淤泥質土堤防邊坡穩定性硬殼層作用效應分析

何利超，陸旭旭，趙新銘，姜 波，潘建伍

（1.中國電建市政集團山東工程有限公司，山東濟南 250000；2.南京航空航天大學民航學院，江蘇南京 211106)

引言

淤泥質土屬于軟土的一種，主要分布于海濱、湖濱、河流沿岸等地勢比較低洼且常年積水的區域。淤泥質土具有含水量高、孔隙率高、壓縮性高、抗剪強度低和承載力低的特點[1-3]，需要對這種軟土進行處理才可用于工程施工。

采用大面積吹填砂進行圍海造地時，會產生淤泥集中區。對大面積超厚淤泥層的地基處理，尤其是地表持力層的形成是一項亟待解決的工程難題[4]。另外，在沿海地區的道路建設中，經常遇到數米至數十米厚、抗剪強度低的淤泥層，其上覆蓋有性質較好但厚度不大的地表硬殼層[5]。大面積硬殼層可在淤泥區形成一個有效的表面持力層，硬殼層的強度顯著地高于淤泥層。通過硬殼層的應力擴散效應和連片整體效應，可以為上表面施工人員和設備提供穩定的支撐。由于硬殼層的應力擴散效應，可將土體表層荷載傳遞到更大的范圍內，減小軟弱土層所受應力。同時，硬殼層還具有殼體效應和封閉作用，使得下層淤泥土變形受到抑制，可有效提高土體結構的承載能力。曹海瑩[6]分析了上覆硬殼層的軟土路基動力響應問題，認為硬殼層的存在能夠減小路基的殘余變形。土體硬殼層廣泛存在于巖土工程中，可將硬殼層相關理論推廣到其他工程問題中，充分利用硬殼層的有利效應，克服硬殼層帶來的不良特性。

本文針對青弋江分洪道工程側平臺淤泥質填土的不良性質，開展了多項室內試驗，充分分析了該土體的物理力學特性。接著利用顆粒流PFC 建立了該堤防邊坡的數值模型，采用細觀強度折減法進行邊坡的穩定性分析，得到了該邊坡的安全系數。最后，根據現場分層填筑的施工特點，提出了邊坡復合硬殼層的假設，討論了硬殼層厚度、強度和層數等因素對邊坡穩定性能的影響規律。邊坡復合硬殼層的假設能夠解釋該堤防側平臺具有較高穩定性的原因，也可為現場施工提供理論參考。

1 工程概況

青弋江分洪道工程全長約47.28 km，堤防工程級別為Ⅲ級，設計防洪標準為20～40 年一遇，圖1為該堤壩工程的堤身、側平臺示意圖。該工程具有土方工程量大、地質條件復雜和土地資源稀缺的特點，蕪湖地區符合規范的填筑土料總量有限，嚴重制約了工程施工進度。工程地質勘察報告顯示，工程沿線分布大量淤泥質粉質壤土，呈軟塑～流塑狀，河道開挖料主要為該土料。施工單位利用該土料填筑堤防內外平臺，以此彌補土方缺口。

圖1 青弋江分洪道堤壩示意

2 土工試驗

為了解青弋江沿線淤泥質土的物理力學性質，并為堤防邊坡的穩定性分析提供參數，開展了淤泥質土物理力學特性的室內土工試驗，包括界限含水率試驗、顆粒分析、干密度、壓實度、固結、擊實、直接剪切（快剪、固結快剪、慢剪）、無側限抗壓強度試驗、三軸壓縮（UU、CU）等室內試驗。采用ZJ 型應變控制式直剪儀（四聯剪）進行直剪試驗，對四個相同土樣分別施加50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa 的垂直應力進行四聯剪。三軸壓縮試驗采用TSZ-1 型全自動三軸儀，三軸試樣尺寸為φ39.1 mm×80 mm，分別進行UU、CU 試驗，如圖2 所示。表1 為淤泥質土的部分力學參數，側平臺填土選用含水率高、淤泥質含量高的淤泥土，其c、φ值均處于較低的水平。

圖2 淤泥質土室內土工試驗

表1 青弋江淤泥質土物理力學參數

3 PFC 數值模型

3.1 細觀力學參數標定試驗

顆粒流PFC 在計算時無需定義宏觀本構關系和對應的參數，而是采用局部接觸來反映宏觀問題，因此只需要定義顆粒和黏結接觸的幾何和細觀力學參數。對于土體材料，采用點接觸的接觸粘結模型可得到更好的模擬效果[7,8]。而室內試驗得到的宏觀土工參數不能直接應用于軟件計算，需要經過參數標定的過程來得到合適的細觀參數[9]。

為了確定兩種填土的細觀力學參數，利用雙軸壓縮數值試驗進行參數標定。PFC2D中有側向約束的壓縮試驗稱為雙軸壓縮試驗，如圖3 所示。其中上下墻（wall）以恒定的速度相向移動來模擬應變控制的加載效果，而左右墻（wall）通過伺服機制來維持固定的側向壓力來模擬圍壓。每個運算周期調用一次內部伺服函數來確定應力，并用數值伺服控制方式來調節側向墻的速度，從而減少當前應力與目標應力之間的差距。整個加載過程中側向圍壓基本保持不變，始終監測并記錄軸向應力、應變等信息。

圖3 PFC2D 雙軸壓縮試驗

對于堤身填土和側平臺填土，分別進行了數次10、20、30、40 kPa 圍壓下的雙軸壓縮試驗，不斷調整數值試樣的細觀參數，直到數值試樣的強度包絡線與室內物理試驗的結果基本一致，選取的c、φ值為表1 的快剪試驗結果。表2 為最終得到的數值模型的細觀力學參數，圖4、圖5 為不同圍壓下的應力-應變曲線和強度包絡線，數值試樣的c、φ值與室內試驗結果基本一致，可認為數值試樣能夠反映兩種填土的宏觀力學性能。

表2 數值試樣細觀力學參數

圖4 堤身填土數值模型的力學特性

圖5 側平臺填土數值模型的力學特性

3.2 青弋江提防邊坡的PFC 模型

根據青弋江分洪道工程試驗段堤壩的示意圖（圖1），建立了該堤壩的PFC 數值模型，如圖6所示。為了降低計算量，只選取堤壩的右半部分進行計算。模型中顆粒尺寸沿用雙軸壓縮試驗中的尺寸，即5～8.33 mm 隨機分布，整個模型共30 839個顆粒。顆粒生成后，消除內部不平衡力，形成均質的顆粒集合體。接著為體系添加豎直向下的重力加速度，大小為9.8 m/s2，讓模型在重力作用下平衡，最后為幾種填土設置表2 中的細觀力學參數。圖7 為模型的力鏈示意圖，力鏈的寬度對應著力的大小，可近似表示初始地應力場分布狀況。

圖6 青弋江堤防邊坡的PFC 數值模型

圖7 青弋江堤防邊坡數值模型的力鏈圖

堤壩的側平臺填土土質較差，因此邊坡失穩易發生于該部位。通過監測側平臺角點處的位移，可為邊坡穩定性判斷提供依據。角點位移是通過監測該點附近40 個顆粒的平均位移實現的。

4 堤防邊坡的穩定性分析

4.1 邊坡安全系數及位移

強度折減法是將土的強度參數除以折減系數Fr，然后進行穩定性分析，若邊坡剛好失穩破壞，則當前的折減系數就等于土坡安全系數[10-12]。土坡的強度折減公式為：

式中：φ、φr和c、cr為強度折減前后的粘聚力、內摩擦角；Fr為強度折減系數。

由于PFC 中定義的參數均為細觀力學參數，因此上述宏觀力學參數不能直接用于軟件計算。根據PFC 模型中宏細觀參數的特性，PFC 模型的摩擦系數影響土體材料的內摩擦角，模型的粘結強度影響土體材料的粘聚力，因此提出可用于顆粒流PFC 的強度折減公式：

式中：μ、μr為折減前后的摩擦系數；T、S和Tr、Sr為折減前后的法向、切向粘結強度。

計算結果表明，素土堤壩在重力作用下，經過了10 000 個時間步左右即達到了平衡狀態，不再有顆粒的滑動。為了得到了土坡的安全系數，采用不斷折減模型細觀強度參數的強度折減法進行判斷。若土體強度折減到某一程度時，土坡突然出現了滑動，認為此時的折減系數為土坡的安全系數。關于土坡穩定情況的評判，是通過監測點水平位移是否出現突變以及整個模型位移場的分布綜合判定的。圖9 為該堤壩在不同折減系數下，監測點水平位移隨時間步的變化趨勢。圖10 為50 000 個時間步后，土坡在不同折減系數下的位移場分布。

圖8 監測點水平位移變化趨勢

圖9 不同折減系數下顆粒位移

在強度折減系數為1.0、1.20 和1.28 時，土坡監測點水平位移在10 000 時間步左右就保持不變，可認為這些土坡都是處于穩定狀態。當強度折減系數為1.29時，監測點水平位移出現了突變，在10 000時間步仍然以較快的速度發展。當折減系數為1.30時，監測點運動的速度更大。觀察土坡位移場分布圖，在折減系數小于1.29 時，土坡發生了一定的變形，但此時其量值較小，并不能看到明顯的滑動跡象。當折減系數為1.29 和1.30 時，側平臺填土上部顆粒位移顯著高于其他位置位移，可以清晰的看到滑裂面。因此，土坡變形在折減系數為1.29 時達到了突變，可選取1.29 作為該土坡的安全系數。

4.2 復合硬殼層邊坡穩定性分析

側平臺填筑土料為老堤堤基淤泥質土、圩內灘地或農田淤泥質土。填筑方法為：先采用合格粘性土填筑主堤身至平臺高程，然后采用推土機或鏟土機直接推送土料至側平臺填筑部位，邊推送土料邊碾壓直至填筑高程，填筑完成后一般需要1～3 月后進行表層碾壓、平整，圖10 為工程施工現場。

圖10 堤防邊坡施工現場

工程現場采用分層填筑的施工方式，相鄰填土層均有一定的時間間隔。在自然條件下，土坡表面會形成具有一定厚度的硬殼層。這種硬殼層類似于強夯法在地基表面形成的硬殼層，硬殼層的土質和厚度受碾壓參數和晾曬時間等因素所控制，而硬殼層的層數受分層數所控制。硬殼層的強度、土質會明顯優于素土，同時硬殼層具有應力擴散效應和封閉作用，對土坡的變形有著很好的限制作用[13-15]。因此，硬殼層的存在會加強土坡的穩定性，并對土坡的變形有一定的影響。

在數值模型中，主要考慮側平臺硬殼層的厚度、強度和層數對土坡穩定性和變形的影響，通過改變這三個變量來探究硬殼層對土坡穩定性的影響規律，土坡穩定性主要以安全系數來評估，而安全系數仍采用上文的細觀強度折減法。

硬殼層強度會高于原淤泥質土，為了合理地設置PFC 模型的硬殼層參數，提出可用于離散元PFC模型的強度增強公式：

式中：Fn為土體強度增強系數；μn為增強后的摩擦系數；Tn、Sn為增強后的粘結法向、切向強度。

1）硬殼層厚度

為了分析硬殼層厚度對土坡穩定性的影響規律，設置硬殼層強度為原土強度的兩倍（Fn=2），硬殼層的層數為三層，然后調整硬殼層厚度為0.3 m、0.6 m 和0.9 m，計算此時土坡變形情況和安全系數。圖11 為不同硬殼層厚度下土坡的位移和安全系數變化。

圖11 不同硬殼層厚度下邊坡的穩定性

由計算結果可以看出：硬殼層的存在對于控制土坡變形有一定的促進作用，隨著硬殼層厚度的增加，土坡的變形程度逐漸減小。同時，硬殼層可以增強土坡的穩定性，硬殼層的厚度越大，土坡的安全系數也在逐漸增加，土坡安全系數與硬殼層厚度幾乎呈線性相關的關系。當折減土體強度后，淤泥土會有向下流動的趨勢，但由于硬殼層的封閉作用，淤泥土就被封閉在硬殼層所形成的骨架中，最終土坡的變形和穩定性均有所改善。

2）硬殼層強度

硬殼層的強度與原土強度的比值同樣會改變土坡的穩定性能，保持硬殼層厚度為0.3 m、層數為三層，分別調整Fn為1.5、2 和2.5。計算不同情況下土坡監測點水平位移和相應的安全系數，計算結果見圖12。

圖12 不同硬殼層強度下邊坡的穩定性

由計算結果可看出：硬殼層強度增強后可有效地提高土坡安全系數，但其在控制土坡變形的作用有限，說明提高硬殼層強度的主要作用還在于維持土坡的穩定。

3）硬殼層層數

硬殼層的層數對應著填土分層填筑過程中的分層數，這一因素也會對土坡的穩定和變形有一定的影響。保持硬殼層的強度為素土的兩倍（Fn=2），硬殼層厚度為0.3 m，改變硬殼層的層數為1、2 和3 層，計算此時土坡的安全系數和位移情況。圖13即為不同硬殼層層數下土坡的位移和安全系數變化趨勢。

圖13 不同硬殼層層數下邊坡的穩定性

硬殼層層數增加后，土坡的變形受到了限制，監測點的水平位移有所降低。同時，土坡的安全系數也在逐漸增加，土坡的穩定性得到了加強，硬殼層對土坡的穩定有很大的促進作用。

4.3 復合硬殼層對邊坡坡度的控制作用

青弋江分洪道工程堤壩側平臺坡度比為1:3，根據計算結果可知該土坡是處于穩定狀態的，安全系數為1.29。現在將坡度比改為1:2，進行穩定性計算分析。數值模型循環運行了50 000 步后，側平臺部分填土發生了嚴重的滑坡，圖14 為側平臺局部放大圖。根據數值計算結果，50 000 個時間步后，顆粒最大水平位移達到了9.2 m，監測點的平均水平位移為3.4 m。

圖14 側平臺滑坡示意

下面將考慮土體硬殼層對該邊坡的加固作用，在側平臺設置三層硬殼層，硬殼層厚度為0.5 m，硬殼層強度為原淤泥土強度的五倍。當側平臺擁有三層硬殼層后，邊坡的穩定性得到了提高，由不穩定狀態轉變為穩定狀態。同時邊坡變形受到了限制，監測點最大水平位移僅為0.21 m。

對于青弋江分洪道工程堤壩，當側平臺擁有一定層數和厚度的硬殼層后，邊坡的坡度可適當提高而邊坡仍能保持穩定。青弋江分洪道工程堤壩全長約47.28 km，坡度的提高可以減少工程占地面積，具有很大的經濟效益。

5 結語

本文針對青弋江堤防側平臺土料淤泥質含量較大、含水率較大的特性，開展了考慮復合硬殼層的堤防邊坡穩定性分析，下面為主要的研究結論：

1）通過多組剪切試驗和三軸壓縮試驗，對青弋江堤防工程填土的物理力學特性有了深入的了解，試驗結果為后續數值試驗提供了參數；

2）根據土體強度折減法的基本思想，提出了可用于PFC 模型中的強度折減法，通過對PFC 細觀力學參數進行折減，得到了青弋江堤防邊坡的安全系數，為邊坡穩定性判定提供了依據；

3）根據側平臺分層填筑的特點，提出了邊坡復合硬殼層的假設，復合硬殼層具有提高邊坡穩定性、控制邊坡變形的作用。硬殼層厚度、強度及層數均會對邊坡穩定性有重要的影響；

4）利用硬殼層的加固作用，可在保證工程質量的前提下適當提高邊坡的坡度，具有較大的工程和經濟意義。