垂直裂隙對根-土復合體黃土邊坡的穩(wěn)定性研究

基金項目：陜西省教育廳2023年科學研究計劃項目（23JK00699）

第一作者簡介：仝宵（1992-），女，助理工程師。研究方向為邊坡穩(wěn)定性分析。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.023

摘" 要：為研究垂直裂隙對根-土復合體黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，采用OPTUM G2有限元軟件模擬垂直裂隙在干燥和充滿水的工況下素土及根-土復合體黃土邊坡穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明，相對根-土復合體黃土邊坡，垂直裂隙充滿水的素土邊坡坡頂拉裂縫將增大，垂直裂隙寬度相繼增大；隨著垂直裂隙深度的增加，素土及根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)均減??；當垂直裂隙充滿水且裂隙深度擴展到1.5 m時，素土邊坡安全系數(shù)下降21.54%左右，根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)下降8.0%左右。上述研究結(jié)果可為生態(tài)護坡和水土保持研究提供一定數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：垂直裂隙邊坡；根-土復合體；數(shù)值模擬；邊坡穩(wěn)定性；強度參數(shù)

中圖分類號：TU41" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0097-04

Abstract： In order to study the influence of vertical fissures on the stability of root-soil composite slope， OPTUM G2 finite element software was used to simulate the stability of plain soil and root-soil composite loess slope under dry and saturated conditions. The calculation results show that compared with the root-soil composite loess slope， the tensile cracks at the top of the plain soil slope with vertical fissures filled with water will increase， and the width of vertical fissures will increase， and the safety factors of plain soil and root-soil composite loess slopes will decrease with the increase of vertical fissure depth. When the vertical fissure is full of water and the crack depth extends to 1.5 m， the safety factor of plain soil slope decreases by 21.54%， and the safety factor of root-soil composite loess slope decreases by about 8.0%. The above research results can provide some data reference for the study of ecological slope protection and soil and water conservation.

Keywords： vertical-fissure slope; root-soil complex; numerical simulation; slope stability; strength parameter

路塹邊坡中存在大量的垂直裂隙，導致邊坡整體或局部穩(wěn)定性急劇降低，且加之垂直裂隙的存在加大了雨水的入滲，從而導致滑坡等地質(zhì)災害的發(fā)生，造成嚴重的經(jīng)濟損失[1-4]。近年來，學者們針對垂直裂隙對邊坡穩(wěn)定性影響展開了許多研究。呂軍[5]研究發(fā)現(xiàn)土質(zhì)路塹邊坡安全系數(shù)與坡頂垂直裂隙深度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，此外，土質(zhì)路塹邊坡安全系數(shù)與垂直裂隙的飽水程度亦呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且隨著垂直裂隙深度的增加，邊坡將加劇失穩(wěn)破壞。趙海容等[6]與何毅等[7]基于極限分析上限定理，發(fā)現(xiàn)邊坡的安全系數(shù)隨坡肩和垂直裂隙間距離的增大而減小，但到達某一臨界值后，邊坡安全系數(shù)幅度先增長而后趨于穩(wěn)定。閆杰等[8]研究發(fā)現(xiàn)垂直裂隙充滿水時，孔隙水壓力增大，可有效應(yīng)力降低，從而滑動面處的抗剪強度降低，邊坡穩(wěn)定性急劇降低。此外，學者們針對植被根系對邊坡穩(wěn)定性影響展開了許多研究，研究發(fā)現(xiàn)植被根系有利于固土護坡，可有效減小水土流失，將顯著增強邊坡的穩(wěn)定性[9-10]。

值得注意的是，以上成果分析大多集中分析垂直裂隙對邊坡穩(wěn)定性的影響，但沒有考慮根系的存在對干燥垂直裂隙邊坡與飽和垂直裂隙黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，這對研究生態(tài)土坡穩(wěn)定性具有重要參考意義。鑒于此，本文針對含垂直裂隙的黃土邊坡穩(wěn)定性問題，采用OPTUM G2數(shù)值模擬軟件，分析了垂直裂隙處于干燥與充滿水的工況下，素土及根-土復合體黃土邊坡的穩(wěn)定性，確定不同垂直裂隙深度對素土及根-土復合體黃土邊坡破壞模式與安全系數(shù)的變化規(guī)律，這對分析含垂直裂隙對黃土邊坡發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞具有重要借鑒意義。

1" 模型的建立與計算工況

1.1" 模型的建立

本文采用OPTUM G2數(shù)值模擬軟件分析垂直裂隙處于干燥與充滿水的工況下素土及根-土復合體黃土邊坡的穩(wěn)定性。模型中的垂直裂隙采用剪切節(jié)理來模擬，剪切節(jié)理的黏聚力取0，內(nèi)摩擦角取15.13°。為了模擬充滿水的垂直裂隙，即防止垂直裂隙中的水流入邊坡，邊坡材料選擇的是無孔，通過地下水位來指定垂直裂隙中的含水情況。此外，由于土工格柵不能承受單軸壓縮和不具備抗彎特性，為此，根-土復合體黃土邊坡中的根系采用土工格柵模擬。垂直裂隙邊坡數(shù)值模型如圖1所示，邊坡初始含水率為10.5%，數(shù)值模型邊坡土體的強度參數(shù)見表1。

1.2" 計算工況

為研究垂直裂隙對根-土復合體黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，分別建立0.0、0.5、1.0和1.5 m垂直裂隙深度下的模型（垂直裂隙距離塬邊距離均為1.5 m），其計算工況如下。

工況A：垂直裂隙土體在干燥情況下，分別計算不同垂直裂隙深度的素土及根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)。

工況B：垂直裂隙在充滿水（飽和狀態(tài)）的情況下，分別計算不同垂直裂隙深度的素土及根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)。

2" 模擬結(jié)果分析

2.1" 破壞模式

圖2為垂直裂隙處于干燥與充滿水的工況下，素土及根-土復合體黃土邊坡潛在滑移面的破壞云圖。由圖2可知，素土及根-土復合體黃土邊坡存在垂直裂隙時，塑性區(qū)向坡頂擴展，最終邊坡的塑性區(qū)將會與垂直裂隙相交，最終的滑動面由垂直裂隙面和塑性貫通面2個部分組成，形成連續(xù)貫通的破壞面。當垂直裂隙充滿水時，素土邊坡坡頂拉裂縫將增大，即坡頂拉應(yīng)力增大，垂直裂隙寬度相繼增大，相比于根-土復合體黃土邊坡，素土邊坡將會發(fā)生失穩(wěn)破壞。此外，當邊坡的根系與垂直裂隙相交時，將很大程度限制邊坡垂直裂隙的繼續(xù)擴展，塑性破壞區(qū)相對素土邊坡較小，可有效增大邊坡的抗滑力，提高邊坡的安全系數(shù)。

2.2" 安全系數(shù)

從圖3中可看出，隨垂直裂隙深度的增加，垂直裂隙干燥與充滿水的工況下，素土及根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)均呈現(xiàn)降低趨勢，當邊坡垂直裂隙充滿水時，素土及根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)下降尤為顯著。由圖3可知，素土及根-土復合體黃土邊坡垂直裂隙深度為零，即不存在垂直裂隙時，素土邊坡安全系數(shù)為1.671，根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)為1.676。當垂直裂隙處于干燥工況下，邊坡垂直裂隙深度擴展到1.5 m時，素土邊坡安全系數(shù)下降至1.548，下降7.36%左右，根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)下降至1.605，下降4.24%左右。

由圖4可知，垂直裂隙處于充滿水的工況下，垂直裂隙深度擴展到1.5 m時，素土邊坡安全系數(shù)下降至1.311，下降21.54%左右，根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)下降至1.542，下降8.0%左右?？梢?，隨著垂直裂隙深度的增加，邊坡安全系數(shù)呈下降趨勢，垂直裂隙深度為0.5 m時，對素土及根-土復合體黃土邊坡穩(wěn)定性的影響較小，垂直裂隙深度大于0.5 m時，對邊坡穩(wěn)定性的影響顯著，安全系數(shù)降低明顯，且垂直裂隙處于充滿水的工況下，相比素土邊坡，根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)降低較小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象說明邊坡垂直裂隙深度較小時，垂直裂隙的存在對素土及根-土復合體黃土邊坡穩(wěn)定性的劣化非常小，邊坡的安全系數(shù)接近于無垂直裂隙的情況。當根系穿過垂直裂隙時，與垂直裂隙周圍土體形成亂向分布的“錨釘系統(tǒng)”，可增強該區(qū)域土體的強度，減緩邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3" 對裂隙黃土邊坡的處治建議

工程上對于存在裂隙的黃土邊坡的處治建議通常涉及以下幾個關(guān)鍵方面。

裂隙調(diào)查與分析：首先需要對邊坡中的裂隙進行詳細的調(diào)查和分析，包括裂隙的分布、寬度、深度、走向、傾向及充填情況等，這些因素都會影響邊坡的穩(wěn)定性。

穩(wěn)定性評估：基于裂隙調(diào)查的結(jié)果，采用適當?shù)姆€(wěn)定性分析方法（如極限平衡法、有限元法等）對邊坡的穩(wěn)定性進行評估，確定邊坡的潛在失穩(wěn)模式和風險程度。

排水措施：由于水的滲透會顯著降低黃土的強度，增加裂隙的發(fā)展，因此有效的地表和地下排水措施是必要的。這包括設(shè)置截水溝、排水溝、滲溝等，以減少水對邊坡穩(wěn)定性的影響。

加固措施：根據(jù)穩(wěn)定性評估的結(jié)果，選擇合適的加固措施。常見的加固方法包括注漿加固、錨桿（索）加固、擋土墻和格梁錨固等，以提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

植被恢復：在邊坡表面實施植被恢復，不僅可以美化環(huán)境，還能通過植物的根系作用增強邊坡的表層穩(wěn)定性，減緩水流對邊坡的沖刷。

監(jiān)測與維護：邊坡治理后，應(yīng)實施定期的監(jiān)測，包括位移監(jiān)測、裂隙發(fā)展監(jiān)測等，以及時發(fā)現(xiàn)潛在的風險，并采取相應(yīng)的維護措施。

綜合處治方案：考慮到裂隙黃土邊坡的特殊性，往往需要綜合多種處治手段，形成一個系統(tǒng)的處治方案，以確保邊坡的長期穩(wěn)定。

以上措施需結(jié)合具體工程條件和地質(zhì)環(huán)境進行優(yōu)化調(diào)整，以確保處治方案的科學性和有效性。

圖4" 素土與根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)隨垂直裂隙深度的變化

4" 結(jié)論

1）當邊坡的根系與垂直裂隙相交時，將很大程度限制邊坡中垂直裂隙深度與寬度的繼續(xù)擴展與延伸，塑性破壞區(qū)相對素土邊坡較小，可有效增大邊坡的抗滑力，提高邊坡的安全系數(shù)。

2）隨著垂直裂隙深度的增加，垂直裂隙干燥與充滿水的工況下，素土及根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)均呈現(xiàn)降低趨勢，當邊坡垂直裂隙充滿水時，素土及根-土復合體黃土邊坡安全系數(shù)下降尤為顯著。

3）當根系穿過垂直裂隙時，與垂直裂隙周圍土體形成亂向分布的“錨釘系統(tǒng)”，可增強該區(qū)域土體的強度，減緩邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

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