基于GeoStudio2004的膨脹土渠坡穩(wěn)定分析
——以南水北調(diào)東線徐州段為例

申　陽　侯婷婷　張　亮（北京市永定河管理處　北京　100065　沂沭泗水利管理局　徐州　221018南水北調(diào)東線總公司直屬分公司　徐州　221010）

科技論壇

基于GeoStudio2004的膨脹土渠坡穩(wěn)定分析
——以南水北調(diào)東線徐州段為例

申陽侯婷婷張亮
（北京市永定河管理處北京100065沂沭泗水利管理局徐州221018南水北調(diào)東線總公司直屬分公司徐州221010）

南水北調(diào)東線工程在徐州段存有混凝土基礎(chǔ)，膨脹性多為弱—中等，局部較強(qiáng)。為確保工程安全運(yùn)行，針對(duì)這一問題采取相應(yīng)的工程措施，利用Geostudio軟件中slope/w邊坡穩(wěn)定分析模塊對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行分析,結(jié)果顯示經(jīng)過處理后的膨脹土邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

南水北調(diào)東線工程膨脹土Geostudio軟件slope/w模塊

1　引言

膨脹土是一種典型的非飽和土，遇水膨脹、失水收縮，是脹縮效應(yīng)十分明顯的特殊黏性土。膨脹土具有多裂隙結(jié)構(gòu)，膨脹、收縮、再膨脹的往復(fù)變形，在膨脹土地基上的建筑物，隨季節(jié)氣候的變化會(huì)反復(fù)不斷地產(chǎn)生不均勻的上升和下沉，最終導(dǎo)致建筑物破壞。膨脹土的強(qiáng)度變化比一般黏性土要復(fù)雜，且更容易受到外界條件的影響。

從構(gòu)成土體的礦物成份看，粘性土都具有一定的膨脹性，只有當(dāng)其膨脹量超過某一范圍并能對(duì)建筑物造成危害時(shí)，土的工程性質(zhì)才具有一定的特殊性。從宏觀條件分析，土的膨脹性與其初始含水量與膨脹后含水量的差值呈正比，與其天然密度呈正比。

從工程角度出發(fā)，只有在膨脹力大于建筑物荷載的情況下，膨脹才能對(duì)上部結(jié)構(gòu)造成損害，因而膨脹力才是工程設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)，其次是土體的膨脹和崩解速度。

2　工程概況

南水北調(diào)東線工程是國家戰(zhàn)略東線工程（簡(jiǎn)稱東線工程），是從江蘇揚(yáng)州江都水利樞紐提水，途徑江蘇、山東、河北三省，向華北地區(qū)輸送生產(chǎn)生活用水的國家級(jí)跨省界區(qū)域工程。其中江蘇省的膨脹土分布在徐州、宿遷以及淮安等地，因此膨脹土是東線工程需要面對(duì)和徹底解決的問題。

該地區(qū)膨脹土礦物成分主要包括蒙脫石、伊利石、高嶺土、水針鐵礦。根據(jù)土層和地段的不同，礦物成分存在一定的差別，灰白色的土樣大多以伊利石和少量的蒙脫石為主，其次是高嶺土和水針鐵礦；黃色、褐色的土樣則以伊利石為主，其次是高嶺土和水針鐵礦。一般灰白色土體的膨脹性大于黃褐色土體的膨脹性。結(jié)合X衍射和掃描電鏡結(jié)果可以看出，伊利石、蒙脫石大多以混層礦物而存在，含量在54% ～70%，且主要表現(xiàn)為團(tuán)粒集合體和絮狀結(jié)構(gòu)，這也是導(dǎo)致脹縮性不均勻的重要因素。

受到膨脹土的影響，為東線工程的安全穩(wěn)定，對(duì)該地區(qū)膨脹土進(jìn)行開挖。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，膨脹性粘性土即使被挖置于地表多年，甚至進(jìn)行了壓實(shí)處理，其膨脹性基本不會(huì)改變，故不能作為填筑土料直接使用，采取換填土的方式或壓實(shí)處理后混入石灰減弱膨脹性回填，可有效改良膨脹土基礎(chǔ)。

3　GeoStudio理論基礎(chǔ)

GeoStudio軟件采用極限平衡理論，能夠模擬多種類型或較為復(fù)雜的地基層等問題，使用隨機(jī)性和確定性兩種輸入?yún)?shù)方法進(jìn)行分析。slope/w是GeoStudio系列軟件中最重要的一個(gè)軟件之一，是邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方面的專業(yè)分析軟件。運(yùn)用該軟件能夠采用多種不同的分析方法來分析邊坡穩(wěn)定問題，無論是復(fù)雜的還是簡(jiǎn)單的邊坡都能在該軟件的模擬下得出想要計(jì)算的結(jié)果。使用極限平衡理論，軟件內(nèi)置多種滑移面搜索法，可以進(jìn)行邊坡失效概率分析和參數(shù)敏感性分析。slope/w軟件還可以應(yīng)用有限元方法對(duì)大部分邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行有效的計(jì)算和分析。極限平衡分析法是邊坡穩(wěn)定分析的傳統(tǒng)方法，通過安全系數(shù)定量評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，也因?yàn)榘踩禂?shù)的直觀性，該軟件被工程界廣泛應(yīng)用。

其分析過程是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論預(yù)設(shè)一個(gè)可能形狀的滑動(dòng)面，通過分析在臨近破壞情況下，土體外力與內(nèi)部強(qiáng)度所提供抗力之間的平衡，計(jì)算土體在自身荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性過程。其概念簡(jiǎn)單明了，且在計(jì)算方法上形成了大量的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果也已經(jīng)達(dá)到很高的精度。主要理論為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，即力和力矩的平衡，公式為：

式中：τf—土體的抗剪強(qiáng)度；

c—粘聚力；

σ—滑動(dòng)面的法向應(yīng)力；

普遍極限平衡法把研究的對(duì)象是由一個(gè)超靜定的問題轉(zhuǎn)化為靜定問題，認(rèn)為力的兩個(gè)方向的合力為零，并且把問題中所有的力繞著某一點(diǎn)形成的力矩之和看作為零，同時(shí)還必須假設(shè)某些力（條間力）的大小方向。條分法和土條的受力情況如圖1所示。

圖1　條分法及土條受力圖

4　GeoStudio模擬分析

4.1構(gòu)建模型

在slope/w模塊中，以1∶20的比例構(gòu)建邊坡模型，將換填土與膨脹土各自成為一個(gè)區(qū)域，并將換填土和膨脹土的基本參數(shù)分別賦予兩個(gè)區(qū)域，模型如圖2。

圖2　1slope/w邊坡模型圖

4.2邊坡分析

結(jié)合《工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用有效應(yīng)力對(duì)膨脹土和換填土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。施工初期自然狀態(tài)下膨脹土邊坡和換填土邊坡的穩(wěn)定性，根據(jù)該課題所提供的資料和渠坡邊坡的實(shí)際情況，應(yīng)用GeoStudio軟件的slope/w模塊進(jìn)行建模分析，結(jié)果見圖3。計(jì)算安全系數(shù)為1.893，表明此刻膨脹土邊坡處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，根據(jù)每一條塊受力分析結(jié)果和膨脹土邊坡失穩(wěn)的經(jīng)驗(yàn)，坡腳處最有可能滑坡。

圖3　Morgenstern-Price法邊坡穩(wěn)定分析圖

5　結(jié)論與分析

該課題對(duì)南水北調(diào)東線工程徐州段膨脹土邊坡穩(wěn)定問題進(jìn)行了分析，并選取典型試驗(yàn)段對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)。為更好地對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，該課題結(jié)合了GeoStudio軟件slope/w模塊，對(duì)試驗(yàn)段膨脹土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，分析結(jié)果顯示，該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

目前，對(duì)膨脹土邊坡的研究并不完全透徹，所以課題中對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行的分析存在一定局限性，有必要繼續(xù)完善。應(yīng)用GeoStudio軟件slope/w模塊對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，雖然可以準(zhǔn)確判斷渠坡自身的安全性，但是缺少土體變形前后的形態(tài)以及其隨時(shí)間變化的微過程，需要更好、更立體的軟件對(duì)其進(jìn)行分析，使現(xiàn)象更加直觀，分析更為透徹■