and water pressure lead to a decrease in stability. It is recommended to divide the slope into three layers， with more cracks， general cracks and fewer cracks for stability analysis. Different range indicators were used for each range. The stability analysis method of red clay slope based on composite sliding surface （polyline￣arc） was proposed and verified by engineering examples. The results show that the proposed method is feasible.

Key words：

dry￣wet cycle; red clay; embankment; slope; stability analysis