云驛隧道膨脹土邊坡穩定性分析

邢發紅, 周和祥, 劉金元, 林大富, 李孟豪

(1. 中鐵二十一局集團第六工程有限公司， 北京 101111； 2. 西南交通大學， 四川成都 610000))

膨脹土在我國分布廣泛，我國20多個省均有膨脹土分布。膨脹土是一種具有特殊膨脹結構的高液限黏土，具有脹縮性、崩解性、多裂縫性、風化性、強度衰減特性等多種特殊的工程特性。

近年來，隨著我國西部大開發的加速推進，在山區公路、鐵路的修建過程都不可避免的遇到膨脹土邊坡的問題。由于膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的性質，自然條件下邊坡表面經過多次干濕循環后存在著大量裂隙，這將大大降低土體強度。同時，降雨時膨脹土體積膨脹，致使土體內部產生膨脹力。以上兩個因素共同作用，使得膨脹土邊坡失穩破壞不同于一般土質邊坡。

本文根據膨脹土邊坡的破壞特點，依托云南廣大線擴能改造工程云驛隧道段膨脹土高邊坡，對比分析了是否考慮裂隙、是否考慮膨脹力等不同情況下邊坡穩定性及邊坡抗滑樁位移規律，并對膨脹土邊坡的設計及施工提出了優化建議，供類似工程參考。

1 裂隙對邊坡穩定性的影響

由于膨脹土長期處在干濕交替的大氣環境中，在多次干縮濕脹循環作用后，邊坡表層裂隙充分開展，導致邊坡表層土體強度降低。楊和平等通過試驗發現膨脹土強度指標隨干濕循環次數的增加而顯著降低，這正是由于裂隙的開展破壞了土體的完整性和均勻性而導致的結果。在大氣營力的作用下，膨脹土邊坡的風化、裂縫的開展、降雨引起的土體含水率變化等均在大氣影響深度范圍內。廖世文統計了我國8個省的膨脹土大氣影響深度，大多數在2～4 m之間，個別達5 m。肖榮久認為大氣影響深度，在2～6 m之間。在沒有相關實測資料的情況下，我們取大氣影響深度為4 m。

2 膨脹力對邊坡穩定性的影響

膨脹力是由于膨脹土含水率增加，而膨脹土體積受限無法自由膨脹而產生的，土體膨脹力大小決定于土體含水率增加量和土體所受約束力大小。故邊坡膨脹力隨深度變化而變化。文獻[4]將大氣影響深度Z0以內的路堤邊坡膨脹土分為兩層：表層強風化層和淺層中等～弱風化層。設pe為室內試驗測得的膨脹力指標。假設膨脹力沿路堤邊坡深度的分布為:表層內的膨脹力由0開始逐漸遞增,在表層與淺層交界面上的膨脹力達到pe;淺層內的膨脹力沿深度由pe逐漸減小至0;深層土體中的膨脹力忽略不計。建立三角形分布的膨脹土路堤邊坡的膨脹力計算模式。本文采用該膨脹力計算模式。

3 有限元穩定性計算

云驛隧道采用明挖法，以高路塹的形式從山體中間穿過。本計算邊坡位于于隧道進口處右側。邊坡表層0.5 m為種植土，局部夾角礫，下層為膨脹土，具有弱中膨脹性。支護形式為雙排抗滑樁支護，邊坡平臺寬2 m，兩級邊坡的坡高均為6 m，第一級邊坡坡度為1∶1.75，第二級坡度為1∶2。

采用Plaxis巖土有限元計算軟件，模型為寬65 m，高60 m的平面應變模型，左右邊界施加水平約束，下邊界施加水平和豎向約束。

在建模時，表層種植土忽略不計?？紤]裂隙作用，將表層4 m范圍內的土體強度折減50 %，表層4 m范圍外的土層仍采用原土體強度參數進行計算，綜合地勘報告結果，取土體強度參數如表1所示?？紤]膨脹力作用，根據相關資料，取室內試驗測得的膨脹力指標20 kPa，并假設4 m的大氣影響深度中表層強風化層和淺層中等～弱風化層的厚度均為2 m，即可得到膨脹力延深度方向的分布(圖1)，膨脹力的方向垂直于臨空面向外。

由此得邊坡計算模型(圖2)。

劃分單元網格時，為了更加精確地計算抗滑樁的位移，網格全局疏密度為細并對抗滑樁周圍網格進行局部加密。生成網格劃分如圖3所示。

表1 土體各項計算參數

圖1 膨脹力大小深度分布

圖2 膨脹土邊坡模型

圖3 有限元網格劃分

模型土層均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構模型，抗滑樁采用線彈性模型，地下水位設置在模型下邊界，根據現場設計資料，抗滑樁計算參數(表2)。采用強度折減法對邊坡安全系數進行計算。

表2 抗滑樁計算參數

為了更深入研究裂隙和膨脹力對邊坡的影響，將不考慮裂隙不考慮膨脹力、只考慮裂隙、只考慮膨脹力的3種情況加入對照(表3)，其中4組為原模型，1組、2組、3組為對照模型。

表3 考慮不同影響因素對照

數值結果分析：

邊坡在考慮膨脹力、裂隙的情況下計算的邊坡總位移云圖見圖4。由圖4可知，在考慮膨脹力和裂隙情況下，邊坡位移主要集中在邊坡表層，這與實際工程中邊坡出現大量淺層滑坡的情況吻合。

圖4 考慮膨脹力、裂隙的邊坡位移

邊坡在考慮膨脹力、裂隙的情況下計算的邊坡潛在滑動面見圖5。由圖5可知，在考慮膨脹力和裂隙情況下，邊坡最不利滑動面在邊坡表層。在邊坡深層也存在潛在滑動面，但相比于表層潛在滑面，深層潛在滑面的出現的可能要小得多。

圖5 考慮膨脹力、裂隙的邊坡潛在滑動面

對照1～4四種不同情況下，有限元計算出的模型安全系數、抗滑樁位移(表4、表5)。

表4 各情況下邊坡安全系數

由表4數據分析可知：邊坡在不考慮膨脹力、不考慮裂隙的情況下的安全系數為1.326，是所有四個情況下安全系數最高的。單獨考慮膨脹力或者裂隙的作用情況下，邊坡的安全系數均有一定程度的減小，在本邊坡計算中，裂隙對邊坡安全系數的降低作用更加明顯。同時考慮膨脹力和裂隙影響的情況下，邊坡安全系數最低，僅有1.200，可以看出，膨脹土膨脹力和裂隙的作用均會明顯降低邊坡的安全系數，二者在計算中都不可忽略。

表5 各情況下邊坡抗滑樁樁頂位移

對表5的數據分析可知：膨脹力和裂隙對邊坡抗滑樁樁頂位移的影響與對邊坡安全系數的影響相似，引入二者的影響均會增大抗滑樁樁頂位移，在本邊坡計算中，裂隙對抗滑樁樁頂位移的增大作用更加明顯，二者在計算中都不可忽略。

在現場，我們同時采用全站儀和測斜儀對邊坡后排抗滑樁的樁頂位移進行了8個月的觀測，在這8個月的位移中取最大位移值為0.025，該數據與考慮膨脹力考慮裂隙情況下后排抗滑樁的樁頂位移的有限元計算結果基本吻合。

4 結論

(1)在考慮膨脹力和裂隙的作用下，邊坡位移主要集中在表層，且最不利滑動面近似位于邊坡表層分化層與未風化層的交界面。

(2)通過對比表明，膨脹力和裂隙均對邊坡穩定及抗滑樁位移有不利影響，且裂隙的影響較大，膨脹力的影響較小。

(3)在膨脹性邊坡穩定性分析過程中，考慮表層土體由含水率變化產生的膨脹力以及由干濕循環產生的裂隙的雙重作用，這更加符合實際，也更偏向于安全。

(4)結合實例進一步驗證了采用膨脹力分層化三角形模式模擬膨脹力計算邊坡穩定性的正確性。