膨胀土高边坡改性后力学特征及安全稳定性分析研究

韦富杰

(广西桂商实业投资有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

在建设公路、铁路及水利设施等过程中会遇到膨胀土边坡，膨胀土由于其吸水特殊性[1-2]，对工程安全性是一个极大的挑战。如何应对膨胀土高边坡的失稳危害性是较多学者研究的重要课题[3]，采用理论计算方法等可对边坡土体滑移面展开计算[4-5]，由本构模型方程延伸至工程设计，进而预判边坡工程失稳前兆，为工程建设提供参照。徐文刚、殷俊文、许容等[6-8]认为采用有限元仿真手段，通过FLAC 3D、ANSYS等软件平台建立计算模型，进而施加不同外荷载，可分析边坡模型在不同因素影响下的安全稳定性，评价边坡滑移体与安全稳定影响因素。本文基于广西百色高速公路修筑区段内的膨胀土高边坡稳定性问题，研究探讨了固化剂成分对膨胀土的改良效果，以改性土力学特征为研究结果，分析改性膨胀土边坡工程安全稳定性。

1 工程概况

本项目位于广西百色“横5”高速公路乐业修筑路段内，该项目路段长约4 052.5 m，其中膨胀土高边坡位于K02+105处，与高速公路走向呈垂直方向，以东西为径向，膨胀土厚度达4.1 m。土体主要为第四系风化坡积土层，土体渗透系数较高，不均匀沉降较为明显。该边坡的滑动面出现在砂质泥岩土层中，且较为陡峭，极易发生二次滑坡地质灾害，威胁高速公路修筑路段内的安全施工。该膨胀土高边坡计划采用锚杆加固措施，设计采用钻孔式锚杆T33N，锚索预张拉应力为480 kN，分段式进行预应力张拉，最后一段拉力为86.86 kN，锚杆长度值为2.5 m、面积值为256.58 mm2。坡面配置有横、纵连系梁结构，最大设计弯矩值为379.58 kN·m，结构设计为6φ18 mm钢筋。其初步支护设计如图1所示。

图1 边坡支护设计示意图

根据本项目组野外地质勘察发现，该边坡内主要由黏土矿物组成，而施工周期为当地雨季时节，黏土矿物具有较强的吸水特性，且在吸水饱和状态下，土体极易发生软化等现象，强度亦会降低。根据室内试验表明，本批膨胀土试样强度在饱和状态下降低了40%，且膨胀土在吸水后极易出现体积膨胀，体积膨胀变形程度最大可至30%。根据室内液固耦合试验发现，膨胀土渗透系数达10-7m/s，表明膨胀土试样内部孔隙度较高，渗流水极易对土体内部产生结构性破坏。由于膨胀土的特殊力学性质，在饱水状态下边坡失稳极易发生，因此本文对该膨胀土高边坡的稳定性进行研究，并结合膨胀土试验力学特性与工程实际给出改良方案。

2 改性后力学特征

2.1 试验介绍

为对高膨胀土进行物理改良，本文采用DTC剪切试验仪开展改性土力学试验研究，该试验设备包括加载装置、数据采集装置及电脑控制装置。从试验设备适用性方面考虑，该试验系统最大剪切荷载可达100 kN，而围压最大可设定5 MPa，采用液压程序控制加载方式，所有荷载加载装置均采用活塞推动形式试验，试验过程中荷载振幅≤1%，确保荷载满足静力加载要求。数据采集装置是外接一个十六通道数据采集和处理设备，可满足试验实时采集监控要求，数据间隔可根据试验数据精度要求，可设定在0.01～10 s，数据处理时确保光滑度在95%以上。应力与变形参数采集装置分别以荷载传感器、变形传感器为载体，荷载装置最小精度可达0.01 N，而变形传感器包括有轴向与环向变形装置，试验前分别进行标定和误差清零，轴向变形传感器量程为-15～15 mm，确保最小误差≤0.1%。试验全过程均采用电脑程序控制，本试验中加载变形速率控制为0.01 mm/min，确保试验进程处于可控状态，满足试验破坏力学研究要求。

本试验中所用样品均来自百色“横5”高速公路K1+255区段处膨胀土边坡工程现场，经现场原位试验测定该膨胀土最优含水量为17.5%，承载力为80～110 kPa左右。为提升膨胀土承载能力与限制变形特征，采用固化液对试验样品进行物理改良，确保改性土内部孔隙结构稳定性。本试验一方面为研究改性土的剪切力学特征，一方面探讨固化液掺量对改性土力学特征影响，因此设定围压为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，固化液掺量分别按照原状土样质量的1%、3%、5%、7%、9%设定，具体试验参数如表1所示。所有试样均在实验室经重塑加工后，混合相应的固化液掺量，制备成试验样品，并在养护箱内养护24 h，所有试样制备后直径、高度分别为75 mm、150 mm[9-10]。本试验中在分析不同围压、不同固化液掺量后，确定最适宜的固化液掺量，进而分析该高膨胀土稳定性。

表1 各组试样试验参数表

2.2 力学特征分析

根据对改性土开展三轴剪切试验，获得不同围压不同掺量影响下改性土剪切应力应变特征，如图2为典型围压100 kPa、400 kPa下试验结果。从图2可看出，固化液掺量与改性土加载应力水平具有正相关关系，含固化液成分的改性土加载应力水平均高于原状膨胀土试样。在剪切应变为4%时固化液掺量为1%试样的加载应力为280.3 kPa，而在该应变下掺量为5%、7%、9%试样的应力较之分别增长了50.5%、65.8%、92.6%。当固化液掺量愈多，则膨胀土内部孔隙结构被压密、填充效果越好，对于颗粒结构稳定性具有重要的提升作用，故而表现为加载应力水平较高的现象。但从固化液成分正向促进效果阶段性来看，围压为100 kPa、应变为3%时，原状土掺量1%～5%试样间平均加载应力水平增长为25.2%，而在掺量5%后，应变不发生变化，但加载应力水平增幅为8.5%，此时固化液成分对改性土加载应力水平的促进效应达到“饱和”状态。分析认为，固化液成分本质上是一种填充密实剂，当膨胀土试样与固化液成分糅合改造后，其内部大部分活动孔隙均得到良好愈合，但仍存在一些闭合孔隙或非活动孔隙无法有效吸收的固化液成分，因而即使固化液成分增多，对改性土加载应力水平影响也是停滞状态[11]。从该高速公路膨胀土边坡改良设计考虑，固化液成分掺量控制在合理值即可，不需要增加过多。

(a)围压100 kPa

(b)围压400 kPa

从改性土变形特征来看，固化液掺量愈大，则土体塑性变形能力愈强，出现峰值应力阶段愈滞后，围压100 kPa下仅固化液掺量为9%的试样未出现峰值应力，而在围压200 kPa下固化液掺量为7%、9%的试样均未出现峰值应力，而掺量5%下峰值应力出现较滞后，整体上可表现为围压增大，改性土受固化液掺量影响，塑性能力更得到强化。固化液掺量增大，改性土弹性变形模量均增大，围压100 kPa下掺量为1%的试样弹性模量为64.7 kPa，而掺量为5%、9%的试样弹性模量较之分别增加了27.8%、50.6%；固化液掺量每增大2%，其弹性模量平均可增加25.8%，而围压400 kPa下弹性模量随固化液掺量增加平均增加10.4%。分析表明，围压增大后，固化液成分对改性土弹性变形能力的影响受到限制，塑性变形能力提升，对边坡大滑移及潜在滑动面形成具有重要促进效果。

在上述试验结果上，对各试验条件下的改性土试样抗剪强度进行处理，其中未出现峰值强度的试样取应变为15%对应加载应力，如图3所示。从图中可知，固化液掺量愈多，改性土试样抗剪强度愈高，但增幅在掺量达5%后逐渐减弱。围压100 kPa下掺量为1%时试样抗剪强度为431.82 kPa，而掺量为3%、7%、9%的试样抗剪强度较之分别增强了30.9%、83.1%；掺量为1%～5%的试样抗剪强度随之平均增幅为43.8%，而掺量为5%～9%的试样抗剪强度的平均增幅为6.1%。当围压增大至300 kPa、400 kPa后，整体上抗剪强度均得到显著增长，但固化液掺量对强度的促进效应变化较小，仍以掺量5%为增强转折变化节点。由此可知，对于百色高速公路高膨胀土边坡工程中的土质改良问题，可确定固化液掺量5%为最优参数。

图3 不同围压下改性土抗剪强度随固化液掺量变化特征曲线图

3 膨胀土高边坡稳定性分析

边坡稳定性分析实质上是求解边坡安全系数，而边坡安全系数的求解方式主要通过有限差分法，结合具体工程岩土参数求解。基于有限元分析方法与各个岩土层，划分出该高边坡有限元单元网格模型，如图4所示。针对降雨条件，设定边坡顶、底部均为入渗边界，且边界入渗系数根据降雨强度、降雨时间综合设定，分别以原状膨胀土边坡、固化液掺量5%改良后边坡为对比对象，两种边坡研究对象的土体渗透系数分别设定为1.75×10-6m/s、5.35×10-7m/s，并加以不同降雨强度、降雨时间等因素。

3.1 改性膨胀土边坡稳定性

根据对改性土边坡滑移面仿真计算，获得原膨胀土边坡与固化液掺量5%改性土边坡稳定性计算结果，如图5所示。图5中横、纵坐标与前述网格单元划分一致。从图5对比可看出，原状膨胀土潜在滑移面比改性土边坡占据面积要大，且滑移方向以前者更为显著，表明前者边坡滑移失稳可能性较高，不利于边坡工程的安全稳定性。

图4 边坡单元网格划分图

(a)原状膨胀土边坡

(b)固化液为掺量5%的改性土边坡

在百色高速公路施工扰动时间过程中，计算获得各时间节点不同掺量改性土与原状土边坡安全稳定系数，如图6所示。从安全稳定系数变化可反映边坡逐步失稳的过程，在施工开挖第5 d时，原状膨胀土边坡安全稳定系数为1.93，而开挖第10 d、30 d时原状膨胀土边坡的安全稳定系数分别减少了14.4%、41.6%；施工开挖每5 d平均会导致安全稳定系数降低10.1%，在开挖第35 d时安全稳定系数甚至<1，表明边坡失稳破坏。相比之下，掺固化液改性土边坡安全稳定系数随施工开挖时间变化降幅较稳定，在固化液掺量5%改性土边坡中，开挖第10 d、20 d、30 d时安全稳定系数较初始开挖第5 d分别减少了6%、12.9%、19.2%，安全稳定系数随每开挖5 d平均降低2.6%，在开挖全过程中安全稳定系数均>1。由此可知，掺固化液改性土边坡安全稳定性得到显著提高，有利于工程建设[12]。

图6 施工过程中不同类型边坡安全系数曲线图

3.2 降雨时长

当降雨时长不同时，边坡稳定性会有所差异，土体吸收水量进而达到饱和状态需要一定的时间，膨胀土的体积膨胀变形的发生是在充足的水分与一定阶段缓慢变形的过程中实现的，因而需要研究改性膨胀土边坡在不同降雨持续时间下的稳定性。

图7为降雨时长影响边坡安全系数变化曲线，从其整体演化特征可看出，随着降雨时间延长，边坡安全系数均降低。固化液掺量为3%边坡在降雨第10 h时安全稳定系数为1.59，而降雨时间每延长10 h，安全稳定系数平均减少8%。在降雨全过程中，固化液掺量为9%边坡的安全稳定系数分布为1.1～2.09，降雨第20 h、40 h安全稳定系数较第10 h时分别减少了3.6%、7.7%，随降雨时间每延长10 h，安全稳定系数平均减少7.5%，即固化液掺量3%、9%改性土边坡在施工开挖后，在降雨时间持续较长的前提下，安全稳定系数均会逼近1。固化液掺量为5%改性土边坡在施工开挖结束时，降雨全过程中安全稳定系数均>1.5，降雨第20 h、30 h时的安全稳定系数较降雨第10 h时分别减少了4.2%、6.4%，安全稳定系数随降雨时间每延长10 h平均降低2.4%。综合认为，即使降雨时间延长或降雨范围扩大，固化液掺量为5%改性土边坡安全稳定性均较高，因而百色高速公路膨胀土高边坡采用掺量5%固化液处理较为适宜。

图7 不同降雨时长下边坡安全系数曲线图

3.3 降雨强度

膨胀土高边坡稳定性不仅受降雨时长影响，也受降雨量的影响。为此，在有限元分析软件中设置不同的降雨量，研究在同一施工开挖时间及降雨时长下，降雨量对改性膨胀土高边坡稳定性的影响变化。

图8为不同降雨强度下改性膨胀土高边坡安全系数特征值。从图中可看出，随着降雨强度增加，不论固化剂掺量多少，其安全稳定系数均随降雨强度增加而递减，在固化液掺量为1%时，降雨强度5 m/s下安全稳定系数为1.17，而降雨强度为35 m/s、65 m/s后，安全稳定系数分别减少了15.3%、38.8%。这是由于降雨强度增大后，突破边坡土层抗渗面层可能性增加，局部渗流活动触发边坡内潜在滑移面形成，导致边坡安全稳定系数减小。当固化剂掺量增加后，受降雨强度影响边坡安全稳定系数的降幅在减小，以固化液掺量5%为例，该类型改性土边坡在降雨强度每增大10 m/s时，其安全稳定系数减小5.3%，而固化液掺量为9%时该降幅为6.9%。由此可见，固化液成分有助于控制边坡内孔隙水压力分布及影响程度，对边坡安全稳定具有促进效应；当固化液掺量为5%时，随降雨强度变化，该边坡工程的安全稳定系数维持在1.6，稳定性较佳。

图8 不同降雨强度下边坡安全系数曲线图

4 结语

(1)固化液掺量与改性土承载能力具有正相关关系，但掺量达到5%后对承载能力的促进效应减弱；围压100 kPa下掺量为1%～5%的试样抗剪强度平均增幅为43.8%，而掺量为5%～9%的试样抗剪强度的平均增幅为6.1%；固化液成分对改性土塑性变形能力有提升，但对弹性变形能力有所限制。

(2)改性土边坡潜在滑移面弱于原状膨胀土边坡；随施工开挖进程，每5 d原状膨胀土边坡安全稳定系数平均降低10.1%，在开挖第30 d时安全稳定系数甚至<1；改性土边坡在开挖全过程安全系数均>1，掺量为5%的改性土边坡安全系数随每开挖5 d平均降低2.6%。

(3)降雨时间愈长，安全系数愈低，随降雨时间延长10 h，掺量为3%、9%的改性土边坡安全稳定系数分别平均减少8%、7.5%，掺量为5%的改性土边坡降雨全过程中安全稳定系数均>1.5，固化液改性剂掺量5%更为适宜。

(4)边坡安全系数均随降雨强度增大而递减，但掺量愈多，改性土边坡安全系数随之降幅愈小，掺量为5%、9%的改性土边坡在降雨强度每增大10 m/s时，安全系数分别减小5.3%、6.9%，掺量为5%的改性土边坡安全稳定状态较优。