考慮裂隙和膨脹力的膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析

白玉祥，韋秉旭，鄭 威，楊 超

(長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114)

降雨誘發(fā)膨脹土邊坡的失穩(wěn)機理和穩(wěn)定控制技術一直是道路工程的研究熱點。膨脹土邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象多發(fā)于雨季，南水北調(diào)工程陶岔引丹渠首處邊坡[1]在長歷時降雨的影響下，滑坡規(guī)模達到了30萬m3，延吉盆地新巖村鄉(xiāng)道周圍坡體屢治屢滑[2]，諸多工程實例表明，降雨是膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要誘因[3]。在大氣降雨的影響下，膨脹土邊坡失穩(wěn)具有淺層性、逐級牽引性和季節(jié)性的特征[4]。區(qū)別于一般黏性土，膨脹土內(nèi)部高含量的蒙脫石和伊利石等強親水性礦物導致其具有特殊的脹縮性、裂隙性及超固結(jié)性三大性質(zhì)[5]。由于膨脹土對氣候和濕度變化敏感的特點，膨脹土邊坡土體在氣候營力作用下會形成一定深度的風化影響帶[6]，影響帶深度內(nèi)裂隙較發(fā)育，裂隙不僅會對土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的損傷，導致強度降低，形成軟弱結(jié)構(gòu)面。同時，裂隙也為雨水入滲和蒸發(fā)提供了便利通道，不僅改變了其滲透性，還導致深層土存在膨脹潛勢[7]，且膨脹土經(jīng)雨水浸潤后會產(chǎn)生較大的膨脹變形。由于坡面和坡體內(nèi)部土體所受的上覆壓力不同，邊坡內(nèi)部土體在濕度劇烈變化及膨脹變形受到約束時，會產(chǎn)生膨脹力，造成應力集中，嚴重影響邊坡穩(wěn)定，易造成滑坡和坍塌等災害。因此，探究膨脹土邊坡的失穩(wěn)機理，必須明確裂隙及膨脹力對此類工程問題的危害。

國內(nèi)外學者對膨脹土邊坡的失穩(wěn)成因進行了探索，從不同角度剖析了裂隙對邊坡失穩(wěn)的影響。殷宗澤[8]將裂隙與膨脹土邊坡不同于一般粘性土邊坡的失穩(wěn)特點聯(lián)系起來，認為裂隙是導致強度降低和邊坡失穩(wěn)的主要禍因。孫慧[9]等分析了裂隙強度、傾角和貫通率等諸多因素對穩(wěn)定性的影響，得出了裂隙貫通率越大、邊坡安全系數(shù)越小的結(jié)論。李雄威[10]通過二值化處理，得到了裂隙率與土體含水率的關系，建立了裂隙影響下的雨水入滲計算模型，得出當膨脹土裂隙率較高時，邊坡在降雨過程中易達到危險狀態(tài)。張維[11]等基于定量化的裂隙描述，分析了裂隙的不同位置對邊坡穩(wěn)定性的影響，得出了邊坡潛在滑移面是由裂隙發(fā)育深度決定的，而裂隙位置的影響較小。以上研究僅考慮了膨脹土的裂隙性，從裂隙及強度降低的角度定義了膨脹土邊坡的失穩(wěn)機理。但在諸多的工程實踐中，采用峰值強度計算出的膨脹土邊坡穩(wěn)定系數(shù)并不能保證邊坡穩(wěn)定，引入裂隙后采用的殘余強度又與工程實際存在較大偏差，考慮到膨脹土經(jīng)降雨或地下水位變化產(chǎn)生的膨脹變形也直接影響著邊坡穩(wěn)定，程展林[12]等通過大型靜力模型試驗，得出膨脹土邊坡失穩(wěn)是由于干濕分界面處土體經(jīng)雨水入滲后濕度狀態(tài)的不同，從而導致膨脹變形的不均勻分布，即脹縮特性是導致膨脹土邊坡失穩(wěn)的最根本原因；鄭俊杰[13]通過FLAC3D軟件中的有限差分手段，編制FISH語言，考慮了膨脹土隧道的非飽和滲流和增濕膨脹效應，認為膨脹系數(shù)會改變隧道支護結(jié)構(gòu)的應力場分布，進一步說明考慮膨脹性的必要；張良以[14]假定膨脹應變和基質(zhì)吸力增量的線性關系，建立了膨脹應變-滲流-應力的多場耦合計算方法，通過算例模擬了膨脹土邊坡的漸近性破壞過程，得出了邊坡失穩(wěn)不僅與強度參數(shù)的變化有關，還與膨脹特性有密切聯(lián)系。

上述研究主要從吸濕產(chǎn)生膨脹變形來探討降雨入滲對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響，以膨脹力的角度開展膨脹土邊坡穩(wěn)定性影響的研究內(nèi)容尚不深入，且多數(shù)研究以單因素層面考慮，具有較大的局限性和不確定性。本文以南鄧高速匝道處的膨脹土塹坡為例，開展了恒體積法試驗，得出不同含水率下膨脹力的分布規(guī)律，以合理的簡化及假設，將膨脹力引入到穩(wěn)定系數(shù)的計算公式中。通過模擬不同的降雨方案，研究膨脹土邊坡滲流場的時空變化規(guī)律，即綜合考慮了裂隙性及膨脹力，探究在不同膨脹力施加情況及降雨工況下膨脹土邊坡的失穩(wěn)機理。

1 考慮膨脹力的邊坡穩(wěn)定性計算

1.1 膨脹力的形成

膨脹力的形成與土體的濕度狀態(tài)、初始干密度及所受上覆荷載有著密切關系[15]。膨脹力本質(zhì)上是土顆粒間的楔力[16]，在吸濕過程中，蒙脫石水化后形成水膜夾層，水膜隨含水率的增大持續(xù)增厚，當外部約束可以抵御因水膜增厚造成的體積變形時，楔力經(jīng)土顆粒向外傳遞，產(chǎn)生膨脹力，因此，可假設膨脹力P與含水率增量Δw存在函數(shù)關系，表達式為

P=f(Δw).

(1)

1.2 恒體積法測量膨脹力

本文采用恒體積法測得膨脹力，恒體積法即控制膨脹土在增濕過程中的體積變形，同時實測待膨脹穩(wěn)定后約束膨脹變形的上覆荷載值，即膨脹力。為獲得與實際工況相吻合且具有代表性的樣品，試驗土取自南鄧高速匝道附近膨脹土塹坡原狀膨脹土，鉆孔取樣深度為2 m，土體參數(shù)如表1所示。

表1 土樣基本物理指標

實驗過程中首先控制過程含水率wi，可由式(2)反算土體欲達該含水率時所需的加水量，從而得到含水率增量Δw與膨脹力P的曲線變化圖，如圖1所示，并通過數(shù)據(jù)處理得到膨脹力P與含水率增量的擬合方程式

(2)

圖1 膨脹力與含水率增量變化曲線

P=-1.333 3(Δw)2+24.411Δw+9.189 7.

(3)

式中：mw為所需加水量；m0為天然初始含水率下濕土質(zhì)量；w0為初始含水率；P為膨脹力；Δw為含水率增量。

1.3 考慮膨脹力的邊坡穩(wěn)定性計算

膨脹土渠段實測資料及工程經(jīng)驗顯示，膨脹土邊坡易在雨期內(nèi)因水分遷移發(fā)生淺層滑動，裂隙經(jīng)雨水貫通后會擴大邊坡的滑動范圍，滑動形式為逐級牽引型[14]，滑動面形狀為圓弧形，由文獻[17]可知圓弧形滑動面的邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算公式為

(4)

式中：Kf為穩(wěn)定系數(shù)，Wi為第i塊土條重量，Nwi為孔隙水壓力，RDi和TDi分別為由滲透壓力產(chǎn)生的平行及垂直于滑面的分力，αi為第i塊滑面傾角，A為地震加速度,φi為第i塊土條內(nèi)摩擦角。

對于膨脹土邊坡，上式忽略了土體增濕后產(chǎn)生的膨脹力，應用時具有較大的不確定性和局限性。本文通過合理簡化，將膨脹力P以條間作用力的形式引入，在降雨過程中，膨脹力與滲透壓力都隨含水率的變化而變化，因此，可將膨脹力在水平向及垂直向的分力考慮進滲透壓力的計算，改進后的RDi和TDi為

RDi=Nωisinβisin(αi-βi)+Pli，

(5)

TDi=Nωisinβicos(αi-βi)+P(hi1-hi2)cosαi.

(6)

式中：βi為地下水流向。

改進后的穩(wěn)定系數(shù)計算公式為

(7)

式中：P為隨含水率變化的膨脹力，hi1和hi2為第i塊土條左右兩側(cè)高度，l為土條底部長度。

2 數(shù)值模型及分析

2.1 計算模型及方案

由勘測資料可知，南鄧高速K84+400～K84+600段膨脹土塹坡的坡高為18 m，形式呈折線形，坡率分別為1∶1.75和1∶3.5。地下水位處在地面以下約8 m處，經(jīng)過現(xiàn)場鉆孔取樣可知，長期的干濕循環(huán)和風化作用導致該塹坡土體表層裂隙發(fā)育，土體大約分為兩層，上層土為顏色呈棕黃色的中等膨脹土，厚度約為2 m，裂隙發(fā)育明顯；下層為褐黃色中等膨脹土。邊坡表面設置降雨邊界條件，模型底面、左側(cè)豎直面、右側(cè)豎直面均為不透水面。選取A-A、B-B兩個計算截面，計算模型如圖2所示。

圖2 邊坡剖面

2.2 材料參數(shù)及初始條件

通過室內(nèi)壓力板試驗測得了2 m和4 m處膨脹土的土水特征曲線，考慮到膨脹土裂隙區(qū)土體滲透系數(shù)明顯大于非裂隙區(qū)，以往采用較多的等效滲透系數(shù)法為擴大百倍至千倍，通過與雙環(huán)滲透實驗數(shù)據(jù)的對比，采用與實際工況更符合的原始數(shù)據(jù)，并運用VG模型進行擬合，結(jié)果如圖3和圖4所示。邊坡的初始孔隙水壓力場如圖5所示。

圖3 不同深度膨脹土的土水特征曲線

圖5 初始孔壓力分布云圖

為研究降雨強度和歷時對邊坡滲流場的影響規(guī)律,根據(jù)鄧州市近30年的氣象資料,設置三組不同降雨強度及降雨歷時的試驗組,各組試驗參數(shù)如表2所示。

表2 各組別試驗降雨參數(shù)

2.3 瞬態(tài)滲流變化規(guī)律

圖6、圖7、圖8為兩個計算截面在不同降雨方案下的孔隙水壓力分布云圖，從圖中可以看出，在均勻降雨邊界作用下，不同截面土體的孔隙水壓力有著不同程度的增大。以A-A截面為例，不同降雨工況下的影響深度分別為3.4 m、3 m和4.8 m，由于三組方案的雨強均大于飽和滲透系數(shù)，因此，雨強最大的方案二雖然在降雨初期的入滲量較大，但當坡體內(nèi)部達到快速達到飽和狀態(tài)時，降雨強度和滲透系數(shù)的相對關系也會隨之發(fā)生變化，降雨在坡表形成的徑流對坡面的沖刷效果大于其對坡體滲流場的影響。與圖8對比發(fā)現(xiàn)，在相對較小的雨強和較長的降雨歷時下，雨水滲入邊坡后難以形成徑流排出坡體，在表層土體逐漸達到飽和后，在重力勢能和一定坡比的影響下，雨水持續(xù)下滲，造成了濕潤鋒即孔隙水壓力的最大變化深度向下部推進，導致了方案三下的邊坡受降雨影響的深度最大。但濕潤鋒的發(fā)展深度有限度，同裂隙較為發(fā)育的上層土厚度相近，而濕潤鋒以下更深層的土體近乎不受降雨影響，這是由于膨脹土受大氣影響的深度存在

圖7 不同計算截面的孔隙水壓力分布(降雨方案二)

圖8 不同計算截面的孔隙水壓力分布(降雨方案三)

界限值，深層土的滲透系數(shù)變化甚微。上下土層分界面及以上的土體隨著雨水的入滲逐漸達到飽和狀態(tài)后，由于下層土的超固結(jié)性和低滲透性，其滲透系數(shù)遠小于降雨強度，雨水在無法及時排出坡體的情況下，積聚在土層的分界面附近，在計算時長內(nèi)難以入滲到邊坡深部與地下水相連，所以膨脹土邊坡受降雨的影響深度與大氣影響深度接近，即降雨對膨脹土邊坡滲流場的影響是淺表性的。

對于不同的計算截面，以圖7為例，在相同的降雨條件下A-A截面孔隙水壓力的變化深度明顯大于B-B截面，影響深度分別為2.8 m、2.4 m，其原因為選取的兩個計算截面裂隙深度不同。A-A截面的上部處于多裂隙和滲透性較大的表層土區(qū)域，雨水首先順著表層土內(nèi)部的裂隙垂直入滲，隨著降雨歷時的發(fā)展，雨水在形成坡表徑流后沿著裂隙側(cè)壁向裂隙底部持續(xù)下滲，即裂隙深度決定了雨水下滲深度。B-B截面處于邊坡的上層土下端和二級邊坡坡腳附近，裂隙深度較淺，因而在三種降雨方案下影響深度均小于A-A截面。

當降雨停止后，缺少雨水供給的邊坡土體孔隙水壓力會逐漸消散，消散速度對比于正孔隙水壓力的形成速度較慢，如圖8所示。停雨4 d后，A-A與B-B截面消散的幅度分別為130 kPa和100 kPa，且整個停雨期內(nèi)保持這種趨勢。其原因為A-A截面所處的裂隙底部經(jīng)雨水浸潤后形成蒸發(fā)面，在坡表和貫通裂隙的蒸發(fā)作用下，孔隙水壓力逐漸消散，位于二級邊坡坡腳的B-B截面存在坡體內(nèi)部和地下水位的少量供給，出現(xiàn)了孔壓消散較慢的特點。

2.4 穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律

為研究不同降雨工況及膨脹力對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，設置了四組降雨方案，各組別的降雨參數(shù)如表3所示。

表3 各組別試驗降雨參數(shù)

通過Slope模塊模擬出膨脹土邊坡在不同工況下的最危險滑動面，并獲取滑動面上各土條信息，由土條過程含水率算得含水率增量從而反算膨脹力，并將各計算參數(shù)代入式(7)中，通過excel軟件實現(xiàn)穩(wěn)定系數(shù)計算。膨脹土強度與裂隙發(fā)育狀況息息相關，充分考慮裂隙影響后，通過原狀土直剪試驗，可得到2 m和4 m處的土體c、φ值，分別為11.23 kPa、15.9°和34.52 kPa、19.5°，并將該強度參數(shù)賦值于Slope模塊。

圖9所示為方案一和方案二下的穩(wěn)定系數(shù)變化曲線圖。在相同的降雨歷時下，降雨強度決定了膨脹土邊坡的穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律。如圖9(a)所示，在降雨初期，膨脹土邊坡的穩(wěn)定系數(shù)急劇下降，兩種工況下的穩(wěn)定系數(shù)均小于1，說明邊坡已達到失穩(wěn)狀態(tài)。這是由于雨水順著膨脹土的原生裂隙迅速入滲，導致實際入滲率較大，裂隙周圍及底部的土體快速吸水達到暫態(tài)飽和狀態(tài)，負孔隙水壓消散的同時不僅使土體的重度增大，還導致滲透力在水平及垂直向的分力增大，且膨脹土在濕度變化后形成了膨脹力，進一步加劇了邊坡滑動，致邊坡逐漸失穩(wěn)。對比兩種工況，方案二比方案一條件下的穩(wěn)定系數(shù)小了約0.3，且整個計算時長內(nèi)都保持這種趨勢。同滲流規(guī)律相似，降雨強度越大、土體持水量增加越快，雨水在裂隙的底部及上下土層的分界面匯集，使得該區(qū)域膨脹土體受水的浸泡發(fā)生軟化和充分的膨脹變形，在周圍土體的約束下膨脹力形成，造成局部剪切破壞，進一步降低了穩(wěn)定系數(shù)。降雨停止，穩(wěn)定系數(shù)并沒有馬上回升，而是繼續(xù)降低，在計算時長約為6 d后才開始回升，穩(wěn)定系數(shù)的回升相對于降雨停止時間具有明顯的滯后性。

圖10顯示了在相同降雨強度下方案三與方案四的穩(wěn)定系數(shù)變化曲線。在降雨時長內(nèi)，膨脹土邊坡的穩(wěn)定系數(shù)持續(xù)走低，降雨持續(xù)15 d時膨脹土邊坡的穩(wěn)定系數(shù)由1.945下降到0.962，降雨20 d時降至0.918，在降雨的前10 d內(nèi)，穩(wěn)定系數(shù)的下降明顯。主要原因為：隨著降雨的持續(xù)，上層土的濕度狀態(tài)逐漸演變?yōu)闀簯B(tài)飽和狀，重度及孔隙水壓力增大，同時，由于滲透力和膨脹力的不斷發(fā)展，上部區(qū)域土體顆粒間的有效應力減小，使得抗剪強度不斷降低。在降雨歷時由15d增長至20d的過程中，由于上下土層的滲透性和濕度狀態(tài)的不同，受水力梯度及下層土的吸力影響，雨水緩慢的向下運移，進一步擴大了暫態(tài)飽和區(qū)的范圍?？偟膩砜?，在降雨強度相同的情況下，降雨歷時越長邊坡的穩(wěn)定性就越差。

通過對比不同的計算模式，由圖9(a)和圖10(b)可知，穩(wěn)定系數(shù)的總體變化規(guī)律在是否考慮膨脹力作用時是相同的，隨著降雨持續(xù)，安全性減小，從數(shù)值上看兩種計算模式有著較大區(qū)別。圖9(a)和圖9(b)在降雨時長為3 d時，未考慮膨脹力情況下穩(wěn)定系數(shù)為0.992，而考慮膨脹力穩(wěn)定系數(shù)為0.691，圖10(a)和圖10(b)在降雨15d時穩(wěn)定系數(shù)差值約為0.2，總體來看兩種計算模式下穩(wěn)定系數(shù)的差值約為30%。造成這種差異的原因是由于在雨期內(nèi)，不同區(qū)域土體的水分變化有差異，從而造成膨脹變形量的不均勻分布。首先上下土層受裂隙性的影響，上層土較下層土的含水率變化明顯，且隨著降雨的持續(xù)上下土層之間逐漸形成明顯的飽和-非飽和分界面，該分界面處的水力梯度較大，導致土體膨脹變形量的梯度也較大，從而產(chǎn)生了較大的剪應力及附加膨脹應力，形成了應力集中區(qū)域。從強度上反映會使土體接近強度包線而發(fā)生剪切破壞，且上層土在含水率急劇增大的同時，滲透力對坡體內(nèi)部的水平應力有顯著影響，引起應力場的重新分布。該渠段的二級邊坡坡腳處受到降雨及上層土內(nèi)部水分的供給，濕度變化幅度較大，該區(qū)域率先形成局部滑動面，在滑塊間的相互作用及水平和膨脹應力的逐步釋放影響下，坡體內(nèi)部土體形成了張拉裂縫，進一步加劇了邊坡的滑移。從穩(wěn)定系數(shù)計算公式看，RDi的不斷增大和膨脹力的引入使得穩(wěn)定系數(shù)不斷減小，從而證明了膨脹特性對于邊坡穩(wěn)定性分析具有重要意義。

圖9 不同降雨強度下穩(wěn)定系數(shù)隨時間變化曲線

圖10 不同降雨歷時穩(wěn)定系數(shù)隨時間變化曲線

3 結(jié) 論

1)采用恒體積法開展膨脹力隨含水率變化的試驗，得到了膨脹力與含水率增量的擬合方程，將膨脹力簡化后以條間力形式引入到傳統(tǒng)的圓弧形滑動面穩(wěn)定系數(shù)的計算公式中，建立了一種考慮膨脹力的降雨型膨脹土邊坡穩(wěn)定系數(shù)的計算方法。

2)降雨強度、降雨歷時和裂隙深度共同決定了膨脹土邊坡在雨水入滲下的影響深度，且該深度范圍同膨脹土邊坡在氣候營力作用下的風化帶深度相近，該深度內(nèi)土體孔隙水壓力隨著降雨入滲持續(xù)增大。停雨期內(nèi)，裂隙底部會形成新的蒸發(fā)面，孔隙水壓力消散較快。

3)膨脹力施加與否嚴重影響穩(wěn)定系數(shù)的大小，兩種計算模式下穩(wěn)定系數(shù)差值約為30%。在降雨影響下，膨脹力的發(fā)展不僅使坡體內(nèi)部形成剪應力集中區(qū)，引起局部滑動，滑塊在膨脹力的逐步釋放下也會形成張拉裂縫，進一步降低土體顆粒間的有效應力，因此膨脹力是影響邊坡穩(wěn)定的關鍵因素。