細粗粒覆蓋層對膨脹土邊坡防滲效果數值研究

摘要：

為了研究由一層細粒土層下覆一層粗粒土層組成的毛細阻滯護坡結構對膨脹土邊坡防滲效果的影響，采用初應變法將膨脹土中濕度應力以類似溫度應力場的形式施加到土體上，通過數值軟件實現(xiàn)對膨脹土邊坡吸濕膨脹的數值模擬，將等效塑性應變完全貫通作為邊坡穩(wěn)定性的判別準則。數值模擬結果表明：毛細阻滯護坡結構層形成強透水層，能有效防止降雨入滲，達到較好的護坡效果；0.5 m厚細粒土層+0.2 m厚粗粒土層組成的毛細阻滯結構護坡效果與1.5 m水泥改性土護坡結構相當。毛細阻滯生態(tài)護坡結構對膨脹土邊坡有較好的護坡效果。研究成果可以為相關膨脹土邊坡防護提供理論和設計依據。

關" 鍵" 詞：

粗粒土覆蓋層； 膨脹土邊坡； 毛細阻滯護坡結構； 吸濕膨脹； 數值模擬； 防滲效果

中圖法分類號： TU43

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.029

收稿日期：

2023-11-28

；接受日期：

2024-02-12

基金項目：

安徽省引江濟淮集團有限公司科技項目（YJJH-ZT-ZX-20230118528，YJJH-ZT-ZX-20191031216）；國家自然科學基金青年基金項目（52208329）

作者簡介：

權" 全，男，高級工程師，主要從事水利工程建設管理。E-mail：602419226@qq.com

通信作者：

邱金偉，男，高級工程師，博士，主要從事環(huán)境巖土工程、膨脹土邊坡等方面的研究。E-mail：jinwei_qiu@foxmail.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0221-08

引用本文：

權全，邱金偉，胡波，等.細粗粒覆蓋層對膨脹土邊坡防滲效果數值研究

［J］.人民長江，2024，55（7）：221-228.

0" 引 言

由于膨脹土干縮濕脹的工程特性，未采取任何防護措施的膨脹土邊坡在干濕循環(huán)的不斷作用下會產生裂縫（最深可達2 m）。雨天水分沿裂縫入滲至膨脹土邊坡深層，膨脹土吸濕膨脹產生膨脹應力擠壓周邊土體，進而產生順坡向的剪切力，當剪切力超過抗剪強度后產生塑性變形，并逐步向上發(fā)展直至貫通，最終導致淺層滑坡［1-2］。因此想要防止此類邊坡失穩(wěn)，應抑制膨脹變形的產生。含水量控制和壓重是抑制膨脹變形的兩種手段［3］。由于在工程建設和運行中控制土體含水量的變化較難實現(xiàn)，壓重是當前工程中最常用的方式，即將邊坡表層膨脹土換填成非膨脹土。為了實現(xiàn)壓重的目的，表層換填土厚度通常超過1 m。換填層通常為非膨脹黏性土、水泥改性膨脹土、土工格柵加筋膨脹土、石灰改性膨脹土等［4］，對原料的需求較大，且最常用的水泥改性膨脹土、石灰改性膨脹土等換填土層會造成土壤堿化、板結，破壞了天然土的生態(tài)功能，短期內無法生長植被，不利于生態(tài)修復［5］。

毛細阻滯護坡結構由一層細粒土層下覆一層粗粒土層組成，利用兩土層滲透性差異形成毛細阻滯作用，可以有效防止雨水的入滲［6-8］。毛細阻滯結構最初被用于填埋場的封場覆蓋中，后被學者拓展應用于邊坡的防護工程中［9-12］。毛細阻滯護坡結構通過含水量控制和壓重雙層作用抑制膨脹變形，具備更好的耐久性，適合種植植被，滿足環(huán)保要求。一些學者通過室內試驗證實了毛細阻滯護坡結構良好的護坡效果。Yang等［13］開展了一系列毛細阻滯護坡結構室內試驗研究，結果表明粗粒層的阻水效果顯著，且土層顆粒越粗阻礙效果越明顯。Tami等［12］研究了多種降雨條件下毛細阻滯護坡結構的護坡效果，試驗結果表明毛細阻滯護坡結構具有良好的阻水能力，當降雨強度較大時細粒土層的持水能力對排水效果影響較大。吳慶華等［8］研究了毛細阻滯護坡結構的排水防滲效果，試驗結果表明該結構具有較好的防滲排水效果，其穩(wěn)定排水效率和綜合排水效率分別介于80%～100%和43%～79%之間。

當前通過數值模擬研究毛細阻滯結構對膨脹土邊坡穩(wěn)定性作用的研究較少。陳冠一等［14］通過數值模擬研究了幾種不同毛細阻滯護坡結構治理膨脹土邊坡的滲流及穩(wěn)定性，考慮了土層的非飽和特性，然而沒能考慮膨脹土邊坡的吸濕膨脹作用。趙思奕等［15］研究表明，考慮膨脹性后，膨脹土邊坡的滑動面沿著裂隙區(qū)底部發(fā)展，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面具有較大的不同。張恒晟［16］研究了膨脹變形對膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響，結果表明膨脹變形對邊坡穩(wěn)定影響顯著，是控制膨脹土邊坡穩(wěn)定的重要因素之一。張良以等［17］研究了降雨誘發(fā)膨脹土邊坡漸進破壞，結果表明膨脹土的膨脹性、強度參數對坡體破壞形式具有顯著的影響。綜上，研究毛細阻滯結構作用下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性時有必要考慮膨脹土吸濕膨脹的影響。

本文利用有限元數值軟件研究細/粗毛細阻滯結構對膨脹土邊坡的護坡效果，采用初應變法將膨脹土中濕度應力以類似溫度應力場的形式施加到土體上，實現(xiàn)對膨脹土邊坡吸濕膨脹的數值模擬，分析細/粗土層滲透系數及厚度對護坡效果的影響，為實際工程中選取適合的毛細阻滯護坡結構提供借鑒。

1" 考慮膨脹性的邊坡穩(wěn)定分析方法

1.1" 膨脹土的本構模型

此處采用理想彈塑性本構模型來揭示膨脹土邊坡在膨脹變形作用下內部應力的變化規(guī)律，選用Mohr-Coulomb強度準則。模型參數依據飽和原狀樣的三軸試驗確定。彈性模量與泊松比取常量，彈性模量取土體達到峰值應變時的割線模量，強度參數選用飽和峰值強度參數。Mohr-Coulomb強度理論表達式如下［18］：

τ=c+σtanφ（1）

式中：τ為受剪切面上的剪應力；σ為受剪切面上的法向正應力；c為土體黏聚力；φ為內摩擦角。

1.2" 膨脹土的濕度應力場理論

膨脹土的濕度應力場理論由繆協(xié)興等［19］首先提出。膨脹土的濕度應力場理論的基本思路如下：

（1） 膨脹土吸水后產生的體積膨脹類似于材料的溫度效應，即材料溫度升高時會產生體積膨脹；

（2） 當受到某個熱源作用時，材料內會形成一個受熱傳導方程控制的溫度變化場，類似地，當膨脹土受到某個水源作用時，內部也會形成一個受水分擴散方程控制的濕度（含水率）變化場；

（3） 由于濕度場變化產生的應力場類似于溫度應力場，可以采用溫度應力場理論中的應力應變分析和計算方法來計算濕度應力場。

基于以上思路，繆協(xié)興等［19］給出了膨脹土濕度應力場理論的數學表達，在這一理論基礎上，廖協(xié)興編制了非線性大變形有限元計算程序對膨脹巖巷道圍巖變形進行了模擬計算［20］。此后這一理論被廣泛應用于膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析中［2，21-22］。

1.3" 膨脹土的膨脹模型

考慮膨脹作用的膨脹土邊坡穩(wěn)定分析應正確模擬膨脹土的膨脹特性及其影響因素。膨脹土吸水后產生體積膨脹和軟化。當土體受到某個水源（或濕空氣）作用時，土體內會形成一個濕度變化場。對于濕度應力的計算可采取初應變法，即以類似溫度應力場的形式施加到土體上。膨脹土膨脹模型可由三軸膨脹試驗得到，對于初始含水率和壓實度一定的膨脹土，在充分吸濕至終了含水率后，其體積膨脹率與平均主應力的對數呈較好的線性關系。球應力狀態(tài)膨脹率可用下式來統(tǒng)一表示［1-2，23］：

εv=a+bln（1+σm）（2）

式中：εv為膨脹土充分吸濕引起的體積膨脹率，%；σm為平均主應力，kPa；a、b為與初始含水率有關的模型參數。

三軸應力狀態(tài)膨脹模型中，終了含水率（即膨脹土邊坡模擬結束時最終狀態(tài)的含水率）與平均主應力的關系表達式為［1，24］

ωult=d+eln（1+σmp0）（3）

式中：ωult為膨脹土充分吸濕的終了含水率，%；d、e為與終了含水率有關的模型參數；p0=1 kPa。

1.4" 考慮膨脹性的邊坡穩(wěn)定性判別準則

膨脹土邊坡的有限元分析有其特殊性，膨脹變形在土體中以內力重分布的形式釋放出來，是一個逐步自平衡的過程，此處采用廣義塑性應變的塑性開展區(qū)作為失穩(wěn)判據，可以比較準確地預測邊坡潛在破壞面的形狀與位置及相應的穩(wěn)定性。長江科學院研究團隊經過長時間探索，提出在膨脹土邊坡穩(wěn)定計算中可將等效塑性應變從坡腳到坡面某一范圍完全貫通作為邊坡失穩(wěn)的標志［1-2］。

1.5" 穩(wěn)定性分析方法實現(xiàn)步驟

穩(wěn)定性分析方法實現(xiàn)步驟如下：

（1） 分析確定邊坡土體的本構模型及膨脹模型的模型參數；

（2） 建立邊坡有限元分析模型，由式（2）計算增濕區(qū)單元由天然含水率至飽和狀態(tài)的膨脹應變；

（3） 將各單位的膨脹應變視作初始應變，由初始應變法計算邊坡中最終應力和應變；

（4） 將等效塑性應變完全貫通作為邊坡失穩(wěn)的判別準則。

2" 毛細阻滯生態(tài)護坡結構的數值模型

設計如圖1所示斷面結構來分析毛細阻滯生態(tài)護坡結構的護坡效果。底層為風化巖層，膨脹土層位于風化巖層上部，采用0.5 m細粒土層和0.2 m粗粒土層組成的雙層結構進行護坡。邊坡坡高10 m，坡比為1∶3，渠道設計水位3 m。膨脹土取自引江濟淮Y003標段重粉質壤土，強度參數如表1所示。為了簡化計算，在數值模型中，假設土層的滲透系數為常數。利用Abaqus軟件模擬36 mm/d降雨強度下毛細阻滯生態(tài)護坡結構的護坡效果，降雨持續(xù)3 d。并對工程中常用的1.5 m厚水泥改性土護坡結構作用下的膨脹土邊坡和未經任何護坡的原始邊坡進行模擬作為對照。圖2所示為降雨過程曲線。表2所示為邊坡各土層計算參數。

采用VG模型作為非飽和水分運動參數的理論模型。VG模型表達式為

θ=θr+（θs-θr）11+（αψ）nm（4）

式中：θ為體積含水率；θr為最小體積含水率；θs為最大體積含水率；ψ為基質吸力；α為與進氣值有關的參數；m和n為擬合參數，m=1-1/n。

膨脹土、細粒土、粗粒土的土水特征曲線VG模型擬合參數見表3，對應的土水特征曲線見圖3［1］。本文不考慮風化巖和水泥改性土的非飽和特性。

三軸膨脹試驗采用壓實度為96%、初始含水率為20.0%試樣，得到不同三軸應力狀態(tài)下充分吸濕引起的體積膨脹率（即體變）和終了含水率，三軸吸濕膨脹變形試驗結果如圖4所示。根據試驗結果確定膨脹土體積膨脹率和終了含水率的相關計算參數。

3" 模擬結果分析

3.1" 膨脹土邊坡含水率變化

圖5～7分別給出了初始時刻，以及降雨持續(xù)24，48 h和72 h對應的邊坡含水率分布。從圖5中可以直觀看出膨脹土裸坡整體含水率的最終變化情況，即表層（包含坡面和邊坡頂部）達到飽和，雨水進一步往邊坡深處滲入，靠近坡面和坡頂處的邊坡內部相較于其他部位含水率要小一些。對比3種邊坡的含水率隨時間變化可以看出，原始裸坡在降雨作用下含水率增長最顯著，其次是1.5 m厚水泥改性土護坡下的邊坡，最后是毛細阻滯護坡結構對應的邊坡，這表明毛細阻滯護坡結構阻止雨水滲入的能力要強于1.5 m厚水泥改性土護坡。

3.2" 膨脹土邊坡塑性區(qū)對比

長江科學院研究團隊經過長時間探索，提出在膨脹土邊坡穩(wěn)定計算中可將等效塑性應變從坡腳到坡面某一范圍完全貫通作為邊坡失穩(wěn)的標志［1-2］。本文對膨脹土邊坡的塑性區(qū)進行計算，根據塑性區(qū)的大小、是否貫通來判斷邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)，并以此評判毛細阻滯護坡結構的護坡效果。

圖8所示分別為3種邊坡對應的塑性區(qū)分布。從圖8（a）可以看出，原始膨脹土裸坡在降雨作用下，由于膨脹土吸濕膨脹，邊坡內部已經形成了貫通的塑性區(qū)。

圖8（b）、（c）表明，水泥改性土和毛細阻滯生態(tài)護坡作用下的膨脹土邊坡塑性區(qū)均聚集在渠道設計水位與邊坡坡面交匯處，并沿著坡面向上延伸了一段距離，此處的毛細阻滯護坡邊坡的塑性區(qū)較水泥改性土邊坡的塑性區(qū)范圍小。而在邊坡上表面處，毛細阻滯護坡邊坡的塑性區(qū)分布面積要略大于水泥改性土邊坡的塑性區(qū)分布面積。這是因為1.5 m厚的水泥改性土相對0.7 m的毛細阻滯護坡結構壓重作用更大，抑制了坡面下覆膨脹土的部分膨脹變形。毛細阻滯護坡結構利用粗粒層及時將雨水排至坡腳，延緩雨水聚集導致的坡面塑性區(qū)的形成，進而極大延緩塑性區(qū)貫通。表4給出了3種邊坡的最大等效塑性應變值，結果表明水泥改性土邊坡對應的最大等效塑性應變值均小于毛細阻滯結構邊坡，這是因為1.5 m厚水泥改性土對膨脹土邊坡的壓重效果較好。整體而言，毛細阻滯護坡結構的防護效果較好，能夠有效延緩邊坡內部塑性區(qū)的貫通。

3.3" 護坡結構效果分析

選取不同厚度的細粒土層和粗粒土層組合，研究毛細阻滯護坡結構中細、粗土層厚度對其護坡效果的影響，計算工況如表5所列。圖9為5種工況對應的塑性區(qū)分布圖，表6為不同護坡結構作用下邊坡的最大等效塑性應變。

工況1～3的塑性區(qū)分布圖比較直觀地表明了隨著細粒土層厚度的增大，邊坡的塑性區(qū)分布范圍和最大等效塑性應變均逐漸減小。工況2中，當細粒土層厚度降至0.4 m時，膨脹土邊坡內部出現(xiàn)了貫通的塑性區(qū)，表明毛細阻滯護坡結構對于細粒土層的厚度有一定要求，如若細粒土層厚度不達標會導致整個護坡結構的護坡效果大打折扣。工況1和工況3的塑性區(qū)分布范圍相差較小，但工況1的最大塑性應變?yōu)楣r3的2.56倍。這些變化表明，毛細阻滯護坡結構受細粒土層厚度的影響較大。

為了直觀地表達毛細阻滯結構的護坡效果，采取與水泥改性土結構的護坡效果作對比。圖10給出了1.0，1.5 m和2.0 m的水泥改性土護坡結構作用下的膨脹土邊坡塑性區(qū)分布圖。工況1的塑性區(qū)分布范圍介于1.5 m水泥改性土與2.0 m水泥改性土之間，但最大塑性應變要大于1.5 m水泥改性土，這表明工況1對應的毛細阻滯結構具備良好的防雨水入滲效果，能夠有效避免雨水滲入至膨脹土層，但當雨水入滲后，由于毛細阻滯結構厚度較1.5 m水泥改性土薄，壓重

效果要弱一些，導致雨水入滲部分的膨脹土塑性位移較大。工況2和4的塑性區(qū)分布范圍與最大塑性應變均要大于1 m水泥改性土作用下的膨脹土邊坡。工況3的塑性區(qū)分布范圍要遠小于1.5 m水泥改性土對應的塑性區(qū)分布范圍，而略大于2.0 m水泥改性土對應的塑性區(qū)分布范圍，由于工況3對應毛細阻滯結構的良好護坡性能，其最大塑性應變與2 m水泥改性土作用下的最大塑性應變相當。工況5的塑性區(qū)分布范圍和最大塑性應變略大于2.0 m水泥改性土對應的情形，均小于1.5 m水泥改性土對應的情形。綜上，0.5 m細粒土層+0.2 m粗粒土層組成的毛細阻滯結構護坡性能整體與1.5 m水泥改性土護坡結構相當，0.6 m細粒土層+0.2 m粗粒土層以及0.5 m細粒土層+0.3 m粗粒土層組成的毛細阻滯結構的護坡性能好于1.5 m水泥改性土護坡結構，而略次于2 m水泥改性土護坡結構。0.4 m細粒土層+0.2 m粗粒土層和0.5 m細粒土層+0.1 m粗粒土層組成的毛細阻滯結構的護坡性能均較1.0 m水泥改性土護坡結構差。

4" 結 論

本文利用有限元數值軟件研究了細/粗毛細阻滯結構對膨脹土邊坡的護坡效果。采用初應變法將膨脹土中濕度應力以類似溫度應力場的形式施加到土體上，實現(xiàn)了對膨脹土邊坡吸濕膨脹的數值模擬，分析細/粗土層滲透系數及厚度對護坡效果的影響，主要結論如下：

（1） 毛細阻滯結構具有良好的膨脹土邊坡護坡效果，利用上層細粒土和下覆粗粒土滲透系數差異形成的毛細阻滯作用，在膨脹土邊坡表層形成強透水層。在降雨條件下，能快速形成表面徑流，防止降雨入滲，同時，還利用上覆土層的壓重效果，防止下臥膨脹土層的膨脹變形，是一種生態(tài)友好的膨脹土邊坡護坡結構。

（2） 在本文所選取的工況條件下，0.5 m細粒土層+0.2 m粗粒土層組成的毛細阻滯結構護坡效果與1.5 m水泥改性土護坡結構相當，0.5 m細粒土層+0.3 m粗粒土層組成的毛細阻滯結構的護坡效果接近于2 m水泥改性土護坡結構。

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（編輯：黃文晉）

Numerical study on anti-seepage effect of expansive soil slope treated by fine coarse grain cover layers

QUAN Quan1，QIU Jinwei2，HU Bo2，LI Tao3，LIU Minghua3，SONG Cheng1，WU Hao1

（1.Anhui Provincial Group Limited for Yangtze-to-Huaihe Water Diversion，Hefei 230000，China；" 2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；" 3.Anhui Survey and Design Institute of Water Resource and Hydropower Co.，Ltd.，Hefei 230000，China）

Abstract：

This study investigates the anti-seepage effect of a capillary barrier consisting of a layer of fine-grained soil underlying and a layer of coarse-grained soil on expansive soil slopes through the numerical model.The moisture stress in expansive soil is applied to the soil in the form of a temperature stress field using the initial strain method，and the numerical simulation of hygroscopic expansion of expansive soil slope is realized by numerical software.The criterion for determining slope stability is whether the equivalent plastic strain zone is completely penetrated or not.The numerical simulation results indicate that the capillary barrier cover layer forming a strong permeable layer can effectively prevent rainfall infiltration and achieve a good slope protection effect.Under the selected operating conditions in this article，the slope protection effect of the capillary barrier cover layer composed of 0.5 m fine-grained soil layer and 0.2 m coarse-grained soil layer is equivalent to that of 1.5 m cement modified soil.The capillary blocking ecological slope protection structure has a good slope protection effect on expansive soil slopes.The research results can provide a theoretical and designed basis for related expansive soil slope protection.

Key words：

coarse grain cover layer； expansive soil slope； capillary barrier cover layers； hygroscopic expansion； numerical simulation； anti-seepage effect