考慮吸濕膨脹及軟化的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析*

趙思奕 石振明 鮑燕妮 周海容 彭 銘

(①同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海 200092， 中國(guó))(②同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092， 中國(guó))(③同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司， 上海， 200092， 中國(guó))

0 引 言

膨脹土是一種在我國(guó)境內(nèi)廣泛分布的特殊黏性土，其脹縮性、多裂隙性和強(qiáng)度衰減性極易給工程建設(shè)，尤其是公路工程帶來(lái)隱患。暴露在大氣中的膨脹土路塹邊坡經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)，產(chǎn)生大量風(fēng)化裂隙，抗剪強(qiáng)度顯著降低。在降雨作用下，膨脹土進(jìn)一步吸水膨脹軟化，極易造成各種邊坡失穩(wěn)事故發(fā)生，給公路建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重危害。

人們對(duì)膨脹土強(qiáng)度及邊坡穩(wěn)定性的影響開展了大量研究。在膨脹土強(qiáng)度研究方面，吳珺華等(2013)開展了膨脹土現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，主裂隙首先生成，隨后新的細(xì)小裂隙生成并使土表破碎化，黏聚力降低達(dá)50%。肖杰等(2014)通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)呈雙曲線關(guān)系衰減，前1～2次強(qiáng)度參數(shù)衰減最為明顯，并建議用5次干濕循環(huán)后的強(qiáng)度指標(biāo)作為裂隙發(fā)育區(qū)的強(qiáng)度指標(biāo)。邊加敏(2017)分析了膨脹土強(qiáng)度與膨脹性及含水率之間的關(guān)系。文松松等(2017)系統(tǒng)研究了弱膨脹土的膨脹特性。

膨脹土滑坡機(jī)理研究方面，冷挺等(2018)、蔡耀軍等(2018)結(jié)合南水北調(diào)等重大工程項(xiàng)目，對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)膨脹土邊坡的淺層破壞具有明顯的牽引性和反復(fù)滑動(dòng)性，并認(rèn)為邊坡淺層失穩(wěn)主要受淺層膨脹變形控制。他們的研究未較好地考慮膨脹性的影響，計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)偏大。

膨脹土特性的計(jì)算方面，秦祿生等(2001)和孫即超等(2007)認(rèn)為可以將吸濕產(chǎn)生的膨脹力視為一個(gè)垂直于臨空面的外力，施加于土體單元上，然而，吸濕后土的膨脹變形是向土單元的上下四周發(fā)展的，單獨(dú)將其施加于垂直臨空面方向不夠合理。曾仲毅等(2014)根據(jù)濕度應(yīng)力場(chǎng)理論，用吸熱膨脹來(lái)近似模擬吸濕膨脹，并通過(guò)數(shù)值模擬分析了降雨增濕對(duì)埋藏于膨脹土層中的隧道襯砌應(yīng)力變形的影響。但吸熱膨脹并不能直接考慮膨脹土吸濕后基質(zhì)吸力減小、強(qiáng)度軟化和重度增加的影響。

綜上所述，膨脹土吸水后的膨脹和軟化是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的兩大最關(guān)鍵因素，但是目前的研究未能很好地同時(shí)考慮兩者的影響。針對(duì)以上不足，本文先通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了膨脹土強(qiáng)度的衰減規(guī)律。通過(guò)非飽和滲流理論，模擬了膨脹土邊坡的降雨入滲與基質(zhì)吸力減小過(guò)程?；跐穸葓?chǎng)理論，開發(fā)了FORTRAN程序，合理地考慮了干濕循環(huán)作用、吸濕膨脹以及土體軟化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，從而較為全面地分析了經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)的膨脹土邊坡在降雨增濕作用下的應(yīng)力位移及穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

1.1 土樣選取與基本土性

圖1 取土現(xiàn)場(chǎng)與典型土樣

現(xiàn)場(chǎng)采用薄壁取土器通過(guò)靜壓法取土樣。取土器提升到地面后，小心將裝有土樣的容器卸下，并立即密封、貼標(biāo)簽并裝盒，隨后移入土樣箱中，土樣之間用軟質(zhì)緩沖材料填充后運(yùn)至試驗(yàn)室。

在開展干濕循環(huán)試驗(yàn)之前，先進(jìn)行一系列基本土性測(cè)試，基本參數(shù)如表1所示。按相關(guān)規(guī)范中膨脹土判別分類微觀與宏觀結(jié)合雙控指標(biāo)體系，脹縮等級(jí)應(yīng)定為中等。

表1 保山膨脹土基本性質(zhì)

1.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

1.2.1 干濕循環(huán)過(guò)程

預(yù)定干濕循環(huán)次數(shù)為0～5次，因此需制備6組土樣，每12個(gè)土樣為一組進(jìn)行干濕循環(huán)。膨脹土的干濕循環(huán)過(guò)程設(shè)計(jì)參考肖杰等(2014)開展的類似試驗(yàn)的方法。試樣置于不透水玻璃板上、上下兩面各貼一張濾紙，以防試驗(yàn)過(guò)程中土粒散落。為了模仿自然界的降雨入滲飽和過(guò)程，每天用噴霧器往濾紙上噴水5次，每次噴水量達(dá)到上覆濾紙的表面有水滲出，即試樣不再吸水為止。噴水完成后用透明玻璃板覆蓋，并用不透水的薄膜包裹試樣以防止蒸發(fā)。這樣重復(fù)3d，即完成一次吸水飽和過(guò)程。每個(gè)試樣吸水飽和后分別稱其重量，確認(rèn)試樣接近完全飽和(≥98%)。干燥過(guò)程為將試樣置于烘箱脫水，設(shè)置箱內(nèi)溫度為40℃(模擬自然環(huán)境最高氣溫)，烘干24h，即完成1次干濕循環(huán)。6組試樣分別經(jīng)歷0～5次干濕循環(huán)。試樣的主要制備過(guò)程如圖2所示。

圖2 試樣的制備

1.2.2 強(qiáng)度及滲透系數(shù)

膨脹土試樣的強(qiáng)度通過(guò)直剪試驗(yàn)測(cè)定。為了避免不同的含水率對(duì)強(qiáng)度的影響，測(cè)試之前對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行增濕，增濕過(guò)程中不斷稱量重量，使試樣接近天然含水率。剪切過(guò)程中土樣分別施加50kPa、100kPa、200kPa、300kPa豎向壓力。

由于非飽和滲透系數(shù)極難量測(cè)，因此本次試驗(yàn)采用QY1-3型滲壓儀測(cè)量膨脹土的飽和滲透系數(shù)。將經(jīng)過(guò)預(yù)定的干濕循環(huán)次數(shù)的試樣頂、底面貼上濾紙，放在兩塊透水石中間，用飽和夾夾緊，放入飽和器中進(jìn)行抽真空飽和(抽真空1～2h，飽和12h)，使其接近含水層的天然飽和度。將試樣放入與環(huán)刀規(guī)格一致的QY1-3型滲壓儀試驗(yàn)槽內(nèi)，在適用于細(xì)粒黏性土滲透試驗(yàn)的40kPa滲透壓力下量測(cè)土樣的飽和滲透系數(shù)。

1.3 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

干濕循環(huán)次數(shù)與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土的抗剪強(qiáng)度有較大影響。前1～2次干濕循環(huán)后膨脹土的強(qiáng)度下降最為顯著，隨著裂隙形成并不斷擴(kuò)展，土體逐漸接近散體，黏聚力的降低極為顯著。3次干濕循環(huán)后，土體的抗剪強(qiáng)度趨向于穩(wěn)定。

圖3 抗剪強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

干濕循環(huán)次數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)(c、φ)的關(guān)系如圖4所示。結(jié)果表明，干濕循環(huán)主要通過(guò)降低黏聚力來(lái)降低膨脹土的抗剪強(qiáng)度。3次干濕循環(huán)后膨脹土的黏聚力降低了近一半，已非常接近穩(wěn)定值。隨著循環(huán)次數(shù)增加，單次引起的強(qiáng)度衰減幅度逐漸減小。圖5是歷次干濕循環(huán)后試樣裂隙發(fā)展情況，隨著循環(huán)次數(shù)增加，裂隙從表層向深部擴(kuò)展。3次干濕循環(huán)后，試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量橫向和豎向裂隙。裂隙縱橫交錯(cuò)并互相貫穿，降低了試樣整體的黏聚力。5次循環(huán)后，黏聚力c降低了一半以上，衰減幅度為55.75%，同時(shí)內(nèi)摩擦角φ下降了13.73%。5次干濕循環(huán)后的強(qiáng)度分別為c=17.1kPa和φ=11.2°(表2)。干濕循環(huán)作用未對(duì)內(nèi)摩擦角造成較大影響的原因是循環(huán)過(guò)程中，膨脹土沒(méi)有發(fā)生明顯剪脹、顆粒破碎或定向排列，因此內(nèi)摩擦角不會(huì)大幅度衰減。

圖4 黏聚力、內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖5 表層裂隙與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

表2 強(qiáng)度參數(shù)累計(jì)衰減率

1.4 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)滲透系數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(圖6)，前1～2次干濕循環(huán)后膨脹土的飽和滲透系數(shù)增大最顯著，膨脹土的飽和滲透系數(shù)增大了數(shù)十倍； 后3～5次干濕循環(huán)后滲透系數(shù)上升幅度變慢并趨向于穩(wěn)定。

圖6 飽和滲透系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖7是3次干濕循環(huán)后內(nèi)部裂隙擴(kuò)展情況，可以發(fā)現(xiàn)造成上述結(jié)果的主要原因是前3次干濕循環(huán)后主裂隙的貫穿。主裂隙的寬度數(shù)倍于其他裂隙，且最先上下貫通，成為水流滲透的快速通道，對(duì)試樣的滲透系數(shù)增加起決定性影響。

圖7 3次干濕循環(huán)后裂隙擴(kuò)展情況

此后4～5次干濕循環(huán)后，試樣主要表現(xiàn)為表面松散程度有所增加。由于主裂隙已經(jīng)形成并貫穿，限制了其他裂隙的擴(kuò)展，土樣內(nèi)部不再產(chǎn)生新的貫通裂隙。新形成的細(xì)小裂隙不會(huì)對(duì)土的滲透系數(shù)產(chǎn)生明顯影響，因此，試件的滲透系數(shù)增加幅度變緩，并最終趨于穩(wěn)定。

2 基本理論

2.1 非飽和滲流特性的考慮

飽和土的滲流理論在流固耦合分析時(shí)假設(shè)非飽和區(qū)土體的孔壓為0，不考慮基質(zhì)吸力的影響。而膨脹土作為一種典型的高吸力黏性土，基質(zhì)吸力對(duì)膨脹土的抗剪強(qiáng)度影響較大，因此，在滲流計(jì)算中應(yīng)考慮吸力的影響。

單相流固結(jié)理論假設(shè)土孔隙中的氣體排出是瞬時(shí)發(fā)生的，不考慮孔隙氣壓對(duì)滲流過(guò)程的影響，只考慮孔隙水壓力和基質(zhì)吸力對(duì)孔隙流體的影響。根據(jù) Bishop非飽和土有效應(yīng)力原理，考慮基質(zhì)吸力后應(yīng)力關(guān)系可以簡(jiǎn)化為式(1)：

σij=σ′ij+χpw

(1)

式中：σij表示總應(yīng)力(kPa)；σ′ij表示有效應(yīng)力(kPa)；pw表示孔隙水壓力(kPa)；χ為與飽和度有關(guān)的有效應(yīng)力參數(shù)，一般情況下可以用飽和度Sr(%)替代。

采用濾紙法測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)膨脹土樣的基質(zhì)吸力，并通過(guò)VG模型進(jìn)行擬合，土水特征曲線擬合得到的VG模型參數(shù)α為0.019，參數(shù)n為1.21，參數(shù)m為0.174，均為無(wú)量綱的常數(shù)。此外，王曉琪(2018)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究認(rèn)為，干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹土的土水特征影響不明顯，因此，假定經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后膨脹土的土水特征曲線保持不變。

非飽和區(qū)的滲透系數(shù)是飽和度的函數(shù)，根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算(Fredlund， 1993)。

(2)

式中：Sr為土的飽和度(%)；ksat為飽和滲透系數(shù)(m·s-1)。

2.2 吸濕膨脹作用

當(dāng)前，針對(duì)膨脹土吸濕膨脹過(guò)程的數(shù)值分析，濕度應(yīng)力場(chǎng)理論(繆協(xié)興，1995)值得借鑒。這種方法的思路是物體熱脹冷縮與膨脹土的吸水膨脹失水收縮過(guò)程存在一定的相似性，理論基礎(chǔ)是描述溫度梯度導(dǎo)致的傳熱過(guò)程與水頭差導(dǎo)致的滲流過(guò)程在表達(dá)式上具有一定的相似性，為采用吸熱膨脹來(lái)模擬吸濕膨脹提供了可能。非飽和滲流的微分方程為：

(3)

式中：hm為滲流過(guò)程中的壓力水頭高度(m)；cw為水的比重度，一般取值為1；t為滲流時(shí)間(s)。

對(duì)于熱傳導(dǎo)問(wèn)題，聯(lián)立熱能平衡方程及傅里葉熱傳導(dǎo)方程得到的熱傳導(dǎo)微分方程為：

(4)

式中：T為傳熱過(guò)程中的熱源溫度(K)；λ是熱傳導(dǎo)系數(shù)(W·(m·K)-1)；t為傳熱時(shí)間(s)。

比較式(3)、式(4)可知，對(duì)比滲流微分方程和熱傳導(dǎo)微分方程，兩者在表達(dá)形式上具有顯著的相似性。其中：滲透系數(shù)k相當(dāng)于熱傳導(dǎo)系數(shù)λ； 基質(zhì)吸力水頭h對(duì)應(yīng)溫度T； 水的比重度cw相當(dāng)于比熱容ρ，滲流速度相當(dāng)于熱傳導(dǎo)速度。因此，可以采用溫度場(chǎng)近似地模擬降雨增濕過(guò)程，需要考慮的是，用吸熱來(lái)代替吸濕是一種近似的方法，吸熱過(guò)程并不能直接考慮實(shí)際降雨入滲中基質(zhì)吸力減小、土壤增重以及土體吸濕軟化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

對(duì)于膨脹土，增濕過(guò)程中的膨脹應(yīng)變?cè)隽颗c含水率變化的關(guān)系式為：

Δεij=βδijΔω

(5)

熱力學(xué)中物體受熱膨脹的熱膨脹方程為：

Δεij=αδijΔT

(6)

等效吸濕膨脹系數(shù)α可以通過(guò)聯(lián)立式(5)、式(6)兩式得到：

(7)

采用溫度場(chǎng)來(lái)模擬膨脹土膨脹過(guò)程的基本思路如下：

(1)給模型施加降雨邊界，得到降雨后的邊坡濕度場(chǎng)。

(2)依據(jù)濕度場(chǎng)和溫度場(chǎng)參數(shù)的等效性，反演得到合理的等效吸濕膨脹系數(shù)。設(shè)定單元的含水率等于殘余含水率時(shí)其等效溫度為0℃，飽和含水率時(shí)對(duì)應(yīng)的等效溫度為100℃。之間的等效溫度Tp采用線性插值法計(jì)算，計(jì)算公式為：

(8)

(3)計(jì)算降雨前后單元含水率的變化，轉(zhuǎn)化為等效溫度改變量，計(jì)算吸濕膨脹量。

吸濕膨脹量以附加應(yīng)變的形式加入到總應(yīng)變，如式(9)所示：

(9)

2.3 滲流軟化效應(yīng)

通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)得膨脹土樣的內(nèi)摩擦角φ(°)和黏聚力c(kPa)隨飽和度變化的關(guān)系如圖8所示。

圖8 強(qiáng)度與飽和度的關(guān)系

內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c隨飽和度Sr變化的擬合關(guān)系式：

c=-0.647×Sr+95.4

(10)

φ=-0.206×Sr+30.1

(11)

從試驗(yàn)結(jié)果可知，未風(fēng)化土的內(nèi)摩擦角與飽和度之間關(guān)系的擬合曲線較為平緩，內(nèi)摩擦角發(fā)生較大的變化，在吸濕過(guò)程中可以視為一個(gè)固定值。黏聚力隨飽和度增大明顯減小，數(shù)據(jù)較為離散。當(dāng)飽和度大于95%時(shí)，黏聚力突降。因此，在計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)未風(fēng)化區(qū)土體的飽和度小于95%時(shí)，土體的黏聚力值取天然狀態(tài)下的平均值。當(dāng)飽和度大于95%時(shí)，應(yīng)考慮滲流軟化效應(yīng)，根據(jù)擬合式將黏聚力設(shè)置為飽和度的函數(shù)。

3 數(shù)值模型的建立

3.1 幾何模型與材料參數(shù)

根據(jù)相關(guān)工程資料，幾何模型如圖9所示。假設(shè)一典型膨脹土邊坡坡高為 15m，坡比為 1︰2，地基土厚度為10m，坡頂寬10m。淺層受干濕循環(huán)影響的風(fēng)化層2m， 2m以下為未風(fēng)化土。地基厚度10m， 0～4m為與邊坡相同的土層， 4～10m為較硬的下臥黏土層。坡體材料初始參數(shù)見(jiàn)表3，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，風(fēng)化層的土體強(qiáng)度和滲透系數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)定。

圖9 邊坡幾何模型

表3 土的參數(shù)

膨脹土的孔隙比e為1，土水特征曲線VG模型參數(shù)α為0.019，參數(shù)n為1.21，參數(shù)m為0.174。初始地下水位位于坡腳的地表處，模型的底部及兩側(cè)為ABAQUS默認(rèn)的不透水邊界，約束邊坡模型兩側(cè)的水平位移，只允許發(fā)生豎向的位移，并約束模型底部水平、垂直兩個(gè)方向的位移。

3.2等效吸濕膨脹系數(shù)的反演

采用吸熱膨脹模擬膨脹土吸濕膨脹效應(yīng)的關(guān)鍵是確定合理的膨脹系數(shù)。為此針對(duì)膨脹土室內(nèi)有荷膨脹率試驗(yàn)進(jìn)行反演分析，通過(guò)確定合適的等效溫度邊界，反演得到膨脹系數(shù)。

數(shù)值模型如圖10所示，幾何尺寸同室內(nèi)有荷膨脹試驗(yàn)的環(huán)刀試樣尺寸。室內(nèi)膨脹試驗(yàn)由試樣底部進(jìn)水增濕，因此數(shù)值計(jì)算中將模型底部邊界的等效溫度設(shè)置為100℃(完全飽和狀態(tài))，頂部設(shè)置為初始含水率對(duì)應(yīng)的等效溫度。約束左右邊界的x方向位移，約束底部的x、y方向，上邊界荷載設(shè)置為有荷膨脹試驗(yàn)的12.5kPa。

圖10 等效膨脹系數(shù)的反演模型

具體數(shù)值模擬過(guò)程如下：

(1)輸入一個(gè)較大的膨脹系數(shù)，計(jì)算豎向膨脹量；

(2)輸入一個(gè)較小的膨脹系數(shù)，再次計(jì)算豎向膨脹量；

(3)根據(jù)土工試驗(yàn)實(shí)測(cè)膨脹量，采用插值估算膨脹系數(shù)，輸入模型查看膨脹量與實(shí)測(cè)值是否一致。如果一致則以該膨脹系數(shù)作為等效吸濕膨脹系數(shù)，不一致則進(jìn)一步修改，重新計(jì)算，直至與實(shí)測(cè)膨脹量一致為止。

采用室內(nèi)脹縮儀進(jìn)行有荷膨脹率試驗(yàn)，試樣高20mm，初始飽和度為65%，豎向荷載12.5kPa，平均有荷膨脹率為2.13%，等效膨脹系數(shù)的反演結(jié)果如表4。

表4 等效膨脹系數(shù)的反演

中弱膨脹土等效膨脹系數(shù)一般在1×10-4～2×10-4/℃之間(張連杰等， 2015)，反演得到的結(jié)果為1.02×10-4，與之相符。

3.3 計(jì)算步驟

計(jì)算分3步：

(1)假設(shè)降雨前的初始水位位于坡角，先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。邊坡初始孔壓的計(jì)算結(jié)果如圖11所示，孔壓依高程線性規(guī)律分布，水位以上大部分邊坡的孔壓為負(fù)值，體現(xiàn)了非飽和區(qū)存在基質(zhì)吸力的特性。

圖11 初始孔壓分布

(2)通過(guò)在邊坡上表面施加流量邊界模擬降雨，模仿雨季的降雨量，給邊坡頂面和坡面施加一個(gè)如圖12所示的降雨邊界，總共歷時(shí)72h。

圖12 降雨過(guò)程

(3)根據(jù)降雨引起的邊坡濕度場(chǎng)的變化量計(jì)算吸濕變形量，更新應(yīng)變場(chǎng)，并在新應(yīng)變場(chǎng)的基礎(chǔ)上更新應(yīng)力場(chǎng)。

4 結(jié)果分析

4.1 降雨對(duì)邊坡濕度場(chǎng)的影響

先進(jìn)行邊坡降雨模擬。圖13為經(jīng)過(guò)一次干濕循環(huán)后邊坡降雨停止后的飽和度和孔壓分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，降雨過(guò)程中，隨著濕潤(rùn)鋒向土層內(nèi)部推進(jìn)，飽和區(qū)由坡腳不斷上移，風(fēng)化區(qū)的飽和度高于未風(fēng)化區(qū)。降雨幅值下降后，風(fēng)化區(qū)由于滲透系數(shù)較大，雨水在自重作用下快速下滲，表層土體飽和度下降，含水率低于內(nèi)層土體，計(jì)算所得結(jié)果符合非飽和降雨入滲規(guī)律。

圖13 黏性土邊坡飽和度

4.2 干濕循環(huán)對(duì)膨脹土邊坡破壞模式的影響

根據(jù)已有的干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，將測(cè)得的0～5干濕循環(huán)后的土體參數(shù)賦予風(fēng)化層土體，計(jì)算降雨停止后膨脹土邊坡整體位移，如圖14所示。

圖14 邊坡總位移

根據(jù)計(jì)算結(jié)果圖15可知，非飽和膨脹土邊坡的淺層牽引式破壞模式由吸濕膨脹變形導(dǎo)致，穩(wěn)定性系數(shù)的大小還與風(fēng)化層強(qiáng)度衰減程度緊密相關(guān)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體的黏聚力大幅度減小，邊坡的整體位移不斷增大，滑移面逐漸變淺。破壞形式為淺層滑塌式的破壞。

圖15 邊坡滑動(dòng)面示意圖

邊坡失穩(wěn)的滑面位置位于風(fēng)化層與未風(fēng)化層的交界處，且與風(fēng)化層的底部相切。在降雨及間歇期交替出現(xiàn)的干濕循環(huán)作用下，下半邊坡的風(fēng)化層內(nèi)部先出現(xiàn)淺層局部滑塌，隨后滑塌部位以上失去支撐進(jìn)一步發(fā)生滑動(dòng)，滑動(dòng)面均位于風(fēng)化裂隙區(qū)內(nèi)部。

4.3 干濕循環(huán)對(duì)整體穩(wěn)定性的影響

對(duì)比考慮膨脹和不考慮膨脹的膨脹土邊坡位移及穩(wěn)定性，區(qū)別主要在以下兩點(diǎn)：

(1)當(dāng)考慮膨脹作用時(shí)，邊坡位移顯著增大，相差達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，如果按照普通黏性土的分析方法來(lái)分析膨脹土邊坡，只考慮降雨過(guò)程中非飽和滲流作用和吸力降低，而忽略膨脹土的吸濕膨脹變形，計(jì)算得到的邊坡變形過(guò)小。

Fs表示邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，無(wú)量綱(2)根據(jù)表5的穩(wěn)定性系數(shù)Fs計(jì)算結(jié)果，當(dāng)考慮膨脹變形時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fs顯著減小。僅兩次干濕循環(huán)后，邊坡即失穩(wěn)破壞。在降雨作用下，風(fēng)化層土體吸濕膨脹發(fā)生較大的向邊坡外側(cè)的位移，并在下半邊坡的淺層首先出現(xiàn)局部滑動(dòng)。坡腳淺層滑塌后，上部的土體失去支持力，隨后發(fā)生牽引式滑動(dòng)?；瑒?dòng)面的深度和范圍不斷增加，多次滑動(dòng)后，最終坡腳出現(xiàn)層疊狀的破壞形態(tài)，這與膨脹土滑坡特有的淺層性、牽引性和多次發(fā)生性相符合。

表5 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)整體穩(wěn)定性的影響

5 結(jié) 論

根據(jù)研究結(jié)果，本文主要結(jié)論可歸納如下：

(1)干濕循環(huán)作用主要通過(guò)破壞膨脹土的結(jié)構(gòu)性來(lái)降低強(qiáng)度。3次循環(huán)后土體性質(zhì)基本穩(wěn)定，黏聚力降低一半，內(nèi)摩擦角未發(fā)生明顯變化。同時(shí)，飽和滲透系數(shù)增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)考慮膨脹性后，膨脹土邊坡的滑動(dòng)面沿著裂隙區(qū)底部發(fā)展。隨著風(fēng)化區(qū)膨脹土強(qiáng)度衰減，破壞模式表現(xiàn)為淺層滑塌式破壞，與普通黏性土的深層圓弧形滑動(dòng)面具有較大的不同?；瑒?dòng)面首先出現(xiàn)在坡腳，隨后牽引上部土體發(fā)生多次滑動(dòng)，這與膨脹土滑坡所具備的淺層性、牽引性和多次滑動(dòng)的特性相符合。

(3)膨脹土吸濕后的膨脹和軟化現(xiàn)象對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響顯著?？紤]膨脹及軟化效應(yīng)后，邊坡位移增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，穩(wěn)定性系數(shù)大幅降低。