王艷芳，江 濤，印 昊，夏 炎，張 磊

(1.金陵科技學院，江蘇 南京 211169；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017；3.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007)

膨脹土是一種富含蒙脫石、伊利石等親水性礦物，具有吸水膨脹、失水收縮且脹縮變形可逆等特性的高塑性黏土[1-3]。膨脹土邊坡滑坡具有季節(jié)性、淺層性等特點，一般發(fā)生在降雨過程中或雨后，且滑坡深度通常不超過6 m。即使是坡比很緩的膨脹土邊坡，仍會發(fā)生滑坡災害，據(jù)統(tǒng)計坡比緩于1:5的膨脹土邊坡具有滑坡先例[4-6]。與一般土質(zhì)邊坡的滑坡相比，膨脹土邊坡滑坡更為復雜，采用常規(guī)抗剪強度指標對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性進行分析時，計算所得穩(wěn)定系數(shù)較高，但邊坡仍有可能發(fā)生失穩(wěn)。

目前，國內(nèi)外已對膨脹土特性的邊坡破壞開展了大量研究，如Tripathy等[7]、楊和平等[8]對擊實黏土進行干濕循環(huán)試驗，研究表明膨脹土膨脹變形及抗剪強度均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低；劉華強等[9]、魏星等[10]通過直剪試驗研究干濕循環(huán)作用對重塑膨脹土抗剪強度的影響，結(jié)果證實裂隙的開展會導致膨脹土抗剪強度的降低，且黏聚力降低程度遠大于內(nèi)摩擦角；張坤勇等[11]通過對簡單膨脹土邊坡開展了干濕循環(huán)后淺層穩(wěn)定性分析，得出完全軟化強度指標的合理使用范圍為距地表4.0 m 以內(nèi)的土層。袁俊平等[12]、李新明等[13]通過有限元方法計算分析在裂隙與降雨條件下邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果表明裂隙是雨水浸入膨脹土邊坡的最主要通道，裂隙的存在對邊坡水利條件的改變有重要影響；Castellanos等[14]、曾召田等[15]、Gregory[16]對眾多淺層膨脹土邊坡滑坡案例進行分析，結(jié)合膨脹土室內(nèi)試驗，提出膨脹土淺層滑坡的發(fā)生主要是因為土體受干濕循環(huán)影響，裂隙發(fā)育導致土體發(fā)生軟化、強度降低。

本文依托蕪申航道南京段膨脹土邊坡，該邊坡中賦存蒙脫石、伊利石等親水性礦物，且由于所處地理位置特殊，加之天然地質(zhì)作用及人為影響的干擾，導致多次出現(xiàn)滑移[17]。該邊坡的穩(wěn)定性需要考慮干濕循環(huán)效應的影響，本文基于有限元場變量考慮干濕效應對土體強度的影響，著重討論膨脹土邊坡在強度衰減前后穩(wěn)定系數(shù)的差異性。

1 工程概況

航道邊坡位于蕪申線航道南京紅衛(wèi)橋—下壩段，本段航道按III級航道整治，航道水深、底寬、最小轉(zhuǎn)彎半徑分別為3.2、45、480 m。經(jīng)過多年自然作用，邊坡發(fā)生多次滑坡，原地形坡度約12°，滑坡區(qū)域在平面上呈“圈椅狀”，主滑方向與航道接近垂直，滑體縱向軸長72 m，滑坡前緣寬約150 m，后緣寬約200 m，見圖1a)。經(jīng)補勘發(fā)現(xiàn)場地內(nèi)的換填土與黏土均為膨脹土，具有脹縮性，易膨脹開裂，在降雨作用下容易引發(fā)降雨入滲，使土體軟化，影響岸坡的穩(wěn)定性，滑動面主要位于可塑狀黏土層③內(nèi)，滑體主要為填土①、填土②及可塑黏土③，見圖1b)。

圖1 滑坡范圍以及滑坡橫斷面

2 膨脹土干濕循環(huán)強度試驗

2.1 試驗土樣及制備

試驗土樣取自滑體范圍內(nèi)的膨脹土，其基本物理性質(zhì)指標見表1，根據(jù)GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》，滑坡區(qū)域膨脹土為弱膨脹土。

表1 試驗用膨脹土物理性質(zhì)指標

2.2 試驗方案

用高為20 mm、直徑為61.8 mm的環(huán)刀將兩種膨脹土原狀樣分別切削30個土樣，選取密度相近(差值≤0.03 g/cm3)的24個作為試驗用樣，并將其分為6組，用于不同循環(huán)次數(shù)下的試驗。將土樣裝入飽和容器并浸泡在水中進行抽氣飽和，使其均達到飽和含水率，取出其中1組進行直剪試驗，作為膨脹土的初始強度，其余5組分別進行1～5次的干濕循環(huán)。干濕循環(huán)過程分為兩個階段：1)脫濕階段。將飽和土樣放入烘箱內(nèi)進行脫濕(溫度控制在40℃)，脫濕過程中通過定時稱質(zhì)量監(jiān)測土樣含水率變化。當土樣含水率降至縮限，結(jié)束脫濕階段。2)飽和階段。重新將土樣裝入飽和容器中進行抽氣飽和，抽氣時間控制為1 h，浸泡時間控制為12 h以上，飽和階段也是通過稱質(zhì)量監(jiān)測土樣含水率變化，當土樣12 h內(nèi)質(zhì)量恒定，認為土樣完全飽和，此時即完成1次干濕循環(huán)。室內(nèi)直剪試驗采用快剪方法，上覆壓力分別取100、200、300及400 kPa，剪切速率為0.8 mm/min，剪切變形達6 mm時停止剪切?？傮w試驗方案見表2。

表2 膨脹土重塑樣干濕循環(huán)試驗方案

2.3 試驗結(jié)果及分析

弱膨脹土黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化如圖2所示?？梢钥闯觯芨蓾裱h(huán)效應的影響，3種膨脹土的抗剪強度均出現(xiàn)一定程度的衰減，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強度衰減幅度逐漸減小，其數(shù)值見表3。

圖2 黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ隨

表3 干濕循環(huán)次數(shù)對快剪強度指標的影響

由圖2、3及表3可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，弱膨脹土的黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ的衰減主要發(fā)生在前3次干濕循環(huán)過程中，之后均趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)5次后，c值衰減至原值的70%左右，φ值衰減至原值的25%左右。黏聚力c的衰減幅度要比內(nèi)摩擦角φ大，其原因為隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土體的內(nèi)部裂隙不斷發(fā)展，土體結(jié)構整體性遭到破壞，土體內(nèi)部因干濕循環(huán)產(chǎn)生損傷裂縫不可恢復，故極大削弱了土體黏聚力，大幅降低土體的抗剪強度。

3 干濕循環(huán)條件下航道膨脹土坡穩(wěn)定分析

3.1 干濕循環(huán)的模擬

在有限元軟件ABAQUS中通過設置抗剪強度參數(shù)c和φ隨場變量變化實現(xiàn)干濕循環(huán)過程中c和φ大小的衰減。模擬步驟為：第1步，定義一個場變量，場變量值按表3的c和φ的衰減程度進行設置；第2步，定義隨場變量變化材料模型參數(shù)；第3步，場變量初始值為1，對應為未干濕循環(huán)時的土體狀態(tài)；第4步，在后續(xù)的分析步中增加場變量大小，計算中止(數(shù)值不收斂)后對結(jié)果進行處理；第5步，確定穩(wěn)定系數(shù)。穩(wěn)定系數(shù)的確定方法有兩種：1)在整個計算過程中以數(shù)值計算不收斂作為土坡穩(wěn)定的評價標準，對應的穩(wěn)定系數(shù)FV1為1.01；2)以頂部節(jié)點水平位移拐點為評價標準，得穩(wěn)定系數(shù)為0.99。這兩個值非常相似，都十分接近極限平衡分析方法中給出的穩(wěn)定系數(shù)1。如圖3所示，這兩個值非常相似，都十分接近極限平衡分析方法中給出的穩(wěn)定系數(shù)1，說明了基于有限元場變量考慮干濕效應對土體強度的影響，分析膨脹土邊坡穩(wěn)定系數(shù)的可行性。

圖3 穩(wěn)定系數(shù)隨坡頂位移變化關系

3.2 膨脹土航道邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1模型的建立

建立膨脹土邊坡模型，見圖4。巖土體從上到下依次為：填土①、填土②、可塑黏土③、強風化土④、中風化土⑤。利用ABAQUS中所提供的場變量模擬干濕效應對土體強度的折減，對膨脹土邊坡進行穩(wěn)定性分析，計算干濕循環(huán)前、干濕循環(huán)3次、干濕循環(huán)5次3種工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。計算時土體選用摩爾-庫侖本構模型，土層參數(shù)見表4。

圖4 膨脹土邊坡模型

表4 膨脹土邊坡各土層計算參數(shù)

3.2.2計算結(jié)果分析

不同干濕循環(huán)次數(shù)下土坡位移等值線擴展云圖及塑性應變區(qū)擴展云圖見圖5、6，膨脹土航道邊坡穩(wěn)定系數(shù)值見圖7。由數(shù)值計算結(jié)果可看出，未經(jīng)歷干濕循時膨脹土航道邊坡的FV1值為1.530～1.540，其中以邊坡頂部出現(xiàn)水平位移拐點為邊坡失穩(wěn)評判標準，取值為1.530；以數(shù)值計算中迭代不收斂為評判標準，則取值為1.540，二者數(shù)值十分接近，說明此時膨脹土邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于1.530～1.540，為穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)歷了3次干濕循環(huán)后膨脹土航道邊坡穩(wěn)定系數(shù)急劇衰減，F(xiàn)V1降低為1.109～1.111，邊坡不安全。第5次干濕循環(huán)時膨脹土航道邊坡處于極限平衡狀態(tài)，F(xiàn)V1為1.011～1.012，邊坡欠穩(wěn)。因此，在用極限平衡法分析時，若采用不考慮干濕循環(huán)影響的膨脹土天然強度或飽和強度會導致結(jié)果無法反映工程的實際情況，存在安全風險。

圖5 土坡中位移等值線擴展對比云圖

圖6 土坡中塑性應變區(qū)擴展對比云圖(單位：m)

圖7 不同干濕循環(huán)次數(shù)下航道膨脹土邊坡穩(wěn)定系數(shù)

4 膨脹土航道邊坡治理措施及監(jiān)測

按照“一次根治、不留后患”的治理原則，膨脹土滑坡治理過程中，抗滑樁是常選的支擋結(jié)構，采用以擋為主，排、截、支、護相結(jié)合的方案。鑒于本航道工程滑坡治理中的抗滑樁須同時起到保護臨近的胥河大橋橋梁樁基免受膨脹土滑坡牽連造成基礎破壞的目的，故要求抗滑樁有足夠的抗彎剛度，能保證樁體抵抗滑坡的下滑力，且不能有過大的水平向變形。選擇門字形抗滑樁作為主要的支擋結(jié)構。膨脹土航道邊坡的具體治理方案為：沿著邊坡設置3排門字形抗滑樁，樁長25 m、樁徑2 m，樁頂采用連梁連接；為減少臨近橋梁區(qū)域外側(cè)下滑位移的拖曳作用，在減載換填區(qū)域的邊緣設置隔離樁，形成隔離帶，隔離樁孔間距350 mm，深8～10 m，共設3排，交錯布置，孔內(nèi)填充聚乙烯泡沫顆粒，并用黃泥封孔；考慮到膨脹土的脹縮特性，在河道影響下易形成牽引型滑坡，須采用有效的防滲措施盡量減少岸坡土體的濕度變化，因此采用“兩布一膜”形式復合土工膜作為防滲層，膜上覆蓋層采用摻石灰改良后的膨脹土作為換填土層，要求其自由膨脹率不大于20%，厚度約2 m，并進行局部減載的措施；坡體底部結(jié)合航道整治做樁基直立式擋墻，治理方案斷面見圖8。

圖8 膨脹土航道邊坡治理方案斷面(單位：m)

鑒于本次滑坡治理工程具有復雜性、多風險性，故在抗滑樁后側(cè)土體中設置監(jiān)測點，從2012年1月—2013年5月開展施工期和運營期的干濕循環(huán)條件下的土體深層水平位移監(jiān)測，用于保證施工安全和質(zhì)量，同時對處理方案的使用效果進行評價。各監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果見圖 9，在地面以下10～15 m深度，深層水平位移出現(xiàn)明顯的變化凸起分界點，與前期探測發(fā)現(xiàn)的裂縫深度基本一致，此處為滑動面所在位置。在 2012年4—10月抗滑樁樁基礎開挖期間深層水平位移變化速率明顯增大，隨著2012年底抗滑樁施工完成開始發(fā)揮抗滑力，深層水平位移變化速率逐漸變小，至2013年5月已基本趨于穩(wěn)定。監(jiān)測結(jié)果顯示，采用門字形抗滑樁+隔離樁+復合土工膜+換填+航道護岸擋墻是治理膨脹土滑坡的可行方案。

圖9 邊坡深層水平位移監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

1)膨脹土的抗剪強度指標隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而衰減，衰減主要發(fā)生在前3次干濕循環(huán)過程中，之后的衰減程度很小，抗剪強度指標趨于穩(wěn)定。黏聚力c的衰減程度遠大于內(nèi)摩擦角φ，說明膨脹土邊坡在自然狀態(tài)下受氣候影響，其抗剪強度也會不斷降低。

2)未經(jīng)歷干濕循環(huán)的膨脹土邊坡，采用天然抗剪強度指標與飽和抗剪強度指標的穩(wěn)定性計算結(jié)果顯示邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的膨脹土邊坡，采用其衰減后的抗剪強度指標的計算結(jié)果顯示邊坡將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在對膨脹土邊坡的整治與處理等工程中，相關參數(shù)必須采用多次干濕循環(huán)后衰減的值，否則無法保證工程的安全與質(zhì)量。

3)在膨脹土航道滑坡治理工程中，選擇門字形抗滑樁作為支擋結(jié)構，是一種安全可靠、技術可行的支擋措施。