邢發(fā)紅, 周和祥, 劉金元, 林大富, 李孟豪

(1. 中鐵二十一局集團(tuán)第六工程有限公司， 北京 101111； 2. 西南交通大學(xué)， 四川成都 610000))

膨脹土在我國分布廣泛，我國20多個(gè)省均有膨脹土分布。膨脹土是一種具有特殊膨脹結(jié)構(gòu)的高液限黏土，具有脹縮性、崩解性、多裂縫性、風(fēng)化性、強(qiáng)度衰減特性等多種特殊的工程特性。

近年來，隨著我國西部大開發(fā)的加速推進(jìn)，在山區(qū)公路、鐵路的修建過程都不可避免的遇到膨脹土邊坡的問題。由于膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的性質(zhì)，自然條件下邊坡表面經(jīng)過多次干濕循環(huán)后存在著大量裂隙，這將大大降低土體強(qiáng)度。同時(shí)，降雨時(shí)膨脹土體積膨脹，致使土體內(nèi)部產(chǎn)生膨脹力。以上兩個(gè)因素共同作用，使得膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞不同于一般土質(zhì)邊坡。

本文根據(jù)膨脹土邊坡的破壞特點(diǎn)，依托云南廣大線擴(kuò)能改造工程云驛隧道段膨脹土高邊坡，對比分析了是否考慮裂隙、是否考慮膨脹力等不同情況下邊坡穩(wěn)定性及邊坡抗滑樁位移規(guī)律，并對膨脹土邊坡的設(shè)計(jì)及施工提出了優(yōu)化建議，供類似工程參考。

1 裂隙對邊坡穩(wěn)定性的影響

由于膨脹土長期處在干濕交替的大氣環(huán)境中，在多次干縮濕脹循環(huán)作用后，邊坡表層裂隙充分開展，導(dǎo)致邊坡表層土體強(qiáng)度降低。楊和平等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹土強(qiáng)度指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而顯著降低，這正是由于裂隙的開展破壞了土體的完整性和均勻性而導(dǎo)致的結(jié)果。在大氣營力的作用下，膨脹土邊坡的風(fēng)化、裂縫的開展、降雨引起的土體含水率變化等均在大氣影響深度范圍內(nèi)。廖世文統(tǒng)計(jì)了我國8個(gè)省的膨脹土大氣影響深度，大多數(shù)在2～4 m之間，個(gè)別達(dá)5 m。肖榮久認(rèn)為大氣影響深度，在2～6 m之間。在沒有相關(guān)實(shí)測資料的情況下，我們?nèi)〈髿庥绊懮疃葹? m。

2 膨脹力對邊坡穩(wěn)定性的影響

膨脹力是由于膨脹土含水率增加，而膨脹土體積受限無法自由膨脹而產(chǎn)生的，土體膨脹力大小決定于土體含水率增加量和土體所受約束力大小。故邊坡膨脹力隨深度變化而變化。文獻(xiàn)[4]將大氣影響深度Z0以內(nèi)的路堤邊坡膨脹土分為兩層：表層強(qiáng)風(fēng)化層和淺層中等～弱風(fēng)化層。設(shè)pe為室內(nèi)試驗(yàn)測得的膨脹力指標(biāo)。假設(shè)膨脹力沿路堤邊坡深度的分布為:表層內(nèi)的膨脹力由0開始逐漸遞增,在表層與淺層交界面上的膨脹力達(dá)到pe;淺層內(nèi)的膨脹力沿深度由pe逐漸減小至0;深層土體中的膨脹力忽略不計(jì)。建立三角形分布的膨脹土路堤邊坡的膨脹力計(jì)算模式。本文采用該膨脹力計(jì)算模式。

3 有限元穩(wěn)定性計(jì)算

云驛隧道采用明挖法，以高路塹的形式從山體中間穿過。本計(jì)算邊坡位于于隧道進(jìn)口處右側(cè)。邊坡表層0.5 m為種植土，局部夾角礫，下層為膨脹土，具有弱中膨脹性。支護(hù)形式為雙排抗滑樁支護(hù)，邊坡平臺(tái)寬2 m，兩級邊坡的坡高均為6 m，第一級邊坡坡度為1∶1.75，第二級坡度為1∶2。

采用Plaxis巖土有限元計(jì)算軟件，模型為寬65 m，高60 m的平面應(yīng)變模型，左右邊界施加水平約束，下邊界施加水平和豎向約束。

在建模時(shí)，表層種植土忽略不計(jì)?？紤]裂隙作用，將表層4 m范圍內(nèi)的土體強(qiáng)度折減50 %，表層4 m范圍外的土層仍采用原土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，綜合地勘報(bào)告結(jié)果，取土體強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。考慮膨脹力作用，根據(jù)相關(guān)資料，取室內(nèi)試驗(yàn)測得的膨脹力指標(biāo)20 kPa，并假設(shè)4 m的大氣影響深度中表層強(qiáng)風(fēng)化層和淺層中等～弱風(fēng)化層的厚度均為2 m，即可得到膨脹力延深度方向的分布(圖1)，膨脹力的方向垂直于臨空面向外。

由此得邊坡計(jì)算模型(圖2)。

劃分單元網(wǎng)格時(shí)，為了更加精確地計(jì)算抗滑樁的位移，網(wǎng)格全局疏密度為細(xì)并對抗滑樁周圍網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。生成網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表1 土體各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)

圖1 膨脹力大小深度分布

圖2 膨脹土邊坡模型

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

模型土層均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型，抗滑樁采用線彈性模型，地下水位設(shè)置在模型下邊界，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)計(jì)資料，抗滑樁計(jì)算參數(shù)(表2)。采用強(qiáng)度折減法對邊坡安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

表2 抗滑樁計(jì)算參數(shù)

為了更深入研究裂隙和膨脹力對邊坡的影響，將不考慮裂隙不考慮膨脹力、只考慮裂隙、只考慮膨脹力的3種情況加入對照(表3)，其中4組為原模型，1組、2組、3組為對照模型。

表3 考慮不同影響因素對照

數(shù)值結(jié)果分析：

邊坡在考慮膨脹力、裂隙的情況下計(jì)算的邊坡總位移云圖見圖4。由圖4可知，在考慮膨脹力和裂隙情況下，邊坡位移主要集中在邊坡表層，這與實(shí)際工程中邊坡出現(xiàn)大量淺層滑坡的情況吻合。

圖4 考慮膨脹力、裂隙的邊坡位移

邊坡在考慮膨脹力、裂隙的情況下計(jì)算的邊坡潛在滑動(dòng)面見圖5。由圖5可知，在考慮膨脹力和裂隙情況下，邊坡最不利滑動(dòng)面在邊坡表層。在邊坡深層也存在潛在滑動(dòng)面，但相比于表層潛在滑面，深層潛在滑面的出現(xiàn)的可能要小得多。

圖5 考慮膨脹力、裂隙的邊坡潛在滑動(dòng)面

對照1～4四種不同情況下，有限元計(jì)算出的模型安全系數(shù)、抗滑樁位移(表4、表5)。

表4 各情況下邊坡安全系數(shù)

由表4數(shù)據(jù)分析可知：邊坡在不考慮膨脹力、不考慮裂隙的情況下的安全系數(shù)為1.326，是所有四個(gè)情況下安全系數(shù)最高的。單獨(dú)考慮膨脹力或者裂隙的作用情況下，邊坡的安全系數(shù)均有一定程度的減小，在本邊坡計(jì)算中，裂隙對邊坡安全系數(shù)的降低作用更加明顯。同時(shí)考慮膨脹力和裂隙影響的情況下，邊坡安全系數(shù)最低，僅有1.200，可以看出，膨脹土膨脹力和裂隙的作用均會(huì)明顯降低邊坡的安全系數(shù)，二者在計(jì)算中都不可忽略。

表5 各情況下邊坡抗滑樁樁頂位移

對表5的數(shù)據(jù)分析可知：膨脹力和裂隙對邊坡抗滑樁樁頂位移的影響與對邊坡安全系數(shù)的影響相似，引入二者的影響均會(huì)增大抗滑樁樁頂位移，在本邊坡計(jì)算中，裂隙對抗滑樁樁頂位移的增大作用更加明顯，二者在計(jì)算中都不可忽略。

在現(xiàn)場，我們同時(shí)采用全站儀和測斜儀對邊坡后排抗滑樁的樁頂位移進(jìn)行了8個(gè)月的觀測，在這8個(gè)月的位移中取最大位移值為0.025，該數(shù)據(jù)與考慮膨脹力考慮裂隙情況下后排抗滑樁的樁頂位移的有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

(1)在考慮膨脹力和裂隙的作用下，邊坡位移主要集中在表層，且最不利滑動(dòng)面近似位于邊坡表層分化層與未風(fēng)化層的交界面。

(2)通過對比表明，膨脹力和裂隙均對邊坡穩(wěn)定及抗滑樁位移有不利影響，且裂隙的影響較大，膨脹力的影響較小。

(3)在膨脹性邊坡穩(wěn)定性分析過程中，考慮表層土體由含水率變化產(chǎn)生的膨脹力以及由干濕循環(huán)產(chǎn)生的裂隙的雙重作用，這更加符合實(shí)際，也更偏向于安全。

(4)結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步驗(yàn)證了采用膨脹力分層化三角形模式模擬膨脹力計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的正確性。