考虑干湿循环的膨胀土航道边坡稳定分析及治理措施*

王艳芳，江 涛，印 昊，夏 炎，张 磊

(1.金陵科技学院，江苏 南京 211169；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；3.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

膨胀土是一种富含蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，具有吸水膨胀、失水收缩且胀缩变形可逆等特性的高塑性黏土[1-3]。膨胀土边坡滑坡具有季节性、浅层性等特点，一般发生在降雨过程中或雨后，且滑坡深度通常不超过6 m。即使是坡比很缓的膨胀土边坡，仍会发生滑坡灾害，据统计坡比缓于1:5的膨胀土边坡具有滑坡先例[4-6]。与一般土质边坡的滑坡相比，膨胀土边坡滑坡更为复杂，采用常规抗剪强度指标对膨胀土边坡的稳定性进行分析时，计算所得稳定系数较高，但边坡仍有可能发生失稳。

目前，国内外已对膨胀土特性的边坡破坏开展了大量研究，如Tripathy等[7]、杨和平等[8]对击实黏土进行干湿循环试验，研究表明膨胀土膨胀变形及抗剪强度均随干湿循环次数的增加而降低；刘华强等[9]、魏星等[10]通过直剪试验研究干湿循环作用对重塑膨胀土抗剪强度的影响，结果证实裂隙的开展会导致膨胀土抗剪强度的降低，且黏聚力降低程度远大于内摩擦角；张坤勇等[11]通过对简单膨胀土边坡开展了干湿循环后浅层稳定性分析，得出完全软化强度指标的合理使用范围为距地表4.0 m 以内的土层。袁俊平等[12]、李新明等[13]通过有限元方法计算分析在裂隙与降雨条件下边坡稳定性，结果表明裂隙是雨水浸入膨胀土边坡的最主要通道，裂隙的存在对边坡水利条件的改变有重要影响；Castellanos等[14]、曾召田等[15]、Gregory[16]对众多浅层膨胀土边坡滑坡案例进行分析，结合膨胀土室内试验，提出膨胀土浅层滑坡的发生主要是因为土体受干湿循环影响，裂隙发育导致土体发生软化、强度降低。

本文依托芜申航道南京段膨胀土边坡，该边坡中赋存蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，且由于所处地理位置特殊，加之天然地质作用及人为影响的干扰，导致多次出现滑移[17]。该边坡的稳定性需要考虑干湿循环效应的影响，本文基于有限元场变量考虑干湿效应对土体强度的影响，着重讨论膨胀土边坡在强度衰减前后稳定系数的差异性。

1 工程概况

航道边坡位于芜申线航道南京红卫桥—下坝段，本段航道按III级航道整治，航道水深、底宽、最小转弯半径分别为3.2、45、480 m。经过多年自然作用，边坡发生多次滑坡，原地形坡度约12°，滑坡区域在平面上呈“圈椅状”，主滑方向与航道接近垂直，滑体纵向轴长72 m，滑坡前缘宽约150 m，后缘宽约200 m，见图1a)。经补勘发现场地内的换填土与黏土均为膨胀土，具有胀缩性，易膨胀开裂，在降雨作用下容易引发降雨入渗，使土体软化，影响岸坡的稳定性，滑动面主要位于可塑状黏土层③内，滑体主要为填土①、填土②及可塑黏土③，见图1b)。

图1 滑坡范围以及滑坡横断面

2 膨胀土干湿循环强度试验

2.1 试验土样及制备

试验土样取自滑体范围内的膨胀土，其基本物理性质指标见表1，根据GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》，滑坡区域膨胀土为弱膨胀土。

表1 试验用膨胀土物理性质指标

2.2 试验方案

用高为20 mm、直径为61.8 mm的环刀将两种膨胀土原状样分别切削30个土样，选取密度相近(差值≤0.03 g/cm3)的24个作为试验用样，并将其分为6组，用于不同循环次数下的试验。将土样装入饱和容器并浸泡在水中进行抽气饱和，使其均达到饱和含水率，取出其中1组进行直剪试验，作为膨胀土的初始强度，其余5组分别进行1～5次的干湿循环。干湿循环过程分为两个阶段：1)脱湿阶段。将饱和土样放入烘箱内进行脱湿(温度控制在40℃)，脱湿过程中通过定时称质量监测土样含水率变化。当土样含水率降至缩限，结束脱湿阶段。2)饱和阶段。重新将土样装入饱和容器中进行抽气饱和，抽气时间控制为1 h，浸泡时间控制为12 h以上，饱和阶段也是通过称质量监测土样含水率变化，当土样12 h内质量恒定，认为土样完全饱和，此时即完成1次干湿循环。室内直剪试验采用快剪方法，上覆压力分别取100、200、300及400 kPa，剪切速率为0.8 mm/min，剪切变形达6 mm时停止剪切。总体试验方案见表2。

表2 膨胀土重塑样干湿循环试验方案

2.3 试验结果及分析

弱膨胀土黏聚力c、内摩擦角φ随干湿循环次数的变化如图2所示。可以看出，受干湿循环效应的影响，3种膨胀土的抗剪强度均出现一定程度的衰减，且随着干湿循环次数的增加，抗剪强度衰减幅度逐渐减小，其数值见表3。

图2 黏聚力c、内摩擦角φ随

表3 干湿循环次数对快剪强度指标的影响

由图2、3及表3可知，随着干湿循环次数的增加，弱膨胀土的黏聚力c与内摩擦角φ的衰减主要发生在前3次干湿循环过程中，之后均趋于稳定。干湿循环5次后，c值衰减至原值的70%左右，φ值衰减至原值的25%左右。黏聚力c的衰减幅度要比内摩擦角φ大，其原因为随着干湿循环次数的增加，膨胀土体的内部裂隙不断发展，土体结构整体性遭到破坏，土体内部因干湿循环产生损伤裂缝不可恢复，故极大削弱了土体黏聚力，大幅降低土体的抗剪强度。

3 干湿循环条件下航道膨胀土坡稳定分析

3.1 干湿循环的模拟

在有限元软件ABAQUS中通过设置抗剪强度参数c和φ随场变量变化实现干湿循环过程中c和φ大小的衰减。模拟步骤为：第1步，定义一个场变量，场变量值按表3的c和φ的衰减程度进行设置；第2步，定义随场变量变化材料模型参数；第3步，场变量初始值为1，对应为未干湿循环时的土体状态；第4步，在后续的分析步中增加场变量大小，计算中止(数值不收敛)后对结果进行处理；第5步，确定稳定系数。稳定系数的确定方法有两种：1)在整个计算过程中以数值计算不收敛作为土坡稳定的评价标准，对应的稳定系数FV1为1.01；2)以顶部节点水平位移拐点为评价标准，得稳定系数为0.99。这两个值非常相似，都十分接近极限平衡分析方法中给出的稳定系数1。如图3所示，这两个值非常相似，都十分接近极限平衡分析方法中给出的稳定系数1，说明了基于有限元场变量考虑干湿效应对土体强度的影响，分析膨胀土边坡稳定系数的可行性。

图3 稳定系数随坡顶位移变化关系

3.2 膨胀土航道边坡稳定性分析

3.2.1模型的建立

建立膨胀土边坡模型，见图4。岩土体从上到下依次为：填土①、填土②、可塑黏土③、强风化土④、中风化土⑤。利用ABAQUS中所提供的场变量模拟干湿效应对土体强度的折减，对膨胀土边坡进行稳定性分析，计算干湿循环前、干湿循环3次、干湿循环5次3种工况下的边坡稳定系数。计算时土体选用摩尔-库仑本构模型，土层参数见表4。

图4 膨胀土边坡模型

表4 膨胀土边坡各土层计算参数

3.2.2计算结果分析

不同干湿循环次数下土坡位移等值线扩展云图及塑性应变区扩展云图见图5、6，膨胀土航道边坡稳定系数值见图7。由数值计算结果可看出，未经历干湿循时膨胀土航道边坡的FV1值为1.530～1.540，其中以边坡顶部出现水平位移拐点为边坡失稳评判标准，取值为1.530；以数值计算中迭代不收敛为评判标准，则取值为1.540，二者数值十分接近，说明此时膨胀土边坡稳定系数介于1.530～1.540，为稳定状态。经历了3次干湿循环后膨胀土航道边坡稳定系数急剧衰减，FV1降低为1.109～1.111，边坡不安全。第5次干湿循环时膨胀土航道边坡处于极限平衡状态，FV1为1.011～1.012，边坡欠稳。因此，在用极限平衡法分析时，若采用不考虑干湿循环影响的膨胀土天然强度或饱和强度会导致结果无法反映工程的实际情况，存在安全风险。

图5 土坡中位移等值线扩展对比云图

图6 土坡中塑性应变区扩展对比云图(单位：m)

图7 不同干湿循环次数下航道膨胀土边坡稳定系数

4 膨胀土航道边坡治理措施及监测

按照“一次根治、不留后患”的治理原则，膨胀土滑坡治理过程中，抗滑桩是常选的支挡结构，采用以挡为主，排、截、支、护相结合的方案。鉴于本航道工程滑坡治理中的抗滑桩须同时起到保护临近的胥河大桥桥梁桩基免受膨胀土滑坡牵连造成基础破坏的目的，故要求抗滑桩有足够的抗弯刚度，能保证桩体抵抗滑坡的下滑力，且不能有过大的水平向变形。选择门字形抗滑桩作为主要的支挡结构。膨胀土航道边坡的具体治理方案为：沿着边坡设置3排门字形抗滑桩，桩长25 m、桩径2 m，桩顶采用连梁连接；为减少临近桥梁区域外侧下滑位移的拖曳作用，在减载换填区域的边缘设置隔离桩，形成隔离带，隔离桩孔间距350 mm，深8～10 m，共设3排，交错布置，孔内填充聚乙烯泡沫颗粒，并用黄泥封孔；考虑到膨胀土的胀缩特性，在河道影响下易形成牵引型滑坡，须采用有效的防渗措施尽量减少岸坡土体的湿度变化，因此采用“两布一膜”形式复合土工膜作为防渗层，膜上覆盖层采用掺石灰改良后的膨胀土作为换填土层，要求其自由膨胀率不大于20%，厚度约2 m，并进行局部减载的措施；坡体底部结合航道整治做桩基直立式挡墙，治理方案断面见图8。

图8 膨胀土航道边坡治理方案断面(单位：m)

鉴于本次滑坡治理工程具有复杂性、多风险性，故在抗滑桩后侧土体中设置监测点，从2012年1月—2013年5月开展施工期和运营期的干湿循环条件下的土体深层水平位移监测，用于保证施工安全和质量，同时对处理方案的使用效果进行评价。各监测点的监测结果见图 9，在地面以下10～15 m深度，深层水平位移出现明显的变化凸起分界点，与前期探测发现的裂缝深度基本一致，此处为滑动面所在位置。在 2012年4—10月抗滑桩桩基础开挖期间深层水平位移变化速率明显增大，随着2012年底抗滑桩施工完成开始发挥抗滑力，深层水平位移变化速率逐渐变小，至2013年5月已基本趋于稳定。监测结果显示，采用门字形抗滑桩+隔离桩+复合土工膜+换填+航道护岸挡墙是治理膨胀土滑坡的可行方案。

图9 边坡深层水平位移监测结果

5 结论

1)膨胀土的抗剪强度指标随着干湿循环次数的增加而衰减，衰减主要发生在前3次干湿循环过程中，之后的衰减程度很小，抗剪强度指标趋于稳定。黏聚力c的衰减程度远大于内摩擦角φ，说明膨胀土边坡在自然状态下受气候影响，其抗剪强度也会不断降低。

2)未经历干湿循环的膨胀土边坡，采用天然抗剪强度指标与饱和抗剪强度指标的稳定性计算结果显示边坡均处于稳定状态。经历多次干湿循环后的膨胀土边坡，采用其衰减后的抗剪强度指标的计算结果显示边坡将处于不稳定状态。因此，在对膨胀土边坡的整治与处理等工程中，相关参数必须采用多次干湿循环后衰减的值，否则无法保证工程的安全与质量。

3)在膨胀土航道滑坡治理工程中，选择门字形抗滑桩作为支挡结构，是一种安全可靠、技术可行的支挡措施。