焦保華， 肖俊逸， 付登博， 李友云， 王中恩

(1.湖南省益南高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司, 湖南 益陽(yáng) 413055；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展和人口的快速增長(zhǎng)，現(xiàn)代交通體系也籍此蓬勃發(fā)展。隨著工程活動(dòng)廣泛開(kāi)展，進(jìn)入膨脹土地區(qū)的工程也相應(yīng)增多。由于膨脹土浸水體積劇烈膨脹、失水體積顯著收縮和壓縮性低的工程特性，工程中很容易出現(xiàn)膨脹土邊坡失穩(wěn)的情況[1]。通過(guò)對(duì)帶裂隙膨脹土的滑移路徑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)加設(shè)群樁是針對(duì)邊坡工程出現(xiàn)滑坡問(wèn)題采取的主要措施[2]；但是群樁設(shè)計(jì)結(jié)合工程應(yīng)用方面還存在許多問(wèn)題，工程中多利用地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告和工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)樁進(jìn)行設(shè)計(jì)加固，缺乏科學(xué)指導(dǎo)。通過(guò)有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行研究分析，更容易控制問(wèn)題的出現(xiàn)，達(dá)到工程穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及耐久性的綜合效果，為類似工程提供參考。

本文以河南省南陽(yáng)地區(qū)膨脹土渠坡微型群樁為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、工程地典型膨脹土室內(nèi)土工試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬方法來(lái)分析該地區(qū)帶長(zhǎng)大裂隙深層膨脹土渠坡微型群樁的抗滑性能。

1 長(zhǎng)大裂隙的統(tǒng)計(jì)分析及膨脹土室內(nèi)土工試驗(yàn)參數(shù)獲取

1.1 長(zhǎng)大裂隙分布規(guī)律

地質(zhì)勘察揭示出膨脹土坡體中裂隙發(fā)育較為完整，根據(jù)工程地典型渠坡斷面勘察獲得對(duì)裂隙的長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)，裂隙長(zhǎng)度從1mm到30m不等。按照現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的裂隙長(zhǎng)度來(lái)對(duì)裂隙進(jìn)行劃分，將長(zhǎng)度大于4m的裂隙劃分為長(zhǎng)大裂隙，本文主要討論長(zhǎng)度大于4m的長(zhǎng)大裂隙。

膨脹土渠坡開(kāi)挖后，對(duì)坡體內(nèi)部存在的長(zhǎng)大裂隙進(jìn)行了長(zhǎng)度、寬度、傾角的統(tǒng)計(jì)，圖1為全部裂隙的傾向玫瑰統(tǒng)計(jì)圖；圖2為長(zhǎng)大裂隙的傾向玫瑰統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知，長(zhǎng)大裂隙的總體分布傾向?yàn)?7°～60°，且大多為正角度，只有少量呈現(xiàn)負(fù)角度。統(tǒng)計(jì)完成后，對(duì)長(zhǎng)大裂隙傾角、長(zhǎng)度及渠坡走向偏角擬合概率密度曲線，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，長(zhǎng)大裂隙傾角服從正態(tài)分布，長(zhǎng)度服從均勻分布，走向偏角服從均勻分布，中點(diǎn)位置隨機(jī)分布，長(zhǎng)大裂隙的長(zhǎng)寬比為100∶1，長(zhǎng)大裂隙的延伸深度均大于6m。

圖1 全部裂隙傾向統(tǒng)計(jì)圖(單位：°)

圖2 長(zhǎng)大裂隙傾向統(tǒng)計(jì)圖(單位：°)

表1 長(zhǎng)大裂隙空間分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)表長(zhǎng)大裂隙分布參數(shù)均值標(biāo)準(zhǔn)差分布類型傾角34.990 5135.8正態(tài)分布長(zhǎng)度71.732 1均勻分布走向偏角08.660 3均勻分布中點(diǎn)位置——隨機(jī)分布寬度長(zhǎng)寬比為100∶1深度長(zhǎng)大裂隙延伸深度均大于6 m

1.2 膨脹土室內(nèi)土工試驗(yàn)參數(shù)獲取

為了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)膨脹土渠坡各層膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及室內(nèi)土工試驗(yàn)對(duì)膨脹土渠坡進(jìn)行詳細(xì)分層。

1.2.1膨脹土自由膨脹率試驗(yàn)

目前判定膨脹土膨脹性的試驗(yàn)方法是測(cè)定膨脹土自由膨脹率。在工程所在地不同渠坡深挖方斷面一定深度范圍內(nèi)選取原狀土樣進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，測(cè)得典型渠坡斷面不同深度范圍下膨脹土自由膨脹率分別為35%、72%、110%。按照公路土工試驗(yàn)規(guī)程[3]，判定在深挖方膨脹土渠坡不同深度范圍下的膨脹土土體分別為弱、中、強(qiáng)膨脹土。

1.2.2直剪試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用固結(jié)慢剪法測(cè)定土樣在不同壓力下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ)。選取典型膨脹土渠坡斷面不同深度下的原狀土制備原狀土試樣，通過(guò)試驗(yàn)得到不同壓力下的剪切位移值；通過(guò)對(duì)不同壓力及抗剪強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，獲取強(qiáng)、中、弱膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(見(jiàn)表2)。

表2 不同類型膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)土類初始含水率/%干密度/(g·cm-3)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c/kPaφ/(°)深層強(qiáng)膨脹土22.41.6122.2024.56中層中膨脹土22.21.5912.5423.68淺層弱膨脹土21.81.528.1622.30

選取典型膨脹土渠坡斷面深、中、淺層膨脹土土樣，經(jīng)自由膨脹率試驗(yàn)測(cè)定:膨脹土渠坡斷面由下至上依次為強(qiáng)、中、弱膨脹土。對(duì)各膨脹土進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

圖3 強(qiáng)膨脹土剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖4 中膨脹土剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖5 弱膨脹土剪切試驗(yàn)結(jié)果

1.2.3膨脹力試驗(yàn)

選取典型膨脹土渠坡斷面中受壓情況與天然受壓情況一樣的土樣進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)，制備不同含水率的膨脹土試樣，測(cè)定不同含水率條件下的膨脹力。表3、表4分別為強(qiáng)膨脹土和中膨脹土的膨脹力試驗(yàn)結(jié)果。由表可知，膨脹土的膨脹力隨著含水率的增大而增大。

表3 強(qiáng)膨脹土膨脹力試驗(yàn)含水率/%平衡荷重/g膨脹力/kPa平均膨脹力P/kPaln(P)/kPa139 128358.74360.285.38 9 356361.82216 279255.92245.725.29 6 223235.52294 352175.36172.295.23 4 379169.22

表4 中膨脹土膨脹力試驗(yàn)含水率/%平衡荷重/g膨脹力/kPa平均膨脹力P/kPaln(P)/kPa132 23894.488.474.492 21382.54211 14948.9547.933.871 27446.912957623.7423.783.15 59323.82

2 不同內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造膨脹土渠坡穩(wěn)定性分析

2.1 膨脹土渠坡模型尺寸建立

選取南水北調(diào)中線工程河南南陽(yáng)段典型膨脹土渠坡斷面，建立渠坡數(shù)值模型，渠坡模型坡頂高21m，長(zhǎng)20m；坡腳以下高7m，長(zhǎng)69m；選取一個(gè)對(duì)稱斷面厚度4.65m。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告和室內(nèi)土工試驗(yàn)，整個(gè)膨脹土渠坡由上至下依次為弱、中、強(qiáng)膨脹土。上部為弱膨脹土，高度3m；中間為中膨脹土，高11m；下部為強(qiáng)膨脹土，高7m。一級(jí)馬道坡度為1∶2.33，二級(jí)馬道坡度為1∶2.5。具體膨脹土渠坡模型尺寸見(jiàn)圖6。

a) 膨脹土渠坡模型尺寸大小(單位： m)

b) 膨脹土渠坡數(shù)值模型

膨脹土渠坡淺表層土體在長(zhǎng)時(shí)間雨水作用下膨脹，在干燥情況下干燥收縮，導(dǎo)致細(xì)微裂隙產(chǎn)生。隨著裂隙發(fā)展，淺表層土體強(qiáng)度減弱，極易發(fā)生牽引式滑坡破壞[4]。針對(duì)淺表層膨脹土弱化，改性處治換填是個(gè)十分有效的方法。周娟[5]根據(jù)工程地區(qū)降雨及氣候報(bào)告，使用Geostudio數(shù)值模擬軟件模擬渠坡表面土體發(fā)生的干濕循環(huán)，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)時(shí)間的不同，渠坡表面土體弱化的大氣影響深度范圍也有所不同。干濕循環(huán)時(shí)間為6個(gè)月時(shí)，大氣影響深度約為1m；干濕循環(huán)時(shí)間為12個(gè)月時(shí)，大氣影響深度約為2m。本文假設(shè)淺表層膨脹土的處治換填深度為2m，換填材料為10%水泥改性膨脹土。

根據(jù)工程勘察報(bào)告，在y=7m的中、強(qiáng)膨脹土層交界面處，由于降雨時(shí)期地下水位上升及干燥時(shí)期水位下降，導(dǎo)致此處膨脹土易吸水軟化，形成強(qiáng)度較低的軟弱夾層。因此，本文假設(shè)在中、強(qiáng)膨脹土交界面處存在厚度為0.2m的軟弱結(jié)構(gòu)面，軟弱結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)度從坡腳位置處延至一級(jí)馬道頂端豎向位置處[6-7]。根據(jù)實(shí)際工程中渠坡的尺寸，建立2種不同坡體內(nèi)部地質(zhì)狀況的膨脹土渠坡數(shù)值模型，見(jiàn)圖7。

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

通過(guò)查閱實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告，結(jié)合前文的土工試驗(yàn)，所選取的計(jì)算參數(shù)如表5。

a)不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面模型

b)帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面模型

表5 土體計(jì)算參數(shù)材料重度/(kN/m-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量E/MPa泊松比弱膨脹土15.08.1622.305.300.35中膨脹土16.012.5423.685.360.35強(qiáng)膨脹土17.022.2024.566.480.35軟弱結(jié)構(gòu)面15.08.007.005.300.35長(zhǎng)大裂隙面15.08.002.005.300.3510%水泥改性膨脹土16.735.0016.509.520.35樁24.0——30 000.000.20

2.3 膨脹土渠坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)渠坡建設(shè)期對(duì)渠坡典型斷面的勘探統(tǒng)計(jì)，得到長(zhǎng)大裂隙各產(chǎn)狀要素服從的分布規(guī)律。根據(jù)各要素服從的分布規(guī)律將長(zhǎng)大裂隙隨機(jī)生成至膨脹土渠坡數(shù)值模型當(dāng)中，并假設(shè)在中強(qiáng)膨脹土土層交界面處存在軟弱結(jié)構(gòu)夾層，從而建立不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面和帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面2種不同地質(zhì)構(gòu)造膨脹土渠坡的數(shù)值模型。采用強(qiáng)度折減有限元法[8]，從塑性應(yīng)變、位移矢量2個(gè)方面對(duì)2種不同地質(zhì)構(gòu)造膨脹土渠坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.3.1渠坡土體塑性區(qū)貫通圖分析

圖8為2種不同內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造膨脹土渠坡的坡體塑性區(qū)應(yīng)變圖。對(duì)塑性區(qū)貫通前、后2個(gè)時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比分析，獲取膨脹土渠坡在強(qiáng)度折減下的塑性應(yīng)變?cè)茍D變化，以此分析整個(gè)坡體在強(qiáng)度折減下的變化。

由圖可知：

1)不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面膨脹土渠坡模型塑性區(qū)從軟弱結(jié)構(gòu)面處開(kāi)始發(fā)展，在坡腳位置和軟弱結(jié)構(gòu)面的末端發(fā)生塑性應(yīng)變，塑性區(qū)貫通后，形成從坡腳沿軟弱結(jié)構(gòu)面再到軟弱結(jié)構(gòu)面末端至坡頂平面的整體塑性區(qū)變化。不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面膨脹土渠坡模型的滑移是從坡頂?shù)杰浫踅Y(jié)構(gòu)面末端再到坡腳的整體滑移。

2)帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面膨脹土渠坡模型塑性區(qū)從坡腳、長(zhǎng)大裂隙面的兩端以及軟弱結(jié)構(gòu)面的末端開(kāi)始發(fā)展，隨著強(qiáng)度不斷折減，塑性區(qū)貫通，坡體破壞，形成了塑形貫通面。該塑性貫通區(qū)域從坡頂向著長(zhǎng)大裂隙與軟弱結(jié)構(gòu)面的交界處發(fā)展，再沿著軟弱結(jié)構(gòu)面直至坡腳，長(zhǎng)大裂隙與軟弱結(jié)構(gòu)面的存在使坡體整體發(fā)生較大的變化。

a)不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面

b)帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面

2.3.2渠坡土體位移矢量分析

圖9為膨脹土渠坡位移矢量圖。從圖中可以得到膨脹土渠坡在塑性區(qū)貫通前和塑性區(qū)貫通后的變化趨勢(shì)。不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面膨脹土渠坡模型，在塑性區(qū)貫通前，以軟弱結(jié)構(gòu)面位置處向坡腳位置水平變化；在塑性區(qū)貫通后，形成了以軟弱結(jié)構(gòu)面末端至坡頂位置的整體性向右發(fā)生位移矢量變化。帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面模型在塑性區(qū)貫通后，位移矢量沿著主長(zhǎng)大裂隙面與軟弱結(jié)構(gòu)面水平向右發(fā)展。

a) 不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面

b)帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面

3 帶長(zhǎng)大裂隙深層膨脹土渠坡微型群樁抗滑行為分析

3.1 膨脹土渠坡微型群樁模型建立

根據(jù)前文膨脹土渠坡模型數(shù)值分析，膨脹土渠坡由于內(nèi)部存在長(zhǎng)大裂隙以及不同層間土交界面的軟弱結(jié)構(gòu)層導(dǎo)致渠坡不穩(wěn)定，極其容易產(chǎn)生滑坡、坍塌等災(zāi)害，在膨脹土渠坡工程中已產(chǎn)生的滑坡破壞處形成沿著主長(zhǎng)大裂隙及軟弱結(jié)構(gòu)面的滑移面。

設(shè)計(jì)院提出微型群樁抗滑措施，微型樁的截面形式，有圓樁和方樁2種，王東海[9]、鄧麟勇等[10]經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算，得出方樁的抗滑效果優(yōu)于圓樁。本文在2種不同的膨脹土渠坡模型中分別設(shè)立微型群樁，微型樁為35cm×35cm的方形樁，樁間距1.2m。2種不同膨脹土渠坡微型群樁模型見(jiàn)圖10。

a)不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面模型

b)帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面模型

3.2 帶長(zhǎng)大裂隙深層膨脹土渠坡微型群樁抗滑行為分析

3.2.1土體塑性區(qū)域貫通云圖對(duì)比分析

圖11為2種渠坡微型群樁模型塑性應(yīng)變圖。由圖可知，2種膨脹土渠坡微型群樁模型的塑性區(qū)都是從坡腳位置開(kāi)始發(fā)展，不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面模型塑性區(qū)從軟弱結(jié)構(gòu)面處開(kāi)始發(fā)展，并在軟弱結(jié)構(gòu)面末端形成貫通區(qū)；帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面模型的塑性區(qū)分別從長(zhǎng)大裂隙面和軟弱結(jié)構(gòu)面開(kāi)始發(fā)展，最終沿長(zhǎng)大裂隙面與軟弱結(jié)構(gòu)面交界處形成塑性貫通。由此可得，長(zhǎng)大裂隙對(duì)整體膨脹土邊坡的滑移有巨大的影響。與不加設(shè)微型群樁膨脹土渠坡模型相比，加設(shè)微型群樁并不會(huì)改變膨脹土渠坡的塑性變化發(fā)展，最終形成的塑性變化也基本上不變；對(duì)存在軟弱結(jié)構(gòu)面的膨脹土渠坡模型，微型群樁的加設(shè)使得膨脹土渠坡塑性變化時(shí)間更長(zhǎng)。

3.2.2土體位移矢量圖分析

分別選取塑性區(qū)貫通前和塑性區(qū)貫通后的2個(gè)時(shí)刻進(jìn)行矢量位移分析，如圖12所示。結(jié)合渠坡土體位移矢量圖(圖9)可知，在不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面膨脹土渠坡微型群樁模型中，加沒(méi)和不加設(shè)微型群樁的土體位移矢量都沿坡腳方向，加設(shè)微型群樁后，土體在各排樁處的位移矢量減少，說(shuō)明微型群樁對(duì)樁前土具有一定的阻擋作用，可以看出明顯抗滑效果。長(zhǎng)大裂隙面及軟弱結(jié)構(gòu)面位移矢量都較大，隨著塑性區(qū)的貫通，各微型樁樁前的位移矢量較小，樁后位移矢量較大，在2、3排樁后，土體位移矢量往著坡腳位置發(fā)展。

a)不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面膨脹土微型群樁模型

b)帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面膨脹土微型群樁模型

a)不帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面膨脹土微型群樁模型

b)帶裂隙帶軟弱結(jié)構(gòu)面膨脹土微型群樁模型

4 結(jié)論

1) 在南陽(yáng)膨脹土地區(qū)不同地質(zhì)深度內(nèi)，隨著地層揭露深度加深，膨脹土的膨脹率逐漸增大。在一般的膨脹土渠坡模型中，由于表層的土體易受干濕循環(huán)的影響，使得土體強(qiáng)度降低，容易發(fā)生淺表層的滑移;做了淺表層的改性換填處治后，渠坡整體形成了一個(gè)封閉型的整體，渠坡的滑移都是沿著深層土體的大范圍滑移，說(shuō)明淺表層的處治是比較好的。

2) 當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí)，中、強(qiáng)膨脹土交界處可能夾有軟弱夾層，該軟弱夾層會(huì)顯著降低渠坡穩(wěn)定性。由于長(zhǎng)大裂隙及軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度比膨脹土土體的強(qiáng)度要小，膨脹土渠坡塑性區(qū)都是從長(zhǎng)大裂隙及軟弱結(jié)構(gòu)面處開(kāi)始發(fā)展的。

3) 根據(jù)ABQUSE數(shù)據(jù)模型分析，微型群樁可以有效提高膨脹土微型渠坡的穩(wěn)定性。