考慮裂隙影響的紅黏土邊坡淺層穩(wěn)定性分析

黃麗華，劉順青

（1.河西學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 張掖734000；2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212100)

0 引言

隨著我國(guó)各種工程建設(shè)向山區(qū)發(fā)展，許多地方會(huì)遇到紅黏土邊坡問題。紅黏土一般情況下裂隙較發(fā)育，應(yīng)區(qū)別于一般的黏土[1]，因此，紅黏土邊坡也應(yīng)區(qū)別于普通的黏性土邊坡。在廣梧高速公路沿線地區(qū)，每當(dāng)降雨時(shí)，紅黏土邊坡會(huì)出現(xiàn)不同程度的滑塌現(xiàn)象，可見，淺層含水率變化對(duì)紅黏土邊坡的穩(wěn)定性具有顯著影響。目前，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者研究了紅黏土強(qiáng)度與含水率的關(guān)系，如陳議城等[2]采用無側(cè)限試驗(yàn)分析研究了含水率對(duì)桂林紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及電阻率的影響；劉順青、陳佳雨及陳鴻賓等[3-5]分析研究了含水率及干密度等因素對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響；穆坤等[6]采用三軸與壓縮試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)條件下壓實(shí)紅黏土工程性狀。

另一方面，降雨入滲對(duì)紅黏土邊坡穩(wěn)定性的影響如何，國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者開展這方面的研究。如李天寶等[7]基于西南地區(qū)某大型紅黏土邊坡，分析研究了暴雨對(duì)其穩(wěn)定性的影響；張群等[8]通過室內(nèi)降雨入滲試驗(yàn)分析研究了紅黏土邊坡滑體厚度的分布成因，結(jié)果表明短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨入滲深度是導(dǎo)致緩傾角淺層紅黏土土質(zhì)滑坡主要集中在1～5 m 的原因。但關(guān)于裂隙對(duì)紅黏土邊坡穩(wěn)定性影響的研究較少，而實(shí)際工程中紅黏土邊坡常常因?yàn)楦蓾裱h(huán)作用，坡體中常常存在干縮裂隙。目前為止，大多學(xué)者開展了裂隙對(duì)其他類別邊坡穩(wěn)定性的影響[9-12]，然而裂隙開展后對(duì)紅黏土邊坡的穩(wěn)定性影響如何還缺少系統(tǒng)研究。

本文以廣梧高速沿線邊坡的紅黏土為對(duì)象，通過直剪類試驗(yàn)獲取了現(xiàn)場(chǎng)含水率變化范圍內(nèi)坡體紅黏土的抗剪強(qiáng)度及殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)，同時(shí)采用濕度系數(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)探槽試驗(yàn)以及裂隙的統(tǒng)計(jì)資料綜合確定了紅黏土邊坡的裂隙開展深度，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建考慮裂隙影響的穩(wěn)定性分析方法，采用二維有限元分析軟件Midas Soilworks分析了考慮裂隙影響的紅黏土邊坡的淺層穩(wěn)定性。研究結(jié)果為紅黏土邊坡的設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)治理提供了參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)土料及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)土料的基本特征

試驗(yàn)所用紅黏土的粒組成分及基本的物理力學(xué)指標(biāo)分別如表1、2和圖1所示。

表1 紅黏土的粒組成分Table 1 Grain size composition of red clay

圖1 紅黏土的粒徑分布圖Fig.1 Curve of particle size distribution of red clay

表2 紅黏土物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical index of red clay

1.2 測(cè)試方法

為獲得現(xiàn)場(chǎng)不同含水率下紅黏土的強(qiáng)度指標(biāo)，試驗(yàn)時(shí)制樣干密度取1.53 g/cm3，分別按含水率10.3%、11.5%、13.8%、14.8%、16.8%、19.0%、20.6%、22.0%、23.0%、24.0%、25.7%、26.5%進(jìn)行制樣，每組試樣4個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 不同含水率下紅黏土的黏聚力

紅黏土的黏聚力與含水率的關(guān)系（圖2）近似用指數(shù)函數(shù)表示為：

式（1）中，c為黏聚力，kPa；w為含水率，(%)。

1.3.2 不同含水率下紅黏土的內(nèi)摩擦角

紅黏土的內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系（圖3）近似用分段函數(shù)表示為：

式（2）中，φ為內(nèi)摩擦角，（°）；w為含水率，（%）。

表3 不同含水率下紅黏土的強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Strength index of red clay under different water contents

圖2 紅黏土的黏聚力與含水率的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between cohesion and water content of red clay

圖3 紅黏土的內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between internal friction angle and water content of red clay

2 紅黏土邊坡的大氣影響深度

大氣對(duì)土體濕度的影響深度稱為大氣影響深度[13-14]，本文采用紅黏土的濕度系數(shù)來計(jì)算該影響深度。

從表2 中可以看出，研究區(qū)的紅黏土塑性指數(shù)大于17。通過試驗(yàn)測(cè)得其自由膨脹率為43%，

可見其具有一定的膨脹性。因此，可采用膨脹土規(guī)范中的濕度系數(shù)與大氣影響深度的關(guān)系（表4）進(jìn)行紅黏土的大氣影響深度計(jì)算。

表4 大氣影響深度Table 4 Atmosphere influence depth

土體濕度系數(shù)ψw的公式如（3）所示：

式（3）中，wmin及wp分別為地表下1 m深度處土體含水率可能達(dá)到的最小值及土體塑限值。

通過現(xiàn)場(chǎng)探槽試驗(yàn)，獲取了紅黏土邊坡后緣土體1 m 深度處的4 個(gè)方向的含水率，探槽試驗(yàn)分別在不同的月份進(jìn)行，并將試驗(yàn)獲得的4個(gè)含水率取平均，如表5所示。

表5 1 m深度處土體含水率Table 5 Soil water contents at depth of 1 m

通過式（3）計(jì)算紅黏土的濕度系數(shù)：

根據(jù)濕度系數(shù)并查表可得到紅黏土邊坡的大氣影響深度約為5.0 m。本文中的紅黏土滲透性較弱，大氣影響深度下的降雨入滲深度是導(dǎo)致紅黏土邊坡發(fā)生淺層滑動(dòng)的主要原因。

3 考慮裂隙影響的紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析方法

3.1 區(qū)域劃分

裂隙的存在與否對(duì)紅黏土強(qiáng)度的影響很大，因此需分別考慮裂隙區(qū)與無裂隙區(qū)。在區(qū)別兩個(gè)區(qū)域之前，首先需要確定裂隙的開展深度hc。肖榮久[15]通過對(duì)膨脹土中裂隙的觀察統(tǒng)計(jì)得出裂隙的一般深度在2～6 m。在沒有可靠探測(cè)資料時(shí)，根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)資料并結(jié)合研究區(qū)紅黏土邊坡的大氣影響深度，本文取hc=5 m。

本文將紅黏土邊坡土層分為3 層，如圖4 中a、b、c 所示。其中a 層為裂隙充分發(fā)育土層，厚度近似取2/3hc，b層為裂隙未發(fā)育土層，厚度近似取1/3hc，c層為無裂隙土層。

圖4 紅黏土邊坡土層區(qū)域劃分Fig.4 Soil zoning of red clay slope

3.2 劃分區(qū)域強(qiáng)度指標(biāo)的選取

紅黏土邊坡劃分區(qū)域抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)選用如下：

a區(qū)裂隙發(fā)育，取殘余強(qiáng)度指標(biāo)cf和φf；

b 區(qū)裂隙發(fā)育不充分，處于過渡階段，故可假定，cb=（co+cf）/2，φb=（φo+ φf）/2；

c區(qū)為無裂隙的原狀紅黏土，取co和φo。

本文通過反復(fù)直剪試驗(yàn)獲得了紅黏土的殘余強(qiáng)度指標(biāo)，如表6。

表6 不同含水率下紅黏土的殘余強(qiáng)度指標(biāo)Table 6 Residual strength index of red clay under different water contents

4 紅黏土邊坡淺層穩(wěn)定性計(jì)算

4.1 計(jì)算模型的建立

高速公路現(xiàn)場(chǎng)紅黏土邊坡高度大多不超過25 m，因此本文建模時(shí)選取邊坡高度為20 m、坡度為45°?；诙S有限元分析軟件Midas Soilworks 建立的含裂隙影響的紅黏土邊坡有限元計(jì)算模型如圖5所示。

4.2 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)的選取

本文考慮裂隙影響時(shí)的紅黏土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)本構(gòu)模型選用摩爾—庫(kù)侖模型。已有文獻(xiàn)結(jié)果表明彈性模量和泊松比對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響不大[16-17]，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)采用固結(jié)排水剪切試驗(yàn)得到的值，彈性模量和泊松比分別取10 Mpa 及0.37。原狀紅黏土的現(xiàn)場(chǎng)天然含水率接近25.7%，所以無裂隙區(qū)紅黏土可取含水率為25.7%時(shí)的強(qiáng)度參數(shù)。

圖5 考慮裂隙影響的紅黏土邊坡有限元計(jì)算模型圖Fig.5 Finite element model and mesh generation of red clay slope considering the influence of fissure

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 不同含水率下含裂隙紅黏土邊坡的變形特性

采用強(qiáng)度折減法對(duì)含裂隙影響的紅黏土邊坡的淺層穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了各含水率下含裂隙紅黏土邊坡的最大剪切應(yīng)變?cè)茍D（圖6），由圖可知，紅黏土邊坡在考慮裂隙影響時(shí)滑動(dòng)面隨含水率增大逐漸從深層向淺層轉(zhuǎn)變，并最終處于裂隙開展深度范圍內(nèi)。通過與相對(duì)應(yīng)的不考慮裂隙時(shí)邊坡最大剪切應(yīng)變?cè)茍D對(duì)比可知，考慮裂隙影響后相同含水率下紅黏土邊坡的滑動(dòng)面位置較淺。可見，裂隙的存在對(duì)紅黏土邊坡的淺層穩(wěn)定性具有重要的影響。

圖6 不同含水率下含裂隙紅黏土邊坡最大剪切應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Maximum shear strain contours of red clay slopes containing fissure under different water contents

4.3.2 不同含水率下含裂隙紅黏土邊坡的淺層穩(wěn)定安全系數(shù)

不同含水率下紅黏土邊坡的淺層穩(wěn)定安全系數(shù)如圖7 所示。從圖7 中可以看出，當(dāng)含裂隙紅黏土邊坡的含水率在10.3%～26.5%之間變化時(shí)，邊坡的安全系數(shù)從2.512減小到了0.850，其中邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)在含水率10.3%～23.0%時(shí)下降最為明顯，而后因土層接近飽和，所以降低不明顯。紅黏土邊坡的安全系數(shù)產(chǎn)生上述變化的原因是紅黏土中的膠結(jié)形式（游離氧化鐵膠結(jié)）在含水率超過某值時(shí)發(fā)生了驟然破壞，從而導(dǎo)致安全系數(shù)的明顯降低。

圖7 不同含水率下含裂隙紅黏土邊坡的淺層安全系數(shù)Fig.7 Shallow safety factors of red clay slopes containing fissure under different water contents

5 裂隙對(duì)紅黏土邊坡淺層穩(wěn)定安全系數(shù)絕對(duì)衰減率的影響分析

為定量分析裂隙的存在對(duì)紅黏土邊坡淺層穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，給出邊坡淺層穩(wěn)定安全系數(shù)絕對(duì)衰減率Δi定義：

式（5）中，F(xiàn)i，F(xiàn)0分別為相同含水率下考慮與不考慮裂隙影響時(shí)紅黏土邊坡的淺層穩(wěn)定安全系數(shù)。

不考慮裂隙影響時(shí)紅黏土邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果如圖8所示，此時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)的模型與考慮裂隙影響時(shí)的模型一致，但大氣影響深度范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選用表3中各含水率對(duì)應(yīng)的值。邊坡安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率如圖9 所示。從圖中可看出，當(dāng)含水率在10.3%～26.5%變化時(shí)，邊坡淺層穩(wěn)定安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率在20.4%～32.0%變化，并在含水率為23%接近飽和時(shí)，達(dá)到最小值，裂隙的存在對(duì)其穩(wěn)定性影響明顯。對(duì)于廣梧高速沿線的紅黏土邊坡發(fā)現(xiàn)裂縫應(yīng)及時(shí)處理，防止紅黏土滑坡的發(fā)生。

圖8 不同含水率下不含裂隙時(shí)紅黏土邊坡淺層安全系數(shù)Fig.8 Shallow safety factors of red clay slopes without fissure under different water contents

圖9 不同含水率下紅黏土邊坡淺層安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率Fig.9 Reduction ratio of shallow safety factors of red clay slopes under different water contents

6 結(jié)論

（1）采用濕度系數(shù)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)探槽試驗(yàn)分析計(jì)算了研究區(qū)的大氣影響深度，結(jié)合裂隙的統(tǒng)計(jì)資料綜合確定了紅黏土邊坡的裂隙開展深度為5m。

（2）紅黏土邊坡在考慮裂隙影響時(shí)滑動(dòng)面隨含水率增大逐漸從深層向淺層轉(zhuǎn)變，并最終處于裂隙開展深度范圍內(nèi)，紅黏土邊坡的淺層安全系數(shù)在坡體飽和之前，下降最為明顯。

（3）與不考慮裂隙的紅黏土邊坡相比，淺層穩(wěn)定安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率在20.4%～32.0%變化。