陳　南, 吳立堅, 周　勇，鄧　捷

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京　100086；2.貴州高速公路開發(fā)總公司，貴州　貴陽　550000)

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紅黏土邊坡淺層破壞機理及穩(wěn)定評價方法

陳南1, 吳立堅1, 周勇2，鄧捷1

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京100086；2.貴州高速公路開發(fā)總公司，貴州貴陽550000)

摘要：針對紅黏土邊坡穩(wěn)定性評價的問題，采用現(xiàn)場試驗的方法對邊坡淺層破壞機理進行了研究，提出了適用的穩(wěn)定安全性評價方法。在現(xiàn)場進行了邊坡不同深度土體含水率測試，通過烘干法得出了擾動土濕度場分布及變遷的規(guī)律，分析了土體深度、土質(zhì)類型、季節(jié)以及邊坡防護類型對濕度場的影響；開展了動力圓錐貫入測試，得到不同防護類型邊坡的測試曲線，根據(jù)測試結(jié)果近似確定了邊坡實際擾動深度，從而確定了紅黏土邊坡淺層破壞典型模式。針對簡化畢肖普法用于紅黏土邊坡穩(wěn)定評價的不合理性，提出能夠客觀反映裂隙影響的“裂隙水壓力推力平衡法”，并且在實際工程中進行了驗證。

關(guān)鍵詞：道路工程；紅黏土邊坡；穩(wěn)定評價方法；動力圓錐貫入；濕度場；邊坡失穩(wěn)

0引言

紅黏土邊坡整體失穩(wěn)較為少見，而坍塌、溜塌等淺層破壞非常普遍，對公路施工和運營安全造成不利影響。在外界環(huán)境因素影響下，邊坡淺層擾動土特性的改變，是引起淺層破壞的根本原因。分析淺層破壞機理，并且提出合理的穩(wěn)定性評價方法，是保證紅黏土邊坡穩(wěn)定安全性的前提。

在紅黏土邊坡穩(wěn)定性評價方面，國內(nèi)學(xué)者的研究主要集中在兩個方面：一是確定合理的強度參數(shù)，二是確定切合實際的破壞模式?？琢顐1]在室內(nèi)開展了原狀土在脫濕吸濕過程的無側(cè)限抗壓強度演化特征及力學(xué)效應(yīng)試驗研究，發(fā)現(xiàn)土體強度參數(shù)同時受含水率與裂隙性的耦合影響。廖世文[2]采取不同起始含水率的土樣進行模擬剪切試驗，從溫度及含水率變化等方面來模擬邊坡土體的干縮效應(yīng)所產(chǎn)生的強度衰減特性。楊和平[3]研究了干濕循環(huán)次數(shù)與強度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)模擬剪切所得的c和φ值均隨循環(huán)次數(shù)增加而降低，但在干濕循環(huán)2～3次后不再繼續(xù)衰減。曹志嬌[4]通過非飽和土的固結(jié)排水剪切試驗,研究了抗剪強度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，建立了非飽和紅黏土抗剪強度公式。以上研究為紅黏土邊坡穩(wěn)定性評價強度參數(shù)合理取值提供了依據(jù)。但是，目前對工程中紅黏土邊坡淺層擾動土特性的認識還不夠充分，傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法對邊坡破壞模式的假設(shè)與紅黏土邊坡實際破壞情況也并不相符。針對以上問題，本文通過現(xiàn)場測試的方法分析紅黏土邊坡淺層擾動土的特性，明確淺層破壞的典型模式，并且提出合理的紅黏土邊坡穩(wěn)定性分析方法。

1紅黏土邊坡淺層擾動土特性

紅黏土邊坡淺層破壞與土體在環(huán)境中受擾動的程度密切相關(guān)。本文采用現(xiàn)場測試的方法對邊坡擾動土特性進行分析，測試目的包括：(1)在距坡面不同深度位置取土樣，通過烘干法獲取淺層土體含水率空間分布特征；(2)分別在雨季、旱季時段對同一斷面進行含水率測試，分析濕度場變遷規(guī)律；(3)在各斷面進行動力圓錐貫入試驗(DCP)，分析擾動深度范圍內(nèi)土體強弱變化規(guī)律。

選取貴州余凱高速及凱羊高速6個標(biāo)段共33處邊坡開展測試，邊坡綜合坡率范圍1:1～1:1.75，坡高范圍8～27 m，全部為1，2級邊坡；防護類型包括裸坡、生物防護、骨架防護(+生物防護)及護面墻防護(+生物防護)，測試路段邊坡開挖完成時間基本在2013年8—10月間。

含水率測試取土深度分別為距離坡面向下0.2，0.5，0.8，1，1.2，1.5，2，2.5 m及3 m，對于二級邊坡分別在坡上部(坡頂附近)和中部(一級平臺附近)分別進行取樣。測試時間分別在2014年6月上旬(該時段黔東南地區(qū)降雨較為密集)、9月上旬及10月下旬(該時段黔東南地區(qū)降雨相對較少)。

DCP測試選取邊坡土層較厚的位置進行(圖1)。擾動土浸水后變得濕軟，干縮開裂后較為松散，抵抗圓錐貫入的能力遠小于原狀土，本文根據(jù)單次錘擊貫入距離來反映邊坡淺層土體受擾動程度。

圖1　坡面DCP測試Fig.1　DCP test in the field

1.1擾動土濕度場分布特性

各斷面測試結(jié)果表明，土體含水率受取樣深度、季節(jié)時段、防護類型及土質(zhì)變異等因素的影響；同一斷面邊坡坡頂附近含水率總體略小于邊坡中部。

(1)取樣深度的影響

余凱線K17+720及K18+060兩處二級邊坡(裸坡)不同深度處濕度場分布如圖2～圖3所示?？梢钥闯?，在不同時段不同深度土體含水率呈現(xiàn)規(guī)律性變化。測試邊坡地處黔東南地區(qū)，6月降雨較為密集，距坡面0～0.5 m范圍內(nèi)含水率普遍達到35%～45%的水平；隨著深度的增加土體含水率逐步下降且趨于穩(wěn)定。9月和10月份降雨較少，表層紅黏土蒸發(fā)加強，0～0.5 m范圍內(nèi)土體含水率明顯下降；隨著深度的增加，蒸發(fā)作用對含水率的影響逐步降低，土體含水率呈現(xiàn)逐步增大并且趨于穩(wěn)定的規(guī)律。由此可見，淺表土體含水率受降雨及蒸發(fā)作用的影響非常劇烈。

圖2　余凱K17+720邊坡濕度場Fig.2　Moisture field of Yukai K17+720 slope

圖3　余凱K18+060邊坡濕度場Fig.3　Moisture field of Yukai K18+060 slope

圖3所示，在深度1.5～2.0 m含水率出現(xiàn)突變，這是由于邊坡土質(zhì)變異造成。該邊坡高度為10 m，紅黏土覆蓋層不厚，在1.5～2.0 m范圍取樣時發(fā)現(xiàn)樣土變異為灰白色粉砂狀顆粒形態(tài)。由此可見，土質(zhì)變異是影響含水率分布的另一個因素。

(2)季節(jié)時段的影響

濕度隨季節(jié)發(fā)生變遷的原因是外界氣候環(huán)境因素的變化。圖4所示為余凱K17+720及K18+060兩處邊坡(裸坡)6月份及10月份兩個時段含水率差值(絕對值)隨深度變化規(guī)律。從圖中可以看出，0～0.5 m深度范圍內(nèi)含水率變化較大，最大可達23個百分點；深度在0.5～1.2 m范圍內(nèi)，變化值逐步減小，這是因為隨著深度的增加，環(huán)境因素的影響逐步減弱，土體的含水率受內(nèi)在因素控制而逐步趨于穩(wěn)定。

圖4　余凱含水率差變化Fig.4　Variation of moisture content difference of Yukai slope

(3)防護類型的影響

圖5　余凱含水率差變化Fig.5　Variation of moisture content difference of Yukai slope

圖6　凱羊含水率差變化Fig.6　Variation of moisture content difference of Kaiyang slope

圖5所示為余凱BK0+030及K19+440(生物防護)邊坡含水率差值隨深度變化規(guī)律，圖6為凱羊K33+230(骨架+生物防護)及K34+890(窗格護面墻+生物防護)邊坡含水率差值隨深度變化規(guī)律。從圖中可以看出，雨、旱兩季生物防護邊坡表層0～0.5 m深度范圍含水率變化依舊非常明顯，這是因為植被的存在并不能消除滲透與蒸發(fā)作用的影響。骨架+生物防護及護面墻+生物防護條件下，只有表層土體含水率變化較為顯著，隨著深度的增加，距坡面0.5 m深度后含水率波動趨于穩(wěn)定。以上規(guī)律說明，骨架及護面墻能夠有效減緩降雨及沖刷的影響，從而使環(huán)境對邊坡淺層土體的擾動程度明顯減小。

1.2擾動深度分析

紅黏土具有裂隙性，環(huán)境對邊坡土體的擾動深度比一般土質(zhì)邊坡更大。本文根據(jù)坡面DCP測試結(jié)果，分析邊坡不同深度處紅黏土強弱變化的規(guī)律，并且提出近似確定擾動深度的方法。

(1)紅黏土邊坡DCP曲線特征

圖7所示為余凱高速K17+720(裸坡)、K19+440(生物防護)、凱羊高速K33+230(骨架+生物防護)及K34+890(護面墻+生物防護)4處紅黏土邊坡的坡面DCP測試曲線。從圖中可以看出，單次錘擊距離呈現(xiàn)出先大后小、逐步穩(wěn)定的趨勢。淺層土體的單次錘擊距離較大，是因為淺表裂隙極為發(fā)育使得土體較為松散所致。隨著貫入深度的增加，單次錘擊距離逐漸減小，當(dāng)貫入深度超過擾動土的范圍時，圓錐受到的阻力趨于穩(wěn)定，DCP曲線逐漸收斂。邊坡的防護類型對DCP曲線特征有一定的影響。裸坡及生物防護邊坡DCP曲線收斂過程相對較長，而骨架+生物防護及護面墻+生物防護的邊坡收斂較快，這是因為防護工程減弱了環(huán)境對邊坡土體的擾動程度。

圖7　余凱邊坡DCP曲線Fig.7　DCP curve of Yukai slope

(2)擾動深度確定方法

根據(jù)以上分析，紅黏土邊坡DCP曲線變化規(guī)律符合“先快后慢”的S形過程。因此，可以采用S曲線模型對DCP測試曲線進行擬合，然后通過求算拐點的方法確定擾動深度。

以余凱K19+440(生物防護)的DCP曲線為例，本文采用Logistic曲線模型進行擬合：

f(x)=762 618 440.026/(1+9 426 460.093e0.037x)，

(1)

對方程求導(dǎo)，計算得出拐點值：

(2)

當(dāng)錘擊次數(shù)達到第20次時對應(yīng)的累計貫入深度(h=1.143 m)即為該邊坡的實際擾動深度。

根據(jù)以上方法，對余凱、凱羊測試邊坡的擾動深度進行了計算分析，該地區(qū)不同防護類型紅黏土邊坡的最大擾動深度為2.932 m，最小擾動深度為0.695 m，平均值為1.289 m。

1.3紅黏土邊坡淺層破壞典型模式

紅黏土邊坡淺層破壞與擾動土裂隙發(fā)育密切相關(guān)。從微觀結(jié)構(gòu)分析[5]，土體在干縮過程中，邊坡不同部位的水分喪失是不均勻的。表面的水分喪失速度較快，即土體表面的含水率最小，產(chǎn)生的基質(zhì)吸力最大，引起土體的收縮也最大；土體內(nèi)部的水分喪失較慢，其含水量相對較大，產(chǎn)生的基質(zhì)吸力較小，引起的土體收縮也較小。紅黏土邊坡擾動深度范圍內(nèi)土體不均勻收縮變形是形成裂隙的根本原因。

當(dāng)擾動深度較小時，紅黏土邊坡主要以淺表層裂隙發(fā)育為主，無明顯貫通結(jié)構(gòu)面，此時邊坡的破壞形式以剝落、沖溝、溜方為主。但是，淺表層裂隙為水分遷移提供了通道，從而使得環(huán)境擾動深度進一步增加，局部可能出現(xiàn)裂隙的連通和延伸，從而形成主要的貫通裂隙。存在貫通裂隙的紅黏土邊坡破壞模式與一般土坡有明顯差異，裂縫的位置、深度往往決定了破壞面的形態(tài)和范圍，如圖8所示。

圖8　貫通裂隙紅黏土邊坡破壞模式Fig.8　Failure mode of slope with penetrating crack

由于貫穿裂隙的存在，邊坡的破壞面形態(tài)特征表現(xiàn)為上陡下緩，破壞發(fā)生時坡體移動方向幾乎沿著坡面向下坍塌，現(xiàn)場的工程人員形象地稱之為“坐”下來的。

在降雨入滲條件下，雨水滲入并且充盈裂隙。一方面增加了土體容重，降低了潛在滑動面上的抗滑力；另一方面，裂隙水產(chǎn)生的靜水壓力會對滑體產(chǎn)生推力作用。因此，降雨入滲是紅黏土邊坡破壞的不利條件，調(diào)研結(jié)果也顯示紅黏土邊坡往往在暴雨后出現(xiàn)集中的破壞。

2紅黏土邊坡穩(wěn)定評價方法

以簡化Bishop法為代表的一般土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法將具有裂隙結(jié)構(gòu)的紅黏土邊坡均質(zhì)化，計算中采用室內(nèi)或原位試驗獲取的強度參數(shù)，并將其視為邊坡土體的整體強度參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過降低強度參數(shù)的大小來反映裂隙的影響，利用極限平衡方法進行邊坡穩(wěn)定性的分析[6-10]。但是，從工程調(diào)研結(jié)果來看，該方法存在不合理性，主要有如下幾點：(1)圓弧滑動面假設(shè)與實際破壞形態(tài)不符，調(diào)研發(fā)現(xiàn)大部分紅黏土邊坡的實際破壞面呈現(xiàn)出上陡下緩的形態(tài)，破壞面后緣主要受土體中垂直裂隙的控制。(2)通過均勻降低紅黏土強度來體現(xiàn)裂隙對邊坡穩(wěn)定性的影響并不合理，它不能將裂隙的空間展布及裂隙面強度納入計算考慮，即使將計算時采用的強度參數(shù)認為是裂隙面上的最低強度，也只有當(dāng)滑動面位于裂隙面上時才符合實際。(3)對降雨入滲的影響考慮不夠充分，滲入裂隙的水除了增加土體重度，降低滑動面上的抗滑力以外，還對滑體本身有推力作用，如果忽略這一推力作用將使得計算出的安全系數(shù)偏于危險。

工程實踐也表明，很多邊坡雖然采用簡化Bishop法驗證了邊坡穩(wěn)定性，但后來仍然出現(xiàn)了坍塌破壞[11-12]。這說明對紅黏土邊坡而言，一般土質(zhì)邊坡安全系數(shù)計算方法是偏于危險的。因此，本文根據(jù)紅黏土邊坡淺層破壞機理，提出能夠客觀反映裂隙影響的裂隙水壓力推力平衡分析法。

首先，在紅黏土邊坡擾動土深度范圍內(nèi)設(shè)置貫穿的豎向裂縫(AB)，下端連接的剪出面假設(shè)為圓弧滑動面(BC)，采用條分法進行分析，土條間作用力僅考慮傳遞裂隙水的水平推力，如圖9所示。

單一土條在Ni方向靜力平衡為：

(3)

滑動面上極限平衡為：

(4)

總體對圓心O的力矩平衡(1個)為：

(5)

∑WisinθiR+Fwdw=∑TiR=

(6)

則安全系數(shù)的計算式為：

(7)

裂隙水柱靜水壓力對滑體產(chǎn)生推力Fw計算式為：

(8)

以上各式中，Ni為第i土條底面法向反力；Wi為第i土條重力；θi為第i土條底面傾角；Ti為第i土條切向分力；ci及φi為強度指標(biāo)；L為滑動面長度；dw為裂隙水壓力作用力矩；ρ為水的密度；h為裂隙深度；Fw為裂隙水壓力；Fs為穩(wěn)定安全系數(shù)。

圖9　水壓力推力平衡法計算模式Fig.9　Calculation mode of water pressure equilibrium method

可采用試算法假定若干較危險的圓弧滑動面進行試算，取最小值作為最終的穩(wěn)定安全系數(shù)。由于紅黏土邊坡擾動深度一般不超過3 m，圓弧破壞面BC長度較短，因而也可以用直線(割線)近似表示。直線滑動面模式滑體受力平衡狀態(tài)如圖10所示，穩(wěn)定安全系數(shù)計算表達式為：

(9)

式中，G為滑體的重量；α為滑動方向與水平方向的夾角；L為滑動面長度；T為滑動面上的切向分力；c，φ為土體強度參數(shù)。

圖10　直線滑動面計算模式Fig.10　Calculation mode of linear sliding surface

3工程應(yīng)用與驗證

貴州余凱高速11標(biāo)FK+090互通右側(cè)邊坡為二級邊坡，一級坡高為13 m，二級坡高為5 m；坡率均為1:1。該邊坡2013年底開挖完成，開挖后沒有及時進行防護措施而導(dǎo)致坍塌破壞，清理后補做菱格窗式護面墻，于2014年上半年再次出現(xiàn)坍塌破壞(圖11)。第二次坍塌后的邊坡仍采用了清方后護面墻處治，并且對平臺進行了封閉處理，目前邊坡沒有出現(xiàn)破壞，但是調(diào)研發(fā)現(xiàn)在一級平臺的頂部出現(xiàn)了失穩(wěn)裂縫，說明該邊坡依舊存在失穩(wěn)破壞的隱患。

圖11　余凱FK+090邊坡坍塌Fig.11　Collapse of a red clay slope in Yukai FK+090

分別采用簡化Bishop法、裂隙水壓力推力平衡法對該邊坡的穩(wěn)定安全性進行分析，計算得出邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如表1所示。從表中可以看出，簡化Bishop法計算出的安全系數(shù)值為1.36；裂隙水壓力推力平衡法計算出的安全系數(shù)值，采用直線滑動面假設(shè)時為1.03，采用圓弧滑動面假設(shè)時為1.08。由此可見，對紅黏土邊坡而言，裂隙是控制邊坡穩(wěn)定性的主要因素，本文提出的評價方法考慮了實際破壞模式中裂隙的影響，計算出的穩(wěn)定安全系數(shù)更加能夠反映邊坡的實際穩(wěn)定狀態(tài)。從計算結(jié)果可知，裂隙水壓力推力平衡法中下部滑面形態(tài)對分析結(jié)果的影響不大。

表1　不同方法計算出的邊坡安全系數(shù)

4結(jié)論

通過本文研究，得出以下結(jié)論：

(1)紅黏土裂隙發(fā)育為水分的遷移提供了通道，使得淺表土體含水率受降雨及蒸發(fā)作用的影響非常劇烈；隨著深度的增加，蒸發(fā)作用對含水率的影響逐步降低，土體含水率呈現(xiàn)逐步增大并且趨于穩(wěn)定的規(guī)律；另外，土質(zhì)變異對含水率也有影響；

(2)紅黏土邊坡淺層土體含水率季節(jié)波動較為明顯，但是隨著深度的增加，環(huán)境因素的影響逐步減弱，土體含水率主要受內(nèi)在因素的控制；

(3)坡面防護類型對淺層土體濕度場影響較大，骨架類及護面墻類防護能夠有效減緩降雨及坡面水的影響，從而使得環(huán)境對邊坡淺層土體的擾動程度明顯減??；

(4)紅黏土邊坡坡面DCP曲線變化規(guī)律符合“先快后慢”的S形過程；根據(jù)這一規(guī)律提出采用曲線擬合來確定擾動深度的方法；

(5)簡化Bishop法用于紅黏土邊坡穩(wěn)定性評價存在不合理性，本文提出能夠客觀反映裂隙影響的裂隙水壓力推力平衡分析法，并且在工程應(yīng)用中進行了驗證。

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Failure Mechanism of Shallow Layer of Red Clay Slope and Stability Evaluation Method

CHEN Nan1, WU Li-jian1, ZHOU Yong2, DENG Jie1

(1. Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100086, China;2. Guizhou Expressway Development Corporation, Guiyang Guizhou 550000, China)

Abstract：To deal with the problem of stability evaluation of red clay slopes, the failure mechanism of shallow layer of red clay slope is researched with field test, and a suitable stability evaluation method is proposed.The moisture contents in various depths of the slope are tested, the moisture field distribution of disturbed soil of the slope and its change law are obtained by oven drying method, and the influence of soil depth, soil types, seasons and protections on moisture field is also analyzed.The DCP test is conducted to obtain the curves of different protection types of slope, and the real disturbing depth is approximately determined according to the test result, thus the typical failure mode of shallow layer of red clay slope is determined.A method “crack water pressure equilibrium” which can reflect the effect of crack is proposed, which is verified in real project.

Key words：road engineering; red clay slope; stability evaluation method; dynamic cone penetration (DCP); moisture field; slope failure

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)03-0037-06

中圖分類號：U412.22

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.007

作者簡介：陳南(1984-)，男，安徽安慶人，博士.(n.chen@rioh.cn)

基金項目：貴州省交通運輸廳科技項目(2011-122-033)

收稿日期：2014-12-14