降雨優(yōu)先流下豎向加筋的膨脹土邊坡變形破壞機(jī)理研究

曾紅艷，楊文琦，周 成，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(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610065；2．四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610041)

膨脹土邊坡常常在雨季吸水膨脹，而在旱季蒸發(fā)收縮，在劇烈水分波動下會發(fā)生脹縮變形致使裂縫發(fā)育，進(jìn)而在降雨作用下產(chǎn)生裂縫優(yōu)先流，膨脹土邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，不僅危害到當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全，也給生態(tài)造成了極大的破壞[1-3]。許多學(xué)者研究了膨脹土邊坡降雨失穩(wěn)機(jī)理并提出了相應(yīng)的解決方案，目前常用的有內(nèi)因控制法例如砂墊層置換法、添加劑改性法[4-5]；也有外因控制法例如采用擴(kuò)底樁、土釘、漿砌片石護(hù)坡等剛性防護(hù)措施，利用約束力來控制膨脹土邊坡的變形，從而提高其穩(wěn)定性[6]。這種剛性支護(hù)的方法在短時(shí)間內(nèi)有效，但并不能減小膨脹土邊坡內(nèi)部水分波動，未從根本上解決問題。隨著干濕循環(huán)的繼續(xù)發(fā)生，膨脹土邊坡表面的漿砌片石護(hù)坡等最終會發(fā)生破壞，失去防護(hù)效果。因此有學(xué)者提出其他一些方法來提高膨脹土邊坡穩(wěn)定性，例如具有毛細(xì)阻滯效果的CBS(Capillary Barrier System,CBS)防護(hù)系統(tǒng)能有效減小裂隙的產(chǎn)生，控制降雨優(yōu)先入滲，從而維護(hù)了膨脹土邊坡的穩(wěn)定性[7]。史慧珍[8]和殷宗澤等[9]考慮到膨脹土的脹縮變形特性，采用水平向的土工帶或土工格柵等對膨脹土填筑路基進(jìn)行加固。

還有許多學(xué)者開展了一系列的離心模型試驗(yàn)。例如王國利等[10]利用離心模型試驗(yàn)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降雨失穩(wěn)的影響；饒錫寶等[11]利用離心模型試驗(yàn)對南陽膨脹土渠道邊坡進(jìn)行分析研究，確定了其穩(wěn)定坡度；程永輝等[12]也利用離心模型試驗(yàn)研究了膨脹土邊坡的牽引式滑坡。然而膨脹土邊坡降雨作用下的離心模型試驗(yàn)一般難于模擬現(xiàn)場的降雨入滲，大多表現(xiàn)為坡面徑流及至坡腳浸泡工況。因此，程永輝等[12]在膨脹土邊坡的離心模型中設(shè)置砂井模擬坡面裂縫，開展降雨入滲和滑移破壞研究。

進(jìn)一步地，作者考慮用豎向植筋帶代替砂井，不但可以模擬裂縫的優(yōu)先流，同時(shí)還起到加筋的作用。利用GeoStudio軟件計(jì)算并對比分析降雨條件下膨脹土邊坡的水力和變形特征，通過分別計(jì)算不同降雨強(qiáng)度、不同布筋間距和不同植筋帶長度下膨脹土邊坡的變形情況，研究了豎向植筋帶對膨脹土邊坡的加固效果。研究結(jié)果為豎向植筋帶加固膨脹土邊坡提供理論參考，同時(shí)柔性植筋帶的持水作用也為植物護(hù)坡的應(yīng)用提供了可能。

1 模擬裂縫透水性的砂井膨脹土邊坡離心模型試驗(yàn)的數(shù)值模擬

1.1 建模計(jì)算

計(jì)算時(shí)模型采用文獻(xiàn)[12]中離心模型試驗(yàn)對應(yīng)的原型膨脹土邊坡尺寸：渠坡高度為6.5 m，渠底地基土層厚度3.5 m，渠底對稱計(jì)算寬度為3.5 m，渠頂寬度為4.5 m，坡度為1∶1.5。數(shù)值模擬時(shí)，結(jié)合實(shí)測含水率分布特點(diǎn)，把含砂井的膨脹土邊坡分為裂隙土層和吸濕土層。采用彈塑性模型，膨脹土強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[13]中對南陽膨脹土進(jìn)行的強(qiáng)度試驗(yàn)選取，彈性模量E=5 000 kPa，μ=0.38，w=18%，自由膨脹率為124%，其他參數(shù)如表1所示。

表1 膨脹土材料參數(shù)表

根據(jù)試驗(yàn)條件，計(jì)算模型的邊界條件設(shè)置如下：模型底面設(shè)置為不透水邊界，模型兩側(cè)由于不考慮地下水位設(shè)置為零流量邊界，坡頂、坡底面及坡面為滲流邊界，其上施加流量邊界條件，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流分析。建模如圖1所示。

圖1 砂井膨脹土邊坡的數(shù)值模擬建模圖

1.2 計(jì)算結(jié)果

利用GeoStudio中的SEEP模塊，可以得出降雨條件下膨脹土邊坡中的含水率等值線分布，如圖2所示。

從圖2可以看出，水分波動在坡表1 m～2 m范圍內(nèi)最明顯，降雨影響深度大于2 m，且計(jì)算得到的含水率等值線分布同離心模型試驗(yàn)[12]測得的含水率等值線分布較接近。在計(jì)算模型中，坡腳的入滲深度大于坡面，這與實(shí)際邊坡易形成坡腳積水導(dǎo)致坡腳入滲深度更深的規(guī)律一致。坡頂處的入滲比坡面處深，這是因?yàn)榕蛎浲帘旧淼臐B透系數(shù)很小，當(dāng)降雨量小時(shí)，雨水完全入滲；當(dāng)降雨量超過土體的入滲能力時(shí)，多余的雨水就會以坡面徑流的形式流走。顯然坡面的徑流量大于坡頂徑流量，因此坡頂?shù)娜霛B深度較大[14]。模型中計(jì)算的坡頂入滲深度比坡腳入滲深度略大，可能是由于模型計(jì)算時(shí)坡頂?shù)乃吔缭O(shè)置并未能完全模擬膨脹土邊坡離心模型的實(shí)際條件。

圖2 砂井膨脹土邊坡的含水率等值線分布(%)

同時(shí)，將滲流計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Sigma-W模塊，利用強(qiáng)度折減法可以得出膨脹土邊坡破壞時(shí)的變形情況如圖3、圖4所示。結(jié)合兩圖可看出，膨脹土邊坡發(fā)生滑坡破壞時(shí)，坡腳處明顯地向臨空面隆起，且計(jì)算位移值同試驗(yàn)結(jié)果較吻合。

圖3 砂井膨脹土邊坡的水平位移等值線圖(單位：m)

2 模擬裂縫優(yōu)先流的豎向植筋帶膨脹土邊坡的數(shù)值模擬

2.1 豎向植筋帶加固膨脹土邊坡的計(jì)算分析

為了同第1部分中模擬的砂井膨脹土邊坡離心模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，豎向植筋帶膨脹土邊坡降雨工況計(jì)算時(shí)，材料參數(shù)及邊界條件均與第1部分設(shè)置保持一致。由于豎向植筋帶只能受拉，不能受壓，因此通過Sigma-W模塊中的梁單元模擬。由于離心模型試驗(yàn)中膨脹土邊坡的滑坡深度約在1 m左右，為了盡可能保證豎向植筋帶有一定的錨固深度，計(jì)算時(shí)取其長度為2 m。實(shí)際工程中可在坡面鋪設(shè)格構(gòu)梁，與植筋帶構(gòu)成錨拉加固體系，不僅能發(fā)揮抗滑和坡面防護(hù)的作用，還可以持水便于后期的植被生長[15]。植被根系在生長的過程中，會因趨水性在持水植筋帶周圍盤結(jié)形成根系辮子，增強(qiáng)固土作用。因此計(jì)算時(shí)在坡面施加垂直于坡面的法向應(yīng)力1 kPa來模擬持水植筋帶錨拉格構(gòu)梁所起的反壓作用，建模圖如圖5所示。

圖4 砂井膨脹土邊坡的沉降等值線圖(單位：m)

圖5 加筋膨脹土邊坡建模圖

2.1.1 膨脹土邊坡的表面位移

計(jì)算的砂井和豎向植筋帶膨脹土邊坡在降雨作用下坡面的變形分別如圖6所示。設(shè)置砂井時(shí)，坡頂?shù)呐蛎浟看笥谄旅?，這是由于坡面的徑流量更大而導(dǎo)致坡面入滲量小于坡頂入滲量，因此坡頂?shù)呐蛎浟枯^坡面大；豎向植筋帶顯著抑制了膨脹土邊坡表層吸濕后的豎向膨脹變形值，這是因?yàn)樨Q向植筋帶錨拉格構(gòu)梁所起的反壓作用抑制了膨脹土的豎向膨脹。但對水平向的坡土膨脹量作用不大，這主要是由于考慮到實(shí)際施工的方便，植筋帶是垂直設(shè)置的。

圖6 膨脹土邊坡模型計(jì)算的坡面節(jié)點(diǎn)的位移

由此可見，模擬裂縫透水性的砂井僅僅能調(diào)和坡面徑流和入滲的分配，從而近似模擬現(xiàn)場的降雨入滲，但在實(shí)際工程中不僅不會對邊坡的變形起到抑制作用，反而可能因?yàn)榧哟罅擞晁娜霛B而促進(jìn)膨脹土邊坡的失穩(wěn)。相比之下，豎向植筋帶的存在既能作為持水帶，減少水分波動，為膨脹土邊坡植被生長提供了水分，同時(shí)還可抑制膨脹土的吸濕膨脹，使植筋帶-植物護(hù)坡應(yīng)用于膨脹土邊坡加固成為了可能。

2.1.2 膨脹土邊坡的水分波動

膨脹土邊坡的水分波動和干濕循環(huán)[16]致使裂縫發(fā)育，進(jìn)而在降雨作用下產(chǎn)生裂縫優(yōu)先流，產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。因此對于膨脹土而言，猶如CBS防護(hù)系統(tǒng)的原理[6]，減小其內(nèi)部水分波動是關(guān)鍵。結(jié)合Vadose軟件模塊，使砂井與豎向植筋帶膨脹土邊坡經(jīng)歷相同的氣候條件，歷時(shí)一年。利用Vadose數(shù)據(jù)庫中美國瓦城斯波坎地區(qū)一年的降雨量與溫度變化數(shù)據(jù)，分別得到砂井與豎向植筋帶膨脹土邊坡的坡中截面的體積含水率的等值線圖7，其中s1—s4分別為坡中截面由上往下取的4個(gè)節(jié)點(diǎn)，相同的觀測點(diǎn)位分別見圖1和圖5。

圖7 兩種膨脹土邊坡的坡中截面的水分波動

由圖7可知，豎向植筋帶膨脹土邊坡一年內(nèi)水分波動控制在10%以內(nèi)；而砂井膨脹土邊坡內(nèi)水分波動則較大，隨著氣候條件的變化，坡面節(jié)點(diǎn)的水分波動最大可達(dá)20%左右。與砂井相比，豎向植筋帶的存在能夠減小膨脹土邊坡內(nèi)部尤其是坡表的水分波動，使膨脹土邊坡內(nèi)部維持一定的含水率，減緩了膨脹土在劇烈干濕循環(huán)過程中的脹縮變形，有利于維持膨脹土邊坡的穩(wěn)定性；同時(shí)，豎向植筋帶的存在還為植被生長提供了水分，有利于實(shí)現(xiàn)膨脹土邊坡的固土和綠化。

同時(shí)，從圖7中還可看出，砂井膨脹土邊坡中同一斷面不同深度處的初始含水率不一樣，而豎向植筋帶膨脹土邊坡中同樣斷面中四個(gè)點(diǎn)的初始含水率接近一致，這是兩種工況下不同的建模方法所造成的。砂井膨脹土邊坡中為了體現(xiàn)砂井的作用，將膨脹土邊坡分為三層，不同土層的初始含水率不一樣。而豎向植筋帶膨脹土邊坡中的豎向植筋帶是以梁單元的形式單獨(dú)設(shè)置的，坡土為單一均質(zhì)的土層，各點(diǎn)初始含水率一致。且豎向植筋帶較大的滲透系數(shù)相當(dāng)于增加膨脹土邊坡中的入滲通道，降雨時(shí)雨水會首先沿著持水帶及其與土體的界面以優(yōu)勢流的形式下滲，而通過土體基質(zhì)下滲的雨水只有很小一部分[17]。因此，膨脹土邊坡上豎向植筋帶之間的土體受氣候變化影響較小。

2.2 豎向植筋帶膨脹土邊坡工況參數(shù)敏感性分析

為了研究豎向植筋帶對膨脹土邊坡的影響，采用以上計(jì)算建模的模型，分別計(jì)算不同降雨強(qiáng)度、不同布筋間距和不同植筋長度下膨脹土邊坡的變形特性。

2.2.1 降雨強(qiáng)度的影響

在分別設(shè)置砂井和1 m布筋間距、2 m植筋長度的膨脹土邊坡中，分別施加降雨強(qiáng)度為5 mm/d、10 mm/d和15 mm/d降雨，計(jì)算獲得降雨4 d后膨脹土邊坡模型坡面的豎向位移值如圖8所示。由圖8可知，無論是砂井或是豎向植筋帶膨脹土邊坡坡面的膨脹量總是隨著雨強(qiáng)的增大而增大；在雨強(qiáng)為5 mm/d，10 mm/d時(shí)，植筋帶膨脹土邊坡表面的豎向膨脹量比砂井的情況更小，且雨強(qiáng)越小，這種抑制作用越明顯。在雨強(qiáng)為15 mm/d時(shí)，植筋帶膨脹土邊坡表面的豎向膨脹量明顯大于砂井的工況，這是因?yàn)樵赟EEP模塊的計(jì)算中，砂井的作用是通過提高整個(gè)土層的滲透系數(shù)來體現(xiàn)，而豎向植筋帶的透水作用則是通過其與土體之間的界面單元來體現(xiàn)，且植筋帶的滲透系數(shù)略大于砂井的數(shù)值，約為10-2cm/s～10-3cm/s左右[18]。當(dāng)雨強(qiáng)較小時(shí)，砂井和豎向植筋帶均能促進(jìn)雨水入滲，而豎向植筋帶對坡土還具有加筋阻滑作用，一定程度上能抑制坡土的膨脹變形。當(dāng)雨強(qiáng)增大至15 mm/d時(shí)，由于模型中設(shè)置的砂井的滲透系數(shù)小于豎向植筋帶的數(shù)值，超過坡土入滲能力的雨水會大部分地以徑流的形式流走，入滲量較小，因此其膨脹量也相對較小。

圖8 不同降雨強(qiáng)度下植筋帶膨脹土邊坡坡面位移

2.2.2 布筋間距的影響

在降雨強(qiáng)度為10 mm/d、降雨歷時(shí)為4 d、豎向植筋帶長度為2 m的條件下，分別將布筋間距設(shè)置為0.5 m、1.0 m和1.5 m，計(jì)算得到膨脹土邊坡坡面節(jié)點(diǎn)的豎向位移值如圖9所示。由圖9可見，布筋間距由0.5 m增至1.5 m的過程中，膨脹土邊坡坡面的豎向位移值隨布筋間距的增大而增大，且位移值呈波浪型分布。布筋間距越小，豎向植筋帶對膨脹土邊坡的約束作用越明顯，節(jié)點(diǎn)之間位移的變化量起伏也越小。因此在實(shí)際工況中，為了取得類似于水平向加筋的筋箍效用[19]，宜按照細(xì)而密的原則布置豎向植筋帶。結(jié)合植物護(hù)坡時(shí)，宜一株灌喬木，一束植筋帶。

圖9 不同布筋間距下膨脹土邊坡的坡面位移

2.2.3 植筋長度的影響

在布筋間距為1 m、降雨強(qiáng)度為10 mm/d、降雨歷時(shí)為4 d的膨脹土邊坡中，分別設(shè)置豎向植筋帶的長度為1.5 m、2.0 m和2.5 m，以考慮其對膨脹土邊坡變形的影響，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同布筋深度下膨脹土邊坡坡面位移

由圖10可知，在降雨影響深度大于2 m的情況下(如圖2所示)，豎向植筋帶越長，坡面的膨脹量越大，這可能是由于植筋帶長度沒能滿足錨固長度的要求，沒有顯示出應(yīng)該大于降雨影響深度的錨固效應(yīng)；另一方面，也可能是由于豎向植筋帶的設(shè)置相當(dāng)于增加了雨水的入滲通道，在一定程度上增大了膨脹土邊坡的降雨影響深度，雨水的入滲量也隨之增多，從而使得膨脹土的膨脹量更大；當(dāng)然豎向植筋帶本身的拉伸變形也是一個(gè)原因，對這三個(gè)可能的原因需要進(jìn)一步開展研究。

3 結(jié) 論

(1) 與單純?yōu)榱四M膨脹土邊坡裂縫透水性的砂井相比，豎向植筋帶既可以模擬優(yōu)先流，又可以起到加固作用。植筋帶膨脹土邊坡在降雨過程中的膨脹變形變小，具有更高的穩(wěn)定性。

(2) 類似于CBS護(hù)坡系統(tǒng)，豎向植筋帶作用于膨脹土邊坡，起到了一定的持水作用，不僅減小了膨脹土邊坡內(nèi)部的水分波動，減緩了膨脹土邊坡在干濕循環(huán)過程中的脹縮變形，同時(shí)也為植被的生長提供了必要的水分，為植物護(hù)坡在膨脹土邊坡上的應(yīng)用提供了可能。

(3) 豎向植筋帶作用于膨脹土邊坡時(shí)，降雨強(qiáng)度、布筋間距和植筋長度均會對其作用效果產(chǎn)生影響。由計(jì)算可知，布筋間距越小，豎向植筋帶對膨脹土邊坡膨脹變形的抑制作用越好，宜按照細(xì)而密的原則布置豎向植筋帶，結(jié)合植物護(hù)坡時(shí)，宜一株灌喬木，一束植筋帶，而且植筋帶長度應(yīng)該大于降雨影響深度以便滿足錨固長度的要求。

(4) 豎向植筋帶與膨脹土之間可能存在著復(fù)雜的相互作用，具有一定錨固深度的豎向植筋帶可以有效提高抗滑力，如果有植株存在，根系-豎向植筋帶-膨脹土-降雨之間也會產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，這些都需要進(jìn)一步試驗(yàn)和計(jì)算分析。