含水率對黏土邊坡穩(wěn)定性的影響分析

【摘要】為研究含水率對黏土邊坡穩(wěn)定性的影響，以不同含水率為主要影響因素，使用Geo-studio進行分析。在干密度相同的情況下，隨著含水率11%、14%、16%、18%、20%逐漸增加，內(nèi)摩擦角φ降低，粘聚力呈先增大后減小的趨勢，并通過分析邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，給出了黏性土邊坡最穩(wěn)定時的含水率。

【關鍵詞】邊坡穩(wěn)定性； 黏性土邊坡； 含水率； Geo-studio

【中圖分類號】U416.1+4【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-05-29

［基金項目］陜西省重點研發(fā)計劃項目（項目編號：2023-YBSF-324），國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（項目編號：202210720001）

［作者簡介］周圓超（2001—），男，在讀本科，研究方向為巖土工程。

［通信作者］郭鴻（1984—），男，博士，副教授，研究方向為顆粒物質(zhì)力學、巖土工程理論及數(shù)值模擬。

0 引言

邊坡穩(wěn)定性一直是巖土工程界極為關注的熱點課題之一。邊坡失穩(wěn)從而造成的塌方、滑坡是陜南地區(qū)常見的幾種地質(zhì)災害，發(fā)生頻率高、危害大。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，降雨是誘發(fā)滑坡的重要因素之一［1］，降雨改變了土質(zhì)邊坡中土體的含水率，土體的參數(shù)受到含水率的影響隨之改變。有關降雨對誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的相關文獻和研究很多［2］，有土體滲透、地下水位的升降、孔隙水壓力等諸多方面的研究。

有關邊坡治理的研究和相關文獻越來越多，人們開始意識到邊坡治理需要考慮到所在地質(zhì)條件的復雜性和多樣性，不同地區(qū)的土體參數(shù)具有不確定性和變更性，使用傳統(tǒng)方法得出的邊坡安全系數(shù)事實上不能反映邊坡真實的安全水平。國內(nèi)外一些專家學者做了大量研究。付宏淵等［3］通過非飽和三軸試驗、非飽和土直剪試驗和非飽和土環(huán)剪裝置等儀器和方法，通過非飽和土抗剪強度計算公式，對比分析了砂性土與黏性土非飽和抗剪強度變化規(guī)律的差異性；劉坤等［4］通過Geo-Studio軟件分析了降雨作用下邊坡滲流場和邊坡降雨入滲的規(guī)律，闡明了土質(zhì)邊坡在降雨入滲過程中孔隙水壓力和基質(zhì)吸力的變化規(guī)律，以及降雨對坡頂?shù)挠绊懘笥谄碌?；胡毅夫等?］結(jié)合齊次定理對試驗所用砂性邊坡進行降雨情況模擬，以降雨強度、坡體密度和初始含水率為主要影響因素，得出邊坡穩(wěn)定性最不利的組合為：降雨強度大，坡體密度小，初始含水量大。程永輝等［6］通過離心模擬試驗，研究了降雨條件下邊坡失穩(wěn)機理，提出了完整均勻膨脹土邊坡的破壞模式，為膨脹土邊坡的處治提供了理論依據(jù)；錢紀蕓等［7］通過離心模型試驗研究得出降雨條件下土體破壞集中發(fā)生在邊坡頂部和邊坡表面；劉康琦等［8］利用FLAC3D軟件中的強度折減法對邊坡穩(wěn)定性進行分析，通過控制折減系數(shù)得出位移曲線，得出了黏性系數(shù)增大對于邊坡的變形及穩(wěn)定具有不利影響。

本文以漢中勉縣黏性土為研究對象，利用Geo-Studio軟件，研究不同含水率情況下，土質(zhì)邊坡的最低安全系數(shù)。研究成果對陜南地區(qū)土質(zhì)邊坡的防護及治理具有一定的借鑒意義。

1 含水率增減作用下邊坡穩(wěn)定性分析原理

1.1 試驗材料的基本性質(zhì)

試驗所用黏性土取自陜西省漢中市勉縣黏性土邊坡，取土深度為0.5～1m左右，根據(jù)液塑限試驗和擊實試驗等方法，土樣的相關參數(shù)和級配曲線如圖1所示。

通過擊實試驗，以控制11%、14%、16%、18%、20%、25%六種不同的含水率分別制成土樣，每個土塊都分五次填裝，每次裝量略多于1/5的土后，進行擊實，錘擊次數(shù)一定且自由下落。進行刮毛以減少土之間的空隙，再加入適量的土，重復操作。測出土樣的質(zhì)量，根據(jù)模型的體積測得土樣擊實后的干密度。

如表1所示擊實試驗結(jié)果得出試驗土樣的最大干密度為1.80 g/cm3，對應的最優(yōu)含水率為16.38%。

通過分析土樣顆粒級配曲線，該土樣不均勻系數(shù)Cu=10.78，曲率系數(shù)Cc=2.25，土樣級配良好。粒徑大于0.075 mm的顆粒含量為90.89%，細粒 （ 粒徑小于 0.075 mm 的粉粒和黏粒）含量為9.01%，說明采用土樣為細砂質(zhì)黏土。此外，通過標準擊實試驗，得出試樣的最優(yōu)含水率為16.38%，最大干密度為1.80 g/cm3。

1.2 不同含水率對試樣抗剪強度指標的影響

本次試驗擬在壓實度為0.85的情況下，通過控制試樣土體的含水率方式研究粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律。試樣的體積為96.01 cm3，每個土塊都分5次填裝，每次裝量略多于1/5的土后，進行壓實，并在每次壓實后將接觸面刮花，以防止試樣各層間出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，確保試驗結(jié)果的準確性。本試驗考慮了四種不同圍壓（100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa）以及5種含水率（11%，14%，16%，18%，20%），進行三軸剪切試驗研究。

試驗結(jié)果如表2所示。可以看出，在干密度相同的情況下，隨著含水率逐漸增加，內(nèi)摩擦角φ逐漸降低，但是粘聚力呈先增大后減小趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是這種黏土含砂，當含水率較小時，出現(xiàn)假粘聚力現(xiàn)象。

2 Geo-studio數(shù)值模擬

本文采用剛體極限平衡法，借助Geo-Studio軟件中SLOPE/W模塊，分析不同含水率條件下邊坡的安全系數(shù)。選取一種簡單剖面，邊坡高度最大為13 m，坡比為1∶0.6。結(jié)合黏性土的力學參數(shù)建立計算模型，然后分別計算不同含水率時邊坡的穩(wěn)定性如圖2所示。

為了更加明確邊坡在不同含水率下穩(wěn)定狀況，再采用SLOPE/W模塊進行穩(wěn)定性計算，得到了5種不同含水率下的穩(wěn)定性系數(shù)，分別為2.042、1.860、1.194、0.989、0.923，整理得到穩(wěn)定系數(shù)曲線如圖2所示。

可以看出隨著含水率從11%增加到14%，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由2.042減小到1.860；含水率從14%增加到16%，穩(wěn)定性系數(shù)減小為1.194。通過趨勢線分析可以得出，隨著含水率不斷增加，邊坡的安全系數(shù)持續(xù)降低，尤其是在含水率在14%～16%之間時，安全系數(shù)降低幅度最大。當含水率在16%～18%時，坡體的安全系數(shù)小于1，從安全轉(zhuǎn)變?yōu)椴话踩?。這對于工程的啟示是，此類邊坡在處理過程中一定要加強排水，或者在坡面要種植一些植物，確保坡面的含水率在安全范圍。當然，對于此類邊坡，如果采取支護措施、加筋等措施［9-10］，那其安全系數(shù)應該會大幅度增加，可以抵抗較高的含水率（比如持續(xù)降雨）。

3 結(jié)論

普通黏土邊坡是陜南地區(qū)中一種常見的地質(zhì)體，本文采用室內(nèi)三軸試驗和Geo-Studio軟件相結(jié)合的手段，從含水率不同造成土體粘聚力和內(nèi)摩擦角改變，進而對坡體穩(wěn)定性進行研究，結(jié)果表明：（1）土體干密度相同時，隨著含水率逐漸增加，內(nèi)摩擦角逐漸降低，粘聚力呈先增大后減小趨勢；（2）隨著含水率不斷增加，邊坡的安全系數(shù)持續(xù)降低，當含水率大于16%時，邊坡將由安全變?yōu)椴话踩?/p>

參考文獻

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