垂直裂隙对根-土复合体黄土边坡的稳定性研究

基金项目：陕西省教育厅2023年科学研究计划项目（23JK00699）

第一作者简介：仝宵（1992-），女，助理工程师。研究方向为边坡稳定性分析。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.023

摘" 要：为研究垂直裂隙对根-土复合体黄土边坡稳定性的影响，采用OPTUM G2有限元软件模拟垂直裂隙在干燥和充满水的工况下素土及根-土复合体黄土边坡稳定性。计算结果表明，相对根-土复合体黄土边坡，垂直裂隙充满水的素土边坡坡顶拉裂缝将增大，垂直裂隙宽度相继增大；随着垂直裂隙深度的增加，素土及根-土复合体黄土边坡安全系数均减小；当垂直裂隙充满水且裂隙深度扩展到1.5 m时，素土边坡安全系数下降21.54%左右，根-土复合体黄土边坡安全系数下降8.0%左右。上述研究结果可为生态护坡和水土保持研究提供一定数据参考。

关键词：垂直裂隙边坡；根-土复合体；数值模拟；边坡稳定性；强度参数

中图分类号：TU41" " "文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）21-0097-04

Abstract： In order to study the influence of vertical fissures on the stability of root-soil composite slope， OPTUM G2 finite element software was used to simulate the stability of plain soil and root-soil composite loess slope under dry and saturated conditions. The calculation results show that compared with the root-soil composite loess slope， the tensile cracks at the top of the plain soil slope with vertical fissures filled with water will increase， and the width of vertical fissures will increase， and the safety factors of plain soil and root-soil composite loess slopes will decrease with the increase of vertical fissure depth. When the vertical fissure is full of water and the crack depth extends to 1.5 m， the safety factor of plain soil slope decreases by 21.54%， and the safety factor of root-soil composite loess slope decreases by about 8.0%. The above research results can provide some data reference for the study of ecological slope protection and soil and water conservation.

Keywords： vertical-fissure slope; root-soil complex; numerical simulation; slope stability; strength parameter

路堑边坡中存在大量的垂直裂隙，导致边坡整体或局部稳定性急剧降低，且加之垂直裂隙的存在加大了雨水的入渗，从而导致滑坡等地质灾害的发生，造成严重的经济损失[1-4]。近年来，学者们针对垂直裂隙对边坡稳定性影响展开了许多研究。吕军[5]研究发现土质路堑边坡安全系数与坡顶垂直裂隙深度呈指数函数关系，此外，土质路堑边坡安全系数与垂直裂隙的饱水程度亦呈指数函数关系，且随着垂直裂隙深度的增加，边坡将加剧失稳破坏。赵海容等[6]与何毅等[7]基于极限分析上限定理，发现边坡的安全系数随坡肩和垂直裂隙间距离的增大而减小，但到达某一临界值后，边坡安全系数幅度先增长而后趋于稳定。闫杰等[8]研究发现垂直裂隙充满水时，孔隙水压力增大，可有效应力降低，从而滑动面处的抗剪强度降低，边坡稳定性急剧降低。此外，学者们针对植被根系对边坡稳定性影响展开了许多研究，研究发现植被根系有利于固土护坡，可有效减小水土流失，将显著增强边坡的稳定性[9-10]。

值得注意的是，以上成果分析大多集中分析垂直裂隙对边坡稳定性的影响，但没有考虑根系的存在对干燥垂直裂隙边坡与饱和垂直裂隙黄土边坡稳定性的影响，这对研究生态土坡稳定性具有重要参考意义。鉴于此，本文针对含垂直裂隙的黄土边坡稳定性问题，采用OPTUM G2数值模拟软件，分析了垂直裂隙处于干燥与充满水的工况下，素土及根-土复合体黄土边坡的稳定性，确定不同垂直裂隙深度对素土及根-土复合体黄土边坡破坏模式与安全系数的变化规律，这对分析含垂直裂隙对黄土边坡发生浅层失稳破坏具有重要借鉴意义。

1" 模型的建立与计算工况

1.1" 模型的建立

本文采用OPTUM G2数值模拟软件分析垂直裂隙处于干燥与充满水的工况下素土及根-土复合体黄土边坡的稳定性。模型中的垂直裂隙采用剪切节理来模拟，剪切节理的黏聚力取0，内摩擦角取15.13°。为了模拟充满水的垂直裂隙，即防止垂直裂隙中的水流入边坡，边坡材料选择的是无孔，通过地下水位来指定垂直裂隙中的含水情况。此外，由于土工格栅不能承受单轴压缩和不具备抗弯特性，为此，根-土复合体黄土边坡中的根系采用土工格栅模拟。垂直裂隙边坡数值模型如图1所示，边坡初始含水率为10.5%，数值模型边坡土体的强度参数见表1。

1.2" 计算工况

为研究垂直裂隙对根-土复合体黄土边坡稳定性的影响，分别建立0.0、0.5、1.0和1.5 m垂直裂隙深度下的模型（垂直裂隙距离塬边距离均为1.5 m），其计算工况如下。

工况A：垂直裂隙土体在干燥情况下，分别计算不同垂直裂隙深度的素土及根-土复合体黄土边坡安全系数。

工况B：垂直裂隙在充满水（饱和状态）的情况下，分别计算不同垂直裂隙深度的素土及根-土复合体黄土边坡安全系数。

2" 模拟结果分析

2.1" 破坏模式

图2为垂直裂隙处于干燥与充满水的工况下，素土及根-土复合体黄土边坡潜在滑移面的破坏云图。由图2可知，素土及根-土复合体黄土边坡存在垂直裂隙时，塑性区向坡顶扩展，最终边坡的塑性区将会与垂直裂隙相交，最终的滑动面由垂直裂隙面和塑性贯通面2个部分组成，形成连续贯通的破坏面。当垂直裂隙充满水时，素土边坡坡顶拉裂缝将增大，即坡顶拉应力增大，垂直裂隙宽度相继增大，相比于根-土复合体黄土边坡，素土边坡将会发生失稳破坏。此外，当边坡的根系与垂直裂隙相交时，将很大程度限制边坡垂直裂隙的继续扩展，塑性破坏区相对素土边坡较小，可有效增大边坡的抗滑力，提高边坡的安全系数。

2.2" 安全系数

从图3中可看出，随垂直裂隙深度的增加，垂直裂隙干燥与充满水的工况下，素土及根-土复合体黄土边坡安全系数均呈现降低趋势，当边坡垂直裂隙充满水时，素土及根-土复合体黄土边坡安全系数下降尤为显著。由图3可知，素土及根-土复合体黄土边坡垂直裂隙深度为零，即不存在垂直裂隙时，素土边坡安全系数为1.671，根-土复合体黄土边坡安全系数为1.676。当垂直裂隙处于干燥工况下，边坡垂直裂隙深度扩展到1.5 m时，素土边坡安全系数下降至1.548，下降7.36%左右，根-土复合体黄土边坡安全系数下降至1.605，下降4.24%左右。

由图4可知，垂直裂隙处于充满水的工况下，垂直裂隙深度扩展到1.5 m时，素土边坡安全系数下降至1.311，下降21.54%左右，根-土复合体黄土边坡安全系数下降至1.542，下降8.0%左右。可见，随着垂直裂隙深度的增加，边坡安全系数呈下降趋势，垂直裂隙深度为0.5 m时，对素土及根-土复合体黄土边坡稳定性的影响较小，垂直裂隙深度大于0.5 m时，对边坡稳定性的影响显著，安全系数降低明显，且垂直裂隙处于充满水的工况下，相比素土边坡，根-土复合体黄土边坡安全系数降低较小。出现上述现象说明边坡垂直裂隙深度较小时，垂直裂隙的存在对素土及根-土复合体黄土边坡稳定性的劣化非常小，边坡的安全系数接近于无垂直裂隙的情况。当根系穿过垂直裂隙时，与垂直裂隙周围土体形成乱向分布的“锚钉系统”，可增强该区域土体的强度，减缓边坡发生失稳破坏。

3" 对裂隙黄土边坡的处治建议

工程上对于存在裂隙的黄土边坡的处治建议通常涉及以下几个关键方面。

裂隙调查与分析：首先需要对边坡中的裂隙进行详细的调查和分析，包括裂隙的分布、宽度、深度、走向、倾向及充填情况等，这些因素都会影响边坡的稳定性。

稳定性评估：基于裂隙调查的结果，采用适当的稳定性分析方法（如极限平衡法、有限元法等）对边坡的稳定性进行评估，确定边坡的潜在失稳模式和风险程度。

排水措施：由于水的渗透会显著降低黄土的强度，增加裂隙的发展，因此有效的地表和地下排水措施是必要的。这包括设置截水沟、排水沟、渗沟等，以减少水对边坡稳定性的影响。

加固措施：根据稳定性评估的结果，选择合适的加固措施。常见的加固方法包括注浆加固、锚杆（索）加固、挡土墙和格梁锚固等，以提高边坡的整体稳定性。

植被恢复：在边坡表面实施植被恢复，不仅可以美化环境，还能通过植物的根系作用增强边坡的表层稳定性，减缓水流对边坡的冲刷。

监测与维护：边坡治理后，应实施定期的监测，包括位移监测、裂隙发展监测等，以及时发现潜在的风险，并采取相应的维护措施。

综合处治方案：考虑到裂隙黄土边坡的特殊性，往往需要综合多种处治手段，形成一个系统的处治方案，以确保边坡的长期稳定。

以上措施需结合具体工程条件和地质环境进行优化调整，以确保处治方案的科学性和有效性。

图4" 素土与根-土复合体黄土边坡安全系数随垂直裂隙深度的变化

4" 结论

1）当边坡的根系与垂直裂隙相交时，将很大程度限制边坡中垂直裂隙深度与宽度的继续扩展与延伸，塑性破坏区相对素土边坡较小，可有效增大边坡的抗滑力，提高边坡的安全系数。

2）随着垂直裂隙深度的增加，垂直裂隙干燥与充满水的工况下，素土及根-土复合体黄土边坡安全系数均呈现降低趋势，当边坡垂直裂隙充满水时，素土及根-土复合体黄土边坡安全系数下降尤为显著。

3）当根系穿过垂直裂隙时，与垂直裂隙周围土体形成乱向分布的“锚钉系统”，可增强该区域土体的强度，减缓边坡发生失稳破坏。

参考文献：

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