平緩型膨脹土邊坡在干濕循環(huán)條件下的穩(wěn)定性研究

佟 浩

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110003）

0 引言

膨脹土作為特殊性土的一種又被稱作脹縮性土,其標(biāo)志性特點(diǎn)為遇水浸泡后體積會(huì)產(chǎn)生劇烈膨脹,在失水后體積又會(huì)產(chǎn)生顯著的收縮。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因在于膨脹土的組成成分中包含了大量的蒙脫石、伊利石等親水性較強(qiáng)的礦物。由于體變較大,穩(wěn)定性較差,因此對建筑物、構(gòu)筑物危害性較大,但此類土在天然狀態(tài)下往往表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度特征和較低的壓縮性,容易被作為良好的地基填土使用,加之膨脹土分布廣泛,在云南、貴州、廣西等10 個(gè)省份多有分布,若不做處理將其直接應(yīng)用于大型建筑物、邊坡等場景中,可能會(huì)產(chǎn)生難以估量的損失。針對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性與破壞機(jī)理不少學(xué)者展開了研究[1-2],但考慮到邊坡類型的多樣性,而其中的多數(shù)研究主要針對坡度較大的工程邊坡,對于平緩型膨脹土邊坡的穩(wěn)定性及破壞機(jī)理,則缺少相關(guān)的研究數(shù)據(jù)用以指導(dǎo)工程實(shí)際。

本文以遼寧某地的平緩型膨脹土邊坡為研究對象,結(jié)合干濕循環(huán)試驗(yàn)對坡體和滑坡帶中表現(xiàn)出的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究,并結(jié)合揚(yáng)布普遍條分法,建立干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析方法。

1 研究概況

研究的平緩型膨脹土邊坡位于遼寧省某地國道線路附近,該路段地貌類型屬于侵蝕地貌丘陵區(qū),地勢特征呈現(xiàn)出西南高東北地的趨勢。場地的原坡度在7°～9°之間,屬于平緩型邊坡,路面高程為158 m,道路從西北往東南方向延伸并經(jīng)過斜坡中間。

滑坡段附近地表水系主要為小溪等間歇性流水,地下水類型主要以孔隙水和裂隙水為主,通過大氣降雨的形式進(jìn)行補(bǔ)充,埋深一般為3.6 m～5.5 m 之間。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果顯示,邊坡的構(gòu)成主要包含了填土、中風(fēng)化泥巖和殘積黏土。其中填土呈現(xiàn)灰白色,由植物根系、碎石等多種物質(zhì)構(gòu)成,平均自由膨脹率為47%；殘積黏土內(nèi)部包含呈破碎狀的風(fēng)化巖塊,平均自由膨脹率為46%；中風(fēng)化泥巖呈現(xiàn)深灰色,巖質(zhì)較軟,失水會(huì)產(chǎn)生收縮開裂現(xiàn)象,平均自由膨脹率為48%,綜合上述結(jié)果可以看出,該坡體總體呈現(xiàn)中縮脹性。

由于受到當(dāng)?shù)亟邓?、地表水系等環(huán)境的影響,在路線運(yùn)營期間,多處路段在路基邊坡產(chǎn)生滑移下出現(xiàn)路面沉降開裂,其中最大沉降量達(dá)到20 cm。產(chǎn)生滑坡的坡面后緣處有多條長度為1 m～18 m,深度1 m～2.5 m 不等的羽狀裂縫,填方段路基的下沉量在0.4 m～0.9 m 之間。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場勘察

為了明確滑移面的形狀和和位置所在,需要對邊坡地層進(jìn)行現(xiàn)場勘察。本文所使用的方法為開挖探槽結(jié)合輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)進(jìn)行。通過開挖探槽獲取地層的組成類型,輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)則可以對地層的軟弱夾層進(jìn)行識(shí)別。其中圖1（a）所示為探槽開挖測量圖,圖1（b）所示為地層的分布情況圖。

圖1 探測槽開挖后土層的分布情況

根據(jù)輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)的結(jié)果,得到了貫入擊數(shù)和貫入深度關(guān)系曲線,見圖2。其中N10為貫入深度達(dá)到30 cm 時(shí)的貫入擊數(shù),貫入深度用h表示。

圖2 典型貫入擊數(shù)的N10 和h 關(guān)系曲線

通過圖2 的測試結(jié)果可以看出,貫入錘擊的次數(shù)在貫入深度達(dá)到3.3 m 左右時(shí)呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢,此結(jié)果表明在3.3 m 深度左右的地層力學(xué)性能較差,可認(rèn)為該地層為邊坡滑動(dòng)帶。結(jié)合貫入結(jié)果和地層分布情況可進(jìn)一步推測出此邊坡的破壞類型為淺層失穩(wěn)破壞,屬于典型的膨脹土邊坡破壞模式。

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

為了明確干濕循環(huán)和膨脹土邊坡失穩(wěn)之間的相互關(guān)系和獲取坡體和滑坡帶在干濕循環(huán)中表現(xiàn)出的強(qiáng)度參數(shù),需要設(shè)計(jì)干濕循環(huán)試驗(yàn)。本文所用膨脹土取自上文所述邊坡滑動(dòng)帶處的原狀膨脹土,其各項(xiàng)物理參數(shù)見表1。

表1 取樣膨脹土的基本物理參數(shù)

將取得的膨脹土樣本進(jìn)行碾碎、烘干后篩分,將樣本制備成壓實(shí)度達(dá)到90%的環(huán)刀試樣,式樣共制備五組,每組兩個(gè)。將五組式樣分別按干濕循環(huán)次數(shù)0、2、4、6、8 次進(jìn)行編號(hào),按照順序分別編號(hào)為對照組A 和B、C、D、E 四個(gè)試驗(yàn)組。由于根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果顯示當(dāng)?shù)氐呐蛎浲猎谧匀粻顟B(tài)下含水率在10%～34%區(qū)間內(nèi)不等,因此對干濕循環(huán)試驗(yàn)的含水率上下限設(shè)置為下限為10%,上限為35%。

本試驗(yàn)采用的含水率改變方法為滴定管滴定結(jié)合烘箱烘干的方法進(jìn)行模擬。即對試驗(yàn)組式樣采用滴定管將水滴定在試驗(yàn)上,并在滴定后稱取并記錄式樣質(zhì)量,直至式樣含水率達(dá)到設(shè)定的上限含水率35%。之后將式樣置于溫度設(shè)定為40℃的烘箱中進(jìn)行烘干,并不定時(shí)稱取并記錄式樣質(zhì)量,直至式樣達(dá)到下限含水率10%,此過程視為一次干濕循環(huán)。之后對完成干濕循環(huán)預(yù)定次數(shù)的式樣按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行直剪試驗(yàn)用以獲取式樣的強(qiáng)度結(jié)果。

3 結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度分析

通過分別對A、B、C、D、E 五組在0、2、4、6、8 次干濕循環(huán)后進(jìn)行的直剪試驗(yàn),得到了不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹土式樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果,并將結(jié)果繪制成了如圖3 所示的不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化圖。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化情況

圖3 為不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化結(jié)果,從圖中可以看出隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力基本呈現(xiàn)降低的趨勢,表明隨著干濕循環(huán)的作用,膨脹土土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)遭到一定程度的破壞,導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的降低,其中隨著循環(huán)次數(shù)的增大,黏聚力降低較為顯著,在經(jīng)過8 次的干濕循環(huán)后黏聚力衰減到10.5 kPa 左右,衰減幅度達(dá)到了52%。同時(shí)黏聚力的衰減幅度隨著干濕循環(huán)的次數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢,在達(dá)到第8 次干濕循環(huán)時(shí)降至最低。表明現(xiàn)場的邊坡滑塌破壞主要原因在干濕循環(huán)作用下黏聚力降至最低值所致；相較于黏聚力,內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)的次數(shù)增加變化幅度較小,總體在11.2°～11.6°區(qū)間內(nèi)變化,其可能原因在于膨脹土式樣在經(jīng)歷脹縮變化后,其總體的表面特征未發(fā)生明顯改變,使得內(nèi)摩擦角總體上變化幅度也不大。

3.2 基于揚(yáng)布普遍條分法的安全系數(shù)模型

采用條分法對膨脹土的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí),需引入膨脹力的概念。膨脹力為邊坡坡體內(nèi)力的一種[3],多存在于土體滑坡體之間,因此地基反力應(yīng)等于膨脹力。但本文根據(jù)土條塊的受力模式分析認(rèn)為地基反力應(yīng)小于膨脹力,在確定膨脹力之后,便可以通過原地基反力和膨脹力的差值確定新的地基反力。

圖中P'lin為膨脹力分解后垂直向的分力；為膨脹力分解后水平向的分力；水平向膨脹力；yi和yi-1分別為第i和第i-1 條塊的側(cè)邊切應(yīng)力；Ei和Ei-1分別為第i和第i-1條塊的側(cè)邊法應(yīng)力；Pi和Pi-1分別為第i和第i-1 條塊的側(cè)邊膨脹力；Wi為第i條塊的自重應(yīng)力；Wi為滑裂面在第i條塊的抗滑移力；Ni和N'i分別為原地基反力和新地基反力；Pli為膨脹力。

基于揚(yáng)布普遍條分法,條塊在豎直方向上存在：

上式可以變化為：

將（2）進(jìn)行變化可以得到：

由于在（3）中Ti主要由膨脹土的抗剪強(qiáng)度所決定,因此Ti必須滿足：

式中：Fs為安全系數(shù)；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力。

根據(jù)條塊水平向的受力平衡可知：

式（5）可以變化為：

由式（3）、式（4）、式（6）可得：

在式（7）中：

由于在揚(yáng)布普遍條分法中規(guī)定,各個(gè)條塊之間的法向應(yīng)力累加和應(yīng)為0,即：

則結(jié)合式（9）的限定條件,可將式（7）轉(zhuǎn)化為求取安全系數(shù)的公式,即：

通過式（10）便可以對膨脹土邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算從而可以對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析。

3.3 膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析

基于前文得到的安全系數(shù)計(jì)算模型,對某地國道線路附近的平緩型膨脹土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算研究,將滑體共劃分為10 個(gè)條塊,分別采用不考慮膨脹力影響的情況、文獻(xiàn)[3]的計(jì)算方法和本文所提出的計(jì)算方法進(jìn)行對比,并繪制了圖4。

圖4 干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡安全系數(shù)變化情況

圖4 所示為不同方法下的干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡安全系數(shù)變化情況,從圖中可以看出在無干濕循環(huán)時(shí),膨脹力會(huì)降低邊坡的安全系數(shù),但邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài),隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行和次數(shù)的增多,安全系數(shù)呈現(xiàn)出降低的趨勢且降幅也隨之減小,其變化趨勢與土體的抗剪強(qiáng)度大致相當(dāng)。在達(dá)到8 次的干濕循環(huán)時(shí),文獻(xiàn)[3]所給出的方法得到的安全系數(shù)為1.6,此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),而實(shí)際邊坡已經(jīng)失穩(wěn)；考慮到對邊坡的簡化處理,本文所給出的方法計(jì)算得到的安全系數(shù)為1.05,略大于1,此時(shí)邊坡狀態(tài)接近于失穩(wěn),與實(shí)際結(jié)果最為接近,可見對于平緩型膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析,本文的方法更加貼近實(shí)際。

4 結(jié)論

本文以遼寧某地的平緩型膨脹土邊坡為研究對象,結(jié)合干濕循環(huán)試驗(yàn)對坡體和滑坡帶中表現(xiàn)出的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究,并結(jié)合揚(yáng)布普遍條分法,建立了干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析方法,并得出了如下結(jié)論：

1）隨著干濕循環(huán)的作用,膨脹土土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)遭到一定程度的破壞,導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的降低,致使膨脹土邊坡穩(wěn)定性降低。

2）在無干濕循環(huán)時(shí),膨脹力會(huì)降低邊坡的安全系數(shù),隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行和次數(shù)的增多,安全系數(shù)呈現(xiàn)出降低的趨勢且降幅也隨之減小。