平缓型膨胀土边坡在干湿循环条件下的稳定性研究

佟 浩

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,辽宁 沈阳 110003）

0 引言

膨胀土作为特殊性土的一种又被称作胀缩性土,其标志性特点为遇水浸泡后体积会产生剧烈膨胀,在失水后体积又会产生显著的收缩。产生此种现象的主要原因在于膨胀土的组成成分中包含了大量的蒙脱石、伊利石等亲水性较强的矿物。由于体变较大,稳定性较差,因此对建筑物、构筑物危害性较大,但此类土在天然状态下往往表现出较高的强度特征和较低的压缩性,容易被作为良好的地基填土使用,加之膨胀土分布广泛,在云南、贵州、广西等10 个省份多有分布,若不做处理将其直接应用于大型建筑物、边坡等场景中,可能会产生难以估量的损失。针对膨胀土边坡的稳定性与破坏机理不少学者展开了研究[1-2],但考虑到边坡类型的多样性,而其中的多数研究主要针对坡度较大的工程边坡,对于平缓型膨胀土边坡的稳定性及破坏机理,则缺少相关的研究数据用以指导工程实际。

本文以辽宁某地的平缓型膨胀土边坡为研究对象,结合干湿循环试验对坡体和滑坡带中表现出的强度参数进行研究,并结合扬布普遍条分法,建立干湿循环作用下的膨胀土边坡稳定性分析方法。

1 研究概况

研究的平缓型膨胀土边坡位于辽宁省某地国道线路附近,该路段地貌类型属于侵蚀地貌丘陵区,地势特征呈现出西南高东北地的趋势。场地的原坡度在7°～9°之间,属于平缓型边坡,路面高程为158 m,道路从西北往东南方向延伸并经过斜坡中间。

滑坡段附近地表水系主要为小溪等间歇性流水,地下水类型主要以孔隙水和裂隙水为主,通过大气降雨的形式进行补充,埋深一般为3.6 m～5.5 m 之间。根据地质勘查结果显示,边坡的构成主要包含了填土、中风化泥岩和残积黏土。其中填土呈现灰白色,由植物根系、碎石等多种物质构成,平均自由膨胀率为47%；残积黏土内部包含呈破碎状的风化岩块,平均自由膨胀率为46%；中风化泥岩呈现深灰色,岩质较软,失水会产生收缩开裂现象,平均自由膨胀率为48%,综合上述结果可以看出,该坡体总体呈现中缩胀性。

由于受到当地降水、地表水系等环境的影响,在路线运营期间,多处路段在路基边坡产生滑移下出现路面沉降开裂,其中最大沉降量达到20 cm。产生滑坡的坡面后缘处有多条长度为1 m～18 m,深度1 m～2.5 m 不等的羽状裂缝,填方段路基的下沉量在0.4 m～0.9 m 之间。

2 研究方法

2.1 现场勘察

为了明确滑移面的形状和和位置所在,需要对边坡地层进行现场勘察。本文所使用的方法为开挖探槽结合轻型动力触探试验进行。通过开挖探槽获取地层的组成类型,轻型动力触探试验则可以对地层的软弱夹层进行识别。其中图1（a）所示为探槽开挖测量图,图1（b）所示为地层的分布情况图。

图1 探测槽开挖后土层的分布情况

根据轻型动力触探试验的结果,得到了贯入击数和贯入深度关系曲线,见图2。其中N10为贯入深度达到30 cm 时的贯入击数,贯入深度用h表示。

图2 典型贯入击数的N10 和h 关系曲线

通过图2 的测试结果可以看出,贯入锤击的次数在贯入深度达到3.3 m 左右时呈现出急剧下降的趋势,此结果表明在3.3 m 深度左右的地层力学性能较差,可认为该地层为边坡滑动带。结合贯入结果和地层分布情况可进一步推测出此边坡的破坏类型为浅层失稳破坏,属于典型的膨胀土边坡破坏模式。

2.2 干湿循环试验

为了明确干湿循环和膨胀土边坡失稳之间的相互关系和获取坡体和滑坡带在干湿循环中表现出的强度参数,需要设计干湿循环试验。本文所用膨胀土取自上文所述边坡滑动带处的原状膨胀土,其各项物理参数见表1。

表1 取样膨胀土的基本物理参数

将取得的膨胀土样本进行碾碎、烘干后筛分,将样本制备成压实度达到90%的环刀试样,式样共制备五组,每组两个。将五组式样分别按干湿循环次数0、2、4、6、8 次进行编号,按照顺序分别编号为对照组A 和B、C、D、E 四个试验组。由于根据现场勘察结果显示当地的膨胀土在自然状态下含水率在10%～34%区间内不等,因此对干湿循环试验的含水率上下限设置为下限为10%,上限为35%。

本试验采用的含水率改变方法为滴定管滴定结合烘箱烘干的方法进行模拟。即对试验组式样采用滴定管将水滴定在试验上,并在滴定后称取并记录式样质量,直至式样含水率达到设定的上限含水率35%。之后将式样置于温度设定为40℃的烘箱中进行烘干,并不定时称取并记录式样质量,直至式样达到下限含水率10%,此过程视为一次干湿循环。之后对完成干湿循环预定次数的式样按照《土工试验方法标准》进行直剪试验用以获取式样的强度结果。

3 结果分析

3.1 强度分析

通过分别对A、B、C、D、E 五组在0、2、4、6、8 次干湿循环后进行的直剪试验,得到了不同干湿循环次数下的膨胀土式样抗剪强度参数结果,并将结果绘制成了如图3 所示的不同干湿循环次数下的膨胀土抗剪强度参数变化图。

图3 不同干湿循环次数下的膨胀土抗剪强度参数变化情况

图3 为不同干湿循环次数下的膨胀土抗剪强度参数变化结果,从图中可以看出随着干湿循环次数的增加,抗剪强度参数黏聚力基本呈现降低的趋势,表明随着干湿循环的作用,膨胀土土体内部结构会遭到一定程度的破坏,导致抗剪强度的降低,其中随着循环次数的增大,黏聚力降低较为显著,在经过8 次的干湿循环后黏聚力衰减到10.5 kPa 左右,衰减幅度达到了52%。同时黏聚力的衰减幅度随着干湿循环的次数呈现降低的趋势,在达到第8 次干湿循环时降至最低。表明现场的边坡滑塌破坏主要原因在干湿循环作用下黏聚力降至最低值所致；相较于黏聚力,内摩擦角随干湿循环的次数增加变化幅度较小,总体在11.2°～11.6°区间内变化,其可能原因在于膨胀土式样在经历胀缩变化后,其总体的表面特征未发生明显改变,使得内摩擦角总体上变化幅度也不大。

3.2 基于扬布普遍条分法的安全系数模型

采用条分法对膨胀土的边坡稳定性进行分析时,需引入膨胀力的概念。膨胀力为边坡坡体内力的一种[3],多存在于土体滑坡体之间,因此地基反力应等于膨胀力。但本文根据土条块的受力模式分析认为地基反力应小于膨胀力,在确定膨胀力之后,便可以通过原地基反力和膨胀力的差值确定新的地基反力。

图中P'lin为膨胀力分解后垂直向的分力；为膨胀力分解后水平向的分力；水平向膨胀力；yi和yi-1分别为第i和第i-1 条块的侧边切应力；Ei和Ei-1分别为第i和第i-1条块的侧边法应力；Pi和Pi-1分别为第i和第i-1 条块的侧边膨胀力；Wi为第i条块的自重应力；Wi为滑裂面在第i条块的抗滑移力；Ni和N'i分别为原地基反力和新地基反力；Pli为膨胀力。

基于扬布普遍条分法,条块在竖直方向上存在：

上式可以变化为：

将（2）进行变化可以得到：

由于在（3）中Ti主要由膨胀土的抗剪强度所决定,因此Ti必须满足：

式中：Fs为安全系数；φ为内摩擦角；c为黏聚力。

根据条块水平向的受力平衡可知：

式（5）可以变化为：

由式（3）、式（4）、式（6）可得：

在式（7）中：

由于在扬布普遍条分法中规定,各个条块之间的法向应力累加和应为0,即：

则结合式（9）的限定条件,可将式（7）转化为求取安全系数的公式,即：

通过式（10）便可以对膨胀土边坡的安全系数进行计算从而可以对膨胀土边坡的稳定性进行定量分析。

3.3 膨胀土边坡的稳定性分析

基于前文得到的安全系数计算模型,对某地国道线路附近的平缓型膨胀土边坡稳定性进行计算研究,将滑体共划分为10 个条块,分别采用不考虑膨胀力影响的情况、文献[3]的计算方法和本文所提出的计算方法进行对比,并绘制了图4。

图4 干湿循环作用下的膨胀土边坡安全系数变化情况

图4 所示为不同方法下的干湿循环作用下的膨胀土边坡安全系数变化情况,从图中可以看出在无干湿循环时,膨胀力会降低边坡的安全系数,但边坡基本处于稳定状态,随着干湿循环的进行和次数的增多,安全系数呈现出降低的趋势且降幅也随之减小,其变化趋势与土体的抗剪强度大致相当。在达到8 次的干湿循环时,文献[3]所给出的方法得到的安全系数为1.6,此时边坡处于稳定状态,而实际边坡已经失稳；考虑到对边坡的简化处理,本文所给出的方法计算得到的安全系数为1.05,略大于1,此时边坡状态接近于失稳,与实际结果最为接近,可见对于平缓型膨胀土边坡的稳定性分析,本文的方法更加贴近实际。

4 结论

本文以辽宁某地的平缓型膨胀土边坡为研究对象,结合干湿循环试验对坡体和滑坡带中表现出的强度参数进行研究,并结合扬布普遍条分法,建立了干湿循环作用下的膨胀土边坡稳定性分析方法,并得出了如下结论：

1）随着干湿循环的作用,膨胀土土体内部结构会遭到一定程度的破坏,导致抗剪强度的降低,致使膨胀土边坡稳定性降低。

2）在无干湿循环时,膨胀力会降低边坡的安全系数,随着干湿循环的进行和次数的增多,安全系数呈现出降低的趋势且降幅也随之减小。