滕珂，楊果林，易岳林

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膨脹土路塹柔性護(hù)坡整體穩(wěn)定性計(jì)算方法

滕珂1，楊果林1，易岳林2

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2. 安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽合肥，230000)

基于柔性護(hù)坡具有完善的防排水體系，能夠減小雨水對(duì)膨脹土路塹邊坡的影響，并防止裂隙發(fā)展，將膨脹土坡劃分成3個(gè)區(qū)域即裂隙區(qū)、非飽和區(qū)和飽和區(qū)，分別取不同的強(qiáng)度指標(biāo)并加入膨脹力作用。采用積分法計(jì)算安全系數(shù)。研究結(jié)果表明：采用積分法所得安全系數(shù)比采用傳統(tǒng)條分法所得結(jié)果高33%；考慮膨脹力與不考慮膨脹力相比安全系數(shù)減小15%。該方法能更好地反映放排水系統(tǒng)和護(hù)坡體加筋的效果以及膨脹土在無(wú)水條件下高強(qiáng)度的特性。

柔性支護(hù)；膨脹土；安全系數(shù)；穩(wěn)定性計(jì)算

膨脹土在自然條件下多呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)，結(jié)構(gòu)致密，干時(shí)堅(jiān)硬，遇水軟化[1]。這種特性使得膨脹土地區(qū)的土坡無(wú)論是路堤、路塹還是渠道邊坡等常產(chǎn)生滑坡，給工程建設(shè)帶來(lái)巨大災(zāi)害。常規(guī)的膨脹土路塹加固措施分坡腳支擋和坡面支護(hù)2部分。坡腳支擋結(jié)構(gòu)主要有樁板墻、樁間擋土墻、重力式路塹擋土墻等剛性支擋結(jié)構(gòu)；坡面防護(hù)措施普遍采用灌草護(hù)坡、截水骨架護(hù)坡、錨桿框架梁護(hù)坡和支撐滲溝等。常用的膨脹土邊坡都屬于剛性支護(hù)。剛性支護(hù)不允許土體產(chǎn)生變形，當(dāng)土體的脹縮變形較大時(shí)，常常會(huì)造成支護(hù)設(shè)施被膨脹力所破壞[2]。在既有的膨脹土路塹坡腳支擋工程中，除樁板墻、樁間擋土墻等強(qiáng)支擋結(jié)構(gòu)能阻止膨脹土由于路塹坡腳失穩(wěn)病害發(fā)生外(但造價(jià)高，且這類工程仍難以避免樁頂以上邊坡的坍滑)，其余支擋措施會(huì)偶爾出現(xiàn)擋墻傾斜、滑移甚至被推倒的現(xiàn)象。采取坡面防護(hù)措施時(shí)，不僅坡面開槽施工難度大、工藝要求高，而且槽體難以填充密實(shí)以至于成為地表水下滲的主要通道，致使坡面土體流失，加之坡面難以被植被快速覆蓋，因而容易產(chǎn)生邊坡的反復(fù)脹縮變形，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡坍滑破壞。鄭建龍等[3]提出“以柔治脹”，建議采用柔性支護(hù)治理膨脹土邊坡。其特點(diǎn)是邊坡不但能承受土壓力，而且允許土體產(chǎn)生一定變形，可吸收邊坡土體因超固結(jié)引起的應(yīng)力釋放和含水率變化產(chǎn)生的膨脹能，因此，柔性支護(hù)非常適合膨脹土邊坡。柔性支護(hù)是以土工合成材料加筋邊坡土體為主，輔以其他必要綜合處理措施的處理方案, 主要有加筋土擋墻和加筋邊坡等。許巖等[4?5]對(duì)膨脹土加筋土擋墻進(jìn)行了研究，但加筋土擋墻主要適用于路堤邊坡，路塹邊坡宜使用換填量較小的加筋土坡。Radoslaw等[6]認(rèn)為加筋土坡的破壞面接近于對(duì)數(shù)螺旋面。崔新壯等[7?10]基于這一理論對(duì)加筋土坡穩(wěn)定性及臨界高度進(jìn)行了研究。但是，膨脹土柔性支護(hù)的作用與常規(guī)加筋土護(hù)坡的作用并不相同，其目的在于利用加筋后各種加筋效應(yīng)的綜合作用來(lái)有效約束回填土，并利用加筋土體的整體性及自重形成一個(gè)“柔性保護(hù)層”壓在所防護(hù)的膨脹土邊坡上[11]，所以，常規(guī)加筋土護(hù)坡的穩(wěn)定計(jì)算方法是否適用于膨脹土柔性支護(hù)還有待研究。趙文建等[12?14]對(duì)公路膨脹土路塹柔性支護(hù)作用機(jī)理、柔性支護(hù)與傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對(duì)比、柔性支護(hù)施工技術(shù)與工藝等進(jìn)行了研究，但對(duì)這種新型膨脹土邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究較少。云桂(云南昆明—廣西桂林)鐵路穿越百色地區(qū)，受到膨脹土的嚴(yán)重威脅，為此，在云桂鐵路大規(guī)模開工之前，本文作者于膨脹土地段選取路基試驗(yàn)段對(duì)膨脹土路塹邊坡柔性支護(hù)進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用。通過(guò)該試驗(yàn)工程的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，結(jié)合極限平衡法對(duì)膨脹土柔性支護(hù)穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)行研究。

1 膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞的因素

對(duì)于普通的簡(jiǎn)單均質(zhì)邊坡，采用常見的穩(wěn)定性分析方法如極限平衡或者數(shù)值分析方法，均能較好地滿足設(shè)計(jì)需求。膨脹土邊坡失穩(wěn)通?；谂蛎浲恋奶厥庑浴?duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，應(yīng)考慮裂隙、膨脹力的影響、邊坡濕度變化范圍。

1.1 裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

根據(jù)殷宗澤等[15]的研究，膨脹土表面的裂縫是導(dǎo)致膨脹土邊坡淺層滑動(dòng)的重要原因。裂縫對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：裂縫顯著降低了土的強(qiáng)度；裂縫開展深度將本來(lái)均一的坡體劃分成強(qiáng)度顯著不同的上下土層；裂縫使雨水快速滲入、積聚，并形成較大滲透力。這些因素綜合在一起就導(dǎo)致膨脹土邊坡易于失穩(wěn)。

1.2 膨脹力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

膨脹土對(duì)建筑在道路或者輕型建筑物的主要破壞來(lái)自吸水增濕后的膨脹力。根據(jù)物理概念，膨脹力是指土體含水率增加但體積不發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的力。影響膨脹力的因素有很多，如土體的細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、含水率、干密度以及應(yīng)力等[16?17]。

膨脹土遇水發(fā)生膨脹，在土體內(nèi)部產(chǎn)生一定的膨脹勢(shì)，當(dāng)邊坡表面無(wú)約束而容許土體自由膨脹時(shí)，膨脹力完全釋放并消失；當(dāng)土體變形受到部分限制時(shí)，膨脹力部分釋放，而保留一部分與限制壓力相抗衡；當(dāng)土體被完全約束而不發(fā)生任何膨脹變形時(shí)，其土體內(nèi)部的力才是通常意義的膨脹力。

膨脹土的膨脹力對(duì)建筑在其上方的土木建筑有較大影響，但對(duì)膨脹土邊坡的破壞是否有驅(qū)動(dòng)作用，研究者的意見不太一致。殷宗澤等[15]認(rèn)為在條分法中，膨脹力并不像重力一般由外部施加，當(dāng)邊坡含水量增加時(shí)，滑動(dòng)體下方的土體會(huì)產(chǎn)生對(duì)上部的膨脹勢(shì)，但膨脹力是地基土反力的一部分，而不是作用于滑動(dòng)體上的額外反力，不會(huì)影響滑動(dòng)體上力平衡。鄭長(zhǎng)安[18]認(rèn)為膨脹土存在作用力與反作用力關(guān)系，當(dāng)邊坡存在位移約束時(shí)，滑動(dòng)面的兩側(cè)存在一組反力。對(duì)于土條，其地基反力應(yīng)為原來(lái)地基反力與膨脹力之和。本文作者認(rèn)為邊坡支護(hù)對(duì)邊坡有約束，其中剛性支護(hù)為完全約束，地基反力應(yīng)為原來(lái)地基反力與膨脹力之和；柔性支護(hù)為部分限制土體變形。地基反力應(yīng)為原來(lái)地基反力與折減的膨脹力之和。

1.3 邊坡濕度變化區(qū)域?qū)吰路€(wěn)定性的影響

黏膜性土坡一般處于非飽和狀態(tài)，但目前工程上都采用飽和土強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。膨脹土也是一種非飽和土，其透水性差、膨脹性越強(qiáng)的膨脹土，滲透系數(shù)越小。膨脹土的水穩(wěn)性差，因此，在治理膨脹土邊坡時(shí)都加強(qiáng)了防排水措施。若保守地考慮膨脹土邊坡全部處于飽和狀態(tài)，則忽視了防排水措施的作用以及膨脹土透水性差的有利特性，增大了膨脹力的作用范圍，極大地增加了工程成本。建議根據(jù)膨脹土裂隙區(qū)易滲水、非裂隙區(qū)滲透性差的特點(diǎn)，結(jié)合邊坡防排水措施的作用，綜合考慮膨脹土濕度變化區(qū)域。

2 柔性護(hù)坡作用機(jī)理

重力式擋墻處置低矮的膨脹土邊坡時(shí)有著良好的效果，這是因?yàn)榈桶呐蛎浲吝吰轮饕惺軤恳云茐?，而重力式擋土墻靠自重起到了加固坡腳抵抗土壓力的作用。程斌[19]對(duì)格柵反包和未反包的加筋膨脹土邊坡的位移、應(yīng)力和穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為層層反包對(duì)填土起“框箍”作用，能將護(hù)坡體包裹成一個(gè)柔性整體。同時(shí)填土有足夠的自重，因此，柔性護(hù)坡如同仰斜的重力式擋土墻，能夠有效地抑制邊坡牽引破壞，同時(shí)也能防止開挖后土體應(yīng)力釋放對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

裂隙開展深度一般為3~4 m，新開挖的膨脹土邊坡坡頂未挖除部分，大部分坡體的膨脹土都沒有裂隙。新的裂隙是相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)由于膨脹土干濕循環(huán)而產(chǎn)生，產(chǎn)生裂縫的膨脹土強(qiáng)度會(huì)急劇降低，導(dǎo)致抗滑樁、骨架護(hù)坡失效。因此，隔絕大氣、降雨對(duì)邊坡的影響，保護(hù)尚無(wú)裂隙的膨脹土是治理膨脹土邊坡的一種有效手段。

柔性護(hù)坡具有完備的綜合排水體系，包括坡頂截水溝、墻背滲水層、墻底排水層、墻趾外排水溝、盲溝，這些結(jié)構(gòu)能有效地排泄?jié)B入的地表水并減弱地下水對(duì)膨脹土邊坡的影響。柔性護(hù)坡構(gòu)造見圖1。

圖1 柔性護(hù)坡構(gòu)造

膨脹土邊坡水分浸入示意圖如圖2所示?；谌嵝宰o(hù)坡的作用機(jī)理，可以對(duì)邊坡濕度變化范圍進(jìn)行如下假定：

1) 圖2中B區(qū)為坡頂未挖除的充滿裂隙的膨脹土，其強(qiáng)度應(yīng)取裂隙強(qiáng)度。

2) 由于換填土及柔性護(hù)坡綜合防排水體系能有效防止A區(qū)及C區(qū)浸水，因此，可認(rèn)為B區(qū)以下、地平面以上的區(qū)域含水率不發(fā)生變化，土體強(qiáng)度為原位強(qiáng)度。

3) 地平面超出盲溝排水范圍，受地下水影響，土體強(qiáng)度應(yīng)考慮為飽和強(qiáng)度。

圖2 膨脹土邊坡水分浸入示意圖

3 柔性護(hù)坡整體穩(wěn)定性分析

柔性護(hù)坡與一般加筋土坡的受力特點(diǎn)相比有以下幾點(diǎn)不同：1) 柔性護(hù)坡沒有上部交通荷載；2) 柔性護(hù)坡的坡率較小，坡率小于護(hù)坡體填料的自然坡率；3) 加筋時(shí)采用層層反包。因此，坡體中的筋材主要起框箍包裹填料、增強(qiáng)護(hù)坡體整體性的作用。筋材受力較小，不會(huì)發(fā)生拉斷，通常加筋護(hù)坡考慮的護(hù)坡體沿對(duì)數(shù)螺旋面轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拉斷筋材的破壞形式不再適用。基于柔性護(hù)坡受力特點(diǎn)和作用機(jī)理，柔性護(hù)坡穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)具有以下特點(diǎn)：1) 柔性護(hù)坡可將護(hù)坡體視為不可破壞整體；2) 考慮護(hù)坡體對(duì)邊坡的反壓作用；3) 柔性護(hù)坡對(duì)邊坡有部分保濕作用，邊坡土體應(yīng)區(qū)分為不同的強(qiáng)度區(qū)域。

3.1 護(hù)坡體對(duì)邊坡作用力分析

柔性護(hù)坡的護(hù)坡體為柔性的整體，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)可將柔性護(hù)坡體對(duì)邊坡的作用力考慮為外部荷載。計(jì)算方法如下。

3.1.1 條分法

工程上穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)常采用條分法。計(jì)算時(shí)，將護(hù)坡體和邊坡膨脹土一并分為等寬度的土條，沒有考慮柔性加筋體的影響，其柔性加筋體對(duì)坡面的作用力為

3.1.2 考慮加筋體的應(yīng)力擴(kuò)散作用

柔性護(hù)坡不受交通荷載的影響，加筋材料除起“框箍”作用外，還起間接加固的作用，即改變應(yīng)力分布。柔性加筋體由很多層土組成，筋材將上一層土體自重通過(guò)擴(kuò)散角傳遞下去。對(duì)機(jī)織土工織物加筋墊層，取40°~45°；對(duì)土工網(wǎng)加筋墊層，取45°~50°；對(duì)土工格柵加筋墊層，取50°~55°。柔性護(hù)坡的坡率小于應(yīng)力擴(kuò)散角的余切，當(dāng)護(hù)坡體達(dá)到一定高度′時(shí)頂層土體對(duì)底層受力不再產(chǎn)生影響，有

式中：為護(hù)坡坡腳(°)；為護(hù)坡加筋體寬度(m)。擴(kuò)散影響臨界高度示意圖見圖4。

圖4 擴(kuò)散影響臨界高度示意圖

當(dāng)≤′時(shí)，第層回填土擴(kuò)散至地平線的均布荷載為

第層回填土自重?cái)U(kuò)散后作用于邊坡坡面的荷載為

回填土對(duì)于底座的作用力等于其總自重減去作用于坡面的荷載：

化簡(jiǎn)后得

式中：為每延米底座上的作用力(kN/m)；為加筋層數(shù)；為層高(m)；為應(yīng)力擴(kuò)散角(°)。加筋體作用于坡面的壓力為

加筋體對(duì)邊坡作用力如圖5所示。

圖5 考慮應(yīng)力擴(kuò)散的作用力示意圖

采用積分法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：為微元至底層的距離。經(jīng)整理得

加筋體對(duì)邊坡作用力如圖6所示。

(a) 當(dāng)≤′時(shí)；(b) 當(dāng)＞′時(shí)

圖6 積分法示意圖

Fig. 6 Sketchs of integral method

對(duì)云桂鐵路廣西段DK200+720處的柔性護(hù)坡施工階段不同填土高度時(shí)底層受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。3種方法計(jì)算后底層受力與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。從圖7可見：考慮加筋體的應(yīng)力擴(kuò)散作用與實(shí)測(cè)結(jié)果相近。

1—將護(hù)坡體視為整體；2—傳統(tǒng)條分法；3—應(yīng)力擴(kuò)散分塊法；4—應(yīng)力擴(kuò)散積分法；5—實(shí)測(cè)值

3.2 整體穩(wěn)定性計(jì)算

這里只討論整體穩(wěn)定性的計(jì)算方法。整體穩(wěn)定性計(jì)算方法一般分極限平衡法和數(shù)值分析法。其中，極限平衡法計(jì)算簡(jiǎn)單，物理意義明確，多用于工程計(jì)算；極限平衡法主要包括瑞典圓弧滑動(dòng)法、Janbu法、Spencer法以及Bishop法等。本文以Bishop法為基礎(chǔ)，根據(jù)膨脹土柔性護(hù)坡的特點(diǎn)，加以改進(jìn)。

考慮如下最不利情況：雨水滲入邊坡上部裂隙區(qū)并產(chǎn)生膨脹力，同時(shí)平面以下由于地下水影響而飽和。試驗(yàn)段測(cè)試結(jié)果表明[20]：膨脹土在大氣影響深度內(nèi)呈梯形分布，深度超過(guò)1.0 m后膨脹力衰減，南寧膨脹土地區(qū)的大氣影響深度為2.5~3.0 m，取3.0 m最不利情況作為設(shè)計(jì)時(shí)的參考值。柔性護(hù)坡受膨脹力影響時(shí)允許產(chǎn)生一定的變形量，能夠減小膨脹力的影響，起到減脹的作用，因此，考慮膨脹力時(shí)應(yīng)取適當(dāng)?shù)恼蹨p系數(shù)。

可通過(guò)填料減脹效果試驗(yàn)得到折減系數(shù)，則折減后的膨脹力為

圖9 土條受力示意圖

安全系數(shù)為

其中：和c分別為內(nèi)摩擦角和黏聚力；裂隙區(qū)、非飽和區(qū)和飽和區(qū)土體強(qiáng)度分別采用裂隙強(qiáng)度、非飽和強(qiáng)度和飽和強(qiáng)度；σ為第土條圓弧面處的法向應(yīng)力；P為該處相應(yīng)的膨脹應(yīng)力。

由該土條中豎向力的平衡可得：

4 實(shí)例分析

以云桂鐵路廣西段DK200+720斷面為例，該邊坡高5.2 m，坡率為1.0:1.5。本地段屬丘陵剝蝕地貌，地形起伏不大，第四系土層及基巖全風(fēng)化層一般具中等膨脹性。其基本物理性質(zhì)如表1所示。膨脹土膨脹潛勢(shì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22]如表2所示。

表1 試樣基本物理性質(zhì)

表2 膨脹潛勢(shì)分級(jí)及試樣試驗(yàn)值

注：有2項(xiàng)分級(jí)指標(biāo)符合某種膨脹等級(jí)，即判定試樣為該種膨脹土，參照標(biāo)準(zhǔn)可知試樣屬于中等膨脹土。

采用柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)加固。護(hù)坡內(nèi)部筋材采用土工格柵，筋材層間距為0.6 m。

飽和強(qiáng)度為=25 kPa，=13°；裂隙區(qū)飽和強(qiáng)度=10 kPa，=7.8°；原位飽和強(qiáng)度=47 kPa，=37°，=19 kN/m3；護(hù)坡體的填土飽和強(qiáng)度=0 kPa，=35°，=20 kN/m3；對(duì)該種膨脹巖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果如表3所示。

表3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

從表3可以看出：1) 采用飽和強(qiáng)度時(shí)安全系數(shù)最低，采用本文方法不考慮膨脹力時(shí)安全系數(shù)最高。 2) 采用本文積分法所得的安全系數(shù)比采用傳統(tǒng)條分法所得的結(jié)果高33%。本文方法考慮了加筋對(duì)護(hù)坡體填土的影響，加筋改變了護(hù)坡體填土內(nèi)的應(yīng)力分布，增大了護(hù)坡體對(duì)其底部的作用力，增強(qiáng)了柔性護(hù)坡固腳的作用。3) 考慮膨脹力時(shí)安全系數(shù)減小15%，說(shuō)明膨脹力對(duì)邊坡穩(wěn)定影響明顯，不應(yīng)該忽略。

5 結(jié)論

1) 柔性護(hù)坡的護(hù)坡體為一整體，護(hù)坡體對(duì)邊坡的有固腳和反壓的作用，其原理與仰斜式擋土墻的原理類似。加筋改變了護(hù)坡體填土內(nèi)的應(yīng)力分布，增大了護(hù)坡體對(duì)其底部的作用力，增強(qiáng)了柔性護(hù)坡固腳的作用，在進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)應(yīng)該予以考慮。

2) 柔性護(hù)坡有一定的保濕作用，因此，在進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，邊坡膨脹土強(qiáng)度取飽和強(qiáng)度的方法過(guò)于保守，建議將邊坡膨脹土的強(qiáng)度根據(jù)柔性護(hù)坡防排水的特點(diǎn)分為裂隙區(qū)、非飽和區(qū)和飽和區(qū)分別考慮。膨脹力對(duì)邊坡穩(wěn)定影響明顯，不應(yīng)該忽略。

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Global stability analysis method of flexible cutting slope protection

TENG Ke1, YANG Guolin1, YI Yuelin2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Anhui Transportation Holding Corporation Co. Ltd., Hefei 230000, China)

Considering that flexible support has perfect waterproof and drainage system, it can reduce the influence of rain on expansive soil, and prevent the crack development. Expansive soil slope was divided into three areas, i.e. fracture zone, unsaturated zone and saturated zone. Using different strength indexes, expansive force influence on slope stability was added. Integral method was used to calculate safety factor. The results show that the safety factor calculated by integral method is 33% higher than that of slices method, and that the safety factor decreases 15% when considering expansion force. The new method can better reflect the effect of the drainage system, the influence of reinforcement, and the high strength characteristics of expansive soil under the condition without water.

flexible slope protection; expansive soil; safety factor; stability calculation

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.046

TU413.1

A

1672?7207(2015)10?3907?07

2014?11?01；

2015?01?22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278499)；鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G016-B)(Project (51278499) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2010G016-B) supported by Science and Technology Research and Development Program of Ministry of Railway)

滕珂，博士研究生，從事膨脹土研究；E-mail：abaddontank@126.com

(編輯 陳燦華)