干濕循環效應對膨脹性土邊坡穩定性影響分析

李鵬宇，唐中軍

（1.山西省公路局 大同分局，山西 大同 037000；2.無錫地鐵集團有限公司，江蘇 無錫 214131）

膨脹土是一種特殊土體，其礦物組成中包含蒙脫石和伊利石，這兩種礦物均有較強親水性[1]。膨脹土具有以下顯著的特性：由于地質運動產生的地應力以及節理面；由于對水的敏感性產生的裂隙性、膨脹性等。膨脹土邊坡經常產生失穩破壞，已成為工程建設中的一大危害，出現在道路邊坡中，一旦出現病害，維修費用高且容易出現交通事故[2-3]。膨脹土在我國的廣西、河南、安徽、江蘇等20多個省（區）都有廣泛的分布，總面積在10萬km2以上[4]。我國膨脹土分布區生活著3億人口，膨脹土每年帶來的經濟損失高達150億美元，在西部部分地區尤為嚴重[5]。因此膨脹土是一種典型的“問題性”土，由此引起的大量破壞使膨脹土成為人們關注的特殊土體。國內外學者對膨脹土邊坡干濕循環效應作了大量研究。

Alonso[9]研究得出膨脹土試樣的脹縮變形分為兩部分：微觀結構變形和宏觀結構變形。李雄威等[10]發現膨脹土在達到飽和狀態后，膨脹過程依然在進行當中，并且持續時間較長。池育源等[11]通過直剪試驗驗證了膨脹土在干濕循環作用下的裂縫情況，并通過測試確定了膨脹土穩定劑的摻入量。

王棟等[12]對考慮強度各向異性的邊坡穩定進行有限元分析，說明了ABAQUS有限元數值模擬在評價成層邊坡穩定性時的正確性。

1 依托工程概況

本工程地理位置位于安徽省合肥市蜀山區小廟鎮竇小郢，緊鄰G312（南側）（樁號K40+700—K42+200），地面高程32～37 m，河道挖深20～24 m左右，邊坡上部為膨脹土，下部為泥質粉、細砂巖-泥巖。

河道工程：該段樁號為K40+700—K42+200，共計1.5 km。

擬建河道工程設計方案：設計標準為限制性Ⅱ級航道，斷面采用梯形斷面，河道底寬60 m，底高程13.4 m，設計洪水位25.53 m，最高通航水位23.86 m，最低通航水位17.4 m；每6 m設一級邊坡平臺，一級平臺寬4 m，二級平臺寬8 m，三級平臺寬3 m，渠道坡頂設13 m寬管護道路；渠道邊坡高度大于20 m，土質和全-強風化砂巖邊坡坡率1∶2、中等風化砂巖邊坡坡率1∶2。試驗段兩端邊坡坡率1∶3.5，每6 m設一級邊坡平臺，平臺寬4 m。支護方式：從上至下依次采取生態護坡防護、水泥土覆蓋隔離等措施；在下層巖基部分增加錨筋加固；在渠底采取現澆混凝土防護。試驗研究結束后，根據設計斷面對渠道進行擴挖，使其與上下游渠道銜接。

2 數值計算模型

根據本區膨脹土的工程特性，將膨脹土在深度方向上分為“大氣影響帶”和“非影響帶”。即大氣影響深度以上的土層為“大氣影響帶”，大氣影響深度以下的土層為“非影響帶”。“大氣影響帶”內土體經受反復干濕循環，脹縮裂隙發育，土體的整體性遭到破壞，表層常被微裂隙分割成散體狀結構，易產生淺表型脹縮變形破壞。“非影響帶”內基本不受大氣環境影響，由于膨脹土的超固結性和微透水性，使其一般呈非飽和狀態，為典型的非飽和土。土體滲透性微弱，為不透水層，孔洞及蟲孔不甚發育，結構緊密。

有限元計算模型中的膨脹性巖土體參數取值如表1，表中參數均為試驗工程現場試驗測得。其中抗剪強度參數是通過膨脹性巖土的三軸試驗和直剪試驗得出。彈性模量是通過膨脹性巖土飽和樣三軸試驗中不同圍壓下線彈性階段的彈性模量得出。

表1 膨脹性巖土體參數取值

根據《膨脹土地區建筑技術規范》[13]中的規定，由土的濕度系數來確定本區大氣影響深度，而大氣影響急劇層深度為大氣影響深度的0.45倍。針對試驗工程的實際情況，本區大氣影響深度3.2～3.4 m，大氣影響急劇層深度1.4～1.5 m。本文數值模擬采用大氣影響劇烈層深度1.4 m，大氣影響深度3.2 m。根據工程現場試驗，得出膨脹土體各次干濕循環對應的強度指標，如表2所示。

表2 各次干濕循環對應強度指標

數值模型將膨脹土邊坡分為3層。上層為大氣影響急劇層，厚度為1.4 m；中層為大氣影響過渡層，厚度為1.8 m；上層和中層合稱為大氣影響層，厚度為3.2 m；下層為非大氣影響層。上層上覆壓力小，受大氣影響劇烈，裂隙充分發育，強度充分衰減，因此上層的強度參數可選取各次干濕循環后的強度參數。但是，干濕循環效應對膨脹土的作用還應受應力狀態等影響，中層土體由于上覆壓力、土質類型等因素的影響，裂隙開展程度不充分，強度衰減也不充分，因此可用影響率n來反映上覆壓力、土質類型等因素的不同對中層土體強度的影響，影響率越高，中層土體受干濕循環影響越大，中層土體強度參數越接近上層。下層由于深度較深，上覆壓力較大，所以不受干濕循環的影響，強度參數取土體初始強度值。

上層強度指標S上=Si，中層強度指標S中=(1-n)·S0+n·Si，其中 S 為強度指標，i為干濕循環次數，n 為影響率。

根據公式，算得各次干濕循環下不同影響率所對應的中層土體強度參數，中層土體強度參數與影響率關系如表3所示。

由于沿河道方向邊坡斷面的大小和形狀基本不變，故選擇樁號J42+300斷面為代表斷面進行建模。開挖邊坡每6 m設一級邊坡平臺，一級平臺寬4 m，二級平臺寬8 m，三級平臺寬3 m；渠道邊坡高度大于20 m，一級斜坡坡率為1∶2，二級斜坡坡率為1∶3，三級斜坡坡率為1∶3，四級斜坡坡率為1∶4；河底寬度為10 m。整個試驗段分布有膨脹土，邊坡表層受干濕循環作用。模型示意圖如圖1所示。荷載為邊坡本身的重力，邊界條件為限制模型兩側邊界水平方向的位移及模型底部水平和豎直方向的位移。模型有兩個分析步，load和reduce分析步，load分析步施加21.8 kPa的體力，reduce分析步中對膨脹土體進行強度折減；有限元的單元類型采用CPE4（四節點平面應變單元）；本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型；采用非關聯流動法則，剪脹角均為0°；不考慮滲流的影響。

3 計算結果分析

3.1 穩定性分析

圖2為各次干濕循環下邊坡安全系數與影響率關系圖，安全系數由強度折減法所得。根據圖像，總體上，干濕循環次數越多，邊坡安全系數越小；同一干濕循環次數下，影響率越大，邊坡安全系數越小。

圖2 各次干濕循環下邊坡安全系數與影響率關系

干濕循環次數不同時，邊坡安全系數隨影響率的變化趨勢略有不同。當干濕循環次數較小為1、3時，安全系數隨影響率的增大經歷先平緩后劇烈的過程，在影響率為0～0.6時變化較為平緩，在影響率為0.6～1時變化較為劇烈；當干濕循環次數較大為5、7、10及無數次時，安全系數隨影響率的變化同樣經歷先平緩后劇烈的過程，不同的是，在影響率0～0.8時變化較為平緩，在影響率0.8～1時較為劇烈，且劇烈程度相對于低次干濕循環較輕。

干濕循環次數不同，邊坡安全系數受影響率變化而變化的幅度也不同。當影響率為1時，各次干濕循環安全系數的下降幅度見表4。干濕循環次數越少，影響率為1時邊坡的安全系數下降幅度越大，最大達到了34.05%，最小為22.35%。

表4 邊坡安全系數變化幅度表

3.2 滑動面分析

膨脹土邊坡產生滑動的原因，是由于邊坡自身重力會使土體產生下滑力，當土體抗剪強度無法抵抗土體的下滑力時，邊坡就會產生滑坡。

圖3為原邊坡位移等值線云圖，表5、表6、表7為不同干濕循環次數不同影響率下的邊坡位移等值線云圖，選取第1、3、5次干濕循環作為典型，其余干濕循環次數的位移等值線云圖與第5次干濕循環類似，不再列舉。以上均云圖為采用強度折減法計算所得。

圖3 原邊坡位移等值線云圖

1次干濕循環時，隨著影響率的增大，邊坡滑動面深度逐漸變淺。但相對而言，當影響率為0～0.6時，滑動面深度依然較深，與原邊坡滑動面類似，屬于深層滑動；當影響率為0.8～1時，滑動面處于“大氣影響過渡層”底部，滑動深度處于淺層與深層之間，為較淺層滑動。1次干濕循環時，當影響率為0～0.6時，上層土體強度雖衰減，但依然相對較大，能夠承受上層土體的下滑力，中層土體強度也相對較大，能夠承受上、中層土體的下滑力，下層土體強度不能夠承受整體邊坡的下滑力，所以滑動面產生在下層，為深層滑動；當影響率為0.8～1時，中層土體強度進一步減小，已不能承受來自上、中層土體的重力沿坡面向下的分力，所以產生滑動，滑動面位于“大氣影響過渡層”底部。

表5 1次干濕循環不同影響率對應位移等值線云圖

表6 3次干濕循環不同影響率對應位移等值線云圖

3次干濕循環時，當影響率為0～0.6時，滑動面處于“大氣影響劇烈層”底部，為淺層滑動；當影響率為0.8～1時，滑動面處于“大氣影響過渡層”底部，滑動面深度處于深層與淺層之間，為較淺層滑動。3次干濕循環時，當影響率為0～0.6時，上層土體強度較小，不能承受上層土體的下滑力，中層土體強度相對于上層較大，可以承受上、中層土體的下滑力，所以產生了淺層滑坡；當影響率為0.8～1時，上層、中層土體強度均較小，不能承受上、中層土體的下滑力，所以產生了滑動面位于“大氣影響過渡層”底部的滑坡。

表7 5次干濕循環不同影響率對應位移等值線云圖

5次干濕循環時（7至無數次干濕循環類似），當影響率為0～0.8時，滑動面位于“大氣影響劇烈層”底部，為淺層滑動；當影響率為1時，滑動面位于“大氣影響過渡層”底部，滑動面深度處于深層與淺層之間，為較淺層滑動。5次干濕循環時，當影響率為0～0.8時，上層土體強度較小，中層土體強度相對于上層較大，上層土體強度不能夠承受上層土體的下滑力，所以產生了淺層滑坡；當影響率為1時，上層、中層土體強度均較小，不能承受上、中層土體的下滑力，所以產生了滑動面位于“大氣影響過渡層”底部的滑坡。

4 結論

由于膨脹土對水的敏感性，其吸水失水產生的脹縮過程，在土體中形成裂隙，裂隙的產生、發展會使膨脹土產生強度損傷，從而影響整個邊坡的穩定性，基于干濕循環強度損傷效應，對膨脹土邊坡進行有限元模擬。得到如下結論：

a）干濕循環導致邊坡大氣影響層土體強度損傷，從而導致膨脹土邊坡安全系數下降，穩定性受到不利影響。干濕循環次數越多，邊坡安全系數越低，穩定性越低，其穩定性對影響率的變化越不敏感。

b）干濕循環導致邊坡表層土體強度損傷較大，所以滑坡通常表現為淺層滑動。干濕循環次數不同，邊坡滑動面隨影響率變化的形式不盡相同，滑動面的差異是不同情況下邊坡各層土體強度以及潛在滑動面上受力狀態共同作用所決定的。

c）膨脹土邊坡由于干濕循環和影響率的變化所產生的一系列變化，歸根結底，是由于土體強度的狀態產生了變化。