韋富杰

(廣西桂商實業(yè)投資有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

在建設(shè)公路、鐵路及水利設(shè)施等過程中會遇到膨脹土邊坡，膨脹土由于其吸水特殊性[1-2]，對工程安全性是一個極大的挑戰(zhàn)。如何應(yīng)對膨脹土高邊坡的失穩(wěn)危害性是較多學(xué)者研究的重要課題[3]，采用理論計算方法等可對邊坡土體滑移面展開計算[4-5]，由本構(gòu)模型方程延伸至工程設(shè)計，進(jìn)而預(yù)判邊坡工程失穩(wěn)前兆，為工程建設(shè)提供參照。徐文剛、殷俊文、許容等[6-8]認(rèn)為采用有限元仿真手段，通過FLAC 3D、ANSYS等軟件平臺建立計算模型，進(jìn)而施加不同外荷載，可分析邊坡模型在不同因素影響下的安全穩(wěn)定性，評價邊坡滑移體與安全穩(wěn)定影響因素。本文基于廣西百色高速公路修筑區(qū)段內(nèi)的膨脹土高邊坡穩(wěn)定性問題，研究探討了固化劑成分對膨脹土的改良效果，以改性土力學(xué)特征為研究結(jié)果，分析改性膨脹土邊坡工程安全穩(wěn)定性。

1 工程概況

本項目位于廣西百色“橫5”高速公路樂業(yè)修筑路段內(nèi)，該項目路段長約4 052.5 m，其中膨脹土高邊坡位于K02+105處，與高速公路走向呈垂直方向，以東西為徑向，膨脹土厚度達(dá)4.1 m。土體主要為第四系風(fēng)化坡積土層，土體滲透系數(shù)較高，不均勻沉降較為明顯。該邊坡的滑動面出現(xiàn)在砂質(zhì)泥巖土層中，且較為陡峭，極易發(fā)生二次滑坡地質(zhì)災(zāi)害，威脅高速公路修筑路段內(nèi)的安全施工。該膨脹土高邊坡計劃采用錨桿加固措施，設(shè)計采用鉆孔式錨桿T33N，錨索預(yù)張拉應(yīng)力為480 kN，分段式進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，最后一段拉力為86.86 kN，錨桿長度值為2.5 m、面積值為256.58 mm2。坡面配置有橫、縱連系梁結(jié)構(gòu)，最大設(shè)計彎矩值為379.58 kN·m，結(jié)構(gòu)設(shè)計為6φ18 mm鋼筋。其初步支護(hù)設(shè)計如圖1所示。

圖1 邊坡支護(hù)設(shè)計示意圖

根據(jù)本項目組野外地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，該邊坡內(nèi)主要由黏土礦物組成，而施工周期為當(dāng)?shù)赜昙緯r節(jié)，黏土礦物具有較強的吸水特性，且在吸水飽和狀態(tài)下，土體極易發(fā)生軟化等現(xiàn)象，強度亦會降低。根據(jù)室內(nèi)試驗表明，本批膨脹土試樣強度在飽和狀態(tài)下降低了40%，且膨脹土在吸水后極易出現(xiàn)體積膨脹，體積膨脹變形程度最大可至30%。根據(jù)室內(nèi)液固耦合試驗發(fā)現(xiàn)，膨脹土滲透系數(shù)達(dá)10-7m/s，表明膨脹土試樣內(nèi)部孔隙度較高，滲流水極易對土體內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。由于膨脹土的特殊力學(xué)性質(zhì)，在飽水狀態(tài)下邊坡失穩(wěn)極易發(fā)生，因此本文對該膨脹土高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并結(jié)合膨脹土試驗力學(xué)特性與工程實際給出改良方案。

2 改性后力學(xué)特征

2.1 試驗介紹

為對高膨脹土進(jìn)行物理改良，本文采用DTC剪切試驗儀開展改性土力學(xué)試驗研究，該試驗設(shè)備包括加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置及電腦控制裝置。從試驗設(shè)備適用性方面考慮，該試驗系統(tǒng)最大剪切荷載可達(dá)100 kN，而圍壓最大可設(shè)定5 MPa，采用液壓程序控制加載方式，所有荷載加載裝置均采用活塞推動形式試驗，試驗過程中荷載振幅≤1%，確保荷載滿足靜力加載要求。數(shù)據(jù)采集裝置是外接一個十六通道數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備，可滿足試驗實時采集監(jiān)控要求，數(shù)據(jù)間隔可根據(jù)試驗數(shù)據(jù)精度要求，可設(shè)定在0.01～10 s，數(shù)據(jù)處理時確保光滑度在95%以上。應(yīng)力與變形參數(shù)采集裝置分別以荷載傳感器、變形傳感器為載體，荷載裝置最小精度可達(dá)0.01 N，而變形傳感器包括有軸向與環(huán)向變形裝置，試驗前分別進(jìn)行標(biāo)定和誤差清零，軸向變形傳感器量程為-15～15 mm，確保最小誤差≤0.1%。試驗全過程均采用電腦程序控制，本試驗中加載變形速率控制為0.01 mm/min，確保試驗進(jìn)程處于可控狀態(tài)，滿足試驗破壞力學(xué)研究要求。

本試驗中所用樣品均來自百色“橫5”高速公路K1+255區(qū)段處膨脹土邊坡工程現(xiàn)場，經(jīng)現(xiàn)場原位試驗測定該膨脹土最優(yōu)含水量為17.5%，承載力為80～110 kPa左右。為提升膨脹土承載能力與限制變形特征，采用固化液對試驗樣品進(jìn)行物理改良，確保改性土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本試驗一方面為研究改性土的剪切力學(xué)特征，一方面探討固化液摻量對改性土力學(xué)特征影響，因此設(shè)定圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，固化液摻量分別按照原狀土樣質(zhì)量的1%、3%、5%、7%、9%設(shè)定，具體試驗參數(shù)如表1所示。所有試樣均在實驗室經(jīng)重塑加工后，混合相應(yīng)的固化液摻量，制備成試驗樣品，并在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，所有試樣制備后直徑、高度分別為75 mm、150 mm[9-10]。本試驗中在分析不同圍壓、不同固化液摻量后，確定最適宜的固化液摻量，進(jìn)而分析該高膨脹土穩(wěn)定性。

表1 各組試樣試驗參數(shù)表

2.2 力學(xué)特征分析

根據(jù)對改性土開展三軸剪切試驗，獲得不同圍壓不同摻量影響下改性土剪切應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖2為典型圍壓100 kPa、400 kPa下試驗結(jié)果。從圖2可看出，固化液摻量與改性土加載應(yīng)力水平具有正相關(guān)關(guān)系，含固化液成分的改性土加載應(yīng)力水平均高于原狀膨脹土試樣。在剪切應(yīng)變?yōu)?%時固化液摻量為1%試樣的加載應(yīng)力為280.3 kPa，而在該應(yīng)變下?lián)搅繛?%、7%、9%試樣的應(yīng)力較之分別增長了50.5%、65.8%、92.6%。當(dāng)固化液摻量愈多，則膨脹土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)被壓密、填充效果越好，對于顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要的提升作用，故而表現(xiàn)為加載應(yīng)力水平較高的現(xiàn)象。但從固化液成分正向促進(jìn)效果階段性來看，圍壓為100 kPa、應(yīng)變?yōu)?%時，原狀土摻量1%～5%試樣間平均加載應(yīng)力水平增長為25.2%，而在摻量5%后，應(yīng)變不發(fā)生變化，但加載應(yīng)力水平增幅為8.5%，此時固化液成分對改性土加載應(yīng)力水平的促進(jìn)效應(yīng)達(dá)到“飽和”狀態(tài)。分析認(rèn)為，固化液成分本質(zhì)上是一種填充密實劑，當(dāng)膨脹土試樣與固化液成分糅合改造后，其內(nèi)部大部分活動孔隙均得到良好愈合，但仍存在一些閉合孔隙或非活動孔隙無法有效吸收的固化液成分，因而即使固化液成分增多，對改性土加載應(yīng)力水平影響也是停滯狀態(tài)[11]。從該高速公路膨脹土邊坡改良設(shè)計考慮，固化液成分摻量控制在合理值即可，不需要增加過多。

(a)圍壓100 kPa

(b)圍壓400 kPa

從改性土變形特征來看，固化液摻量愈大，則土體塑性變形能力愈強，出現(xiàn)峰值應(yīng)力階段愈滯后，圍壓100 kPa下僅固化液摻量為9%的試樣未出現(xiàn)峰值應(yīng)力，而在圍壓200 kPa下固化液摻量為7%、9%的試樣均未出現(xiàn)峰值應(yīng)力，而摻量5%下峰值應(yīng)力出現(xiàn)較滯后，整體上可表現(xiàn)為圍壓增大，改性土受固化液摻量影響，塑性能力更得到強化。固化液摻量增大，改性土彈性變形模量均增大，圍壓100 kPa下?lián)搅繛?%的試樣彈性模量為64.7 kPa，而摻量為5%、9%的試樣彈性模量較之分別增加了27.8%、50.6%；固化液摻量每增大2%，其彈性模量平均可增加25.8%，而圍壓400 kPa下彈性模量隨固化液摻量增加平均增加10.4%。分析表明，圍壓增大后，固化液成分對改性土彈性變形能力的影響受到限制，塑性變形能力提升，對邊坡大滑移及潛在滑動面形成具有重要促進(jìn)效果。

在上述試驗結(jié)果上，對各試驗條件下的改性土試樣抗剪強度進(jìn)行處理，其中未出現(xiàn)峰值強度的試樣取應(yīng)變?yōu)?5%對應(yīng)加載應(yīng)力，如圖3所示。從圖中可知，固化液摻量愈多，改性土試樣抗剪強度愈高，但增幅在摻量達(dá)5%后逐漸減弱。圍壓100 kPa下?lián)搅繛?%時試樣抗剪強度為431.82 kPa，而摻量為3%、7%、9%的試樣抗剪強度較之分別增強了30.9%、83.1%；摻量為1%～5%的試樣抗剪強度隨之平均增幅為43.8%，而摻量為5%～9%的試樣抗剪強度的平均增幅為6.1%。當(dāng)圍壓增大至300 kPa、400 kPa后，整體上抗剪強度均得到顯著增長，但固化液摻量對強度的促進(jìn)效應(yīng)變化較小，仍以摻量5%為增強轉(zhuǎn)折變化節(jié)點。由此可知，對于百色高速公路高膨脹土邊坡工程中的土質(zhì)改良問題，可確定固化液摻量5%為最優(yōu)參數(shù)。

圖3 不同圍壓下改性土抗剪強度隨固化液摻量變化特征曲線圖

3 膨脹土高邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性分析實質(zhì)上是求解邊坡安全系數(shù)，而邊坡安全系數(shù)的求解方式主要通過有限差分法，結(jié)合具體工程巖土參數(shù)求解。基于有限元分析方法與各個巖土層，劃分出該高邊坡有限元單元網(wǎng)格模型，如圖4所示。針對降雨條件，設(shè)定邊坡頂、底部均為入滲邊界，且邊界入滲系數(shù)根據(jù)降雨強度、降雨時間綜合設(shè)定，分別以原狀膨脹土邊坡、固化液摻量5%改良后邊坡為對比對象，兩種邊坡研究對象的土體滲透系數(shù)分別設(shè)定為1.75×10-6m/s、5.35×10-7m/s，并加以不同降雨強度、降雨時間等因素。

3.1 改性膨脹土邊坡穩(wěn)定性

根據(jù)對改性土邊坡滑移面仿真計算，獲得原膨脹土邊坡與固化液摻量5%改性土邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，如圖5所示。圖5中橫、縱坐標(biāo)與前述網(wǎng)格單元劃分一致。從圖5對比可看出，原狀膨脹土潛在滑移面比改性土邊坡占據(jù)面積要大，且滑移方向以前者更為顯著，表明前者邊坡滑移失穩(wěn)可能性較高，不利于邊坡工程的安全穩(wěn)定性。

圖4 邊坡單元網(wǎng)格劃分圖

(a)原狀膨脹土邊坡

(b)固化液為摻量5%的改性土邊坡

在百色高速公路施工擾動時間過程中，計算獲得各時間節(jié)點不同摻量改性土與原狀土邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)，如圖6所示。從安全穩(wěn)定系數(shù)變化可反映邊坡逐步失穩(wěn)的過程，在施工開挖第5 d時，原狀膨脹土邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.93，而開挖第10 d、30 d時原狀膨脹土邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)分別減少了14.4%、41.6%；施工開挖每5 d平均會導(dǎo)致安全穩(wěn)定系數(shù)降低10.1%，在開挖第35 d時安全穩(wěn)定系數(shù)甚至<1，表明邊坡失穩(wěn)破壞。相比之下，摻固化液改性土邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)隨施工開挖時間變化降幅較穩(wěn)定，在固化液摻量5%改性土邊坡中，開挖第10 d、20 d、30 d時安全穩(wěn)定系數(shù)較初始開挖第5 d分別減少了6%、12.9%、19.2%，安全穩(wěn)定系數(shù)隨每開挖5 d平均降低2.6%，在開挖全過程中安全穩(wěn)定系數(shù)均>1。由此可知，摻固化液改性土邊坡安全穩(wěn)定性得到顯著提高，有利于工程建設(shè)[12]。

圖6 施工過程中不同類型邊坡安全系數(shù)曲線圖

3.2 降雨時長

當(dāng)降雨時長不同時，邊坡穩(wěn)定性會有所差異，土體吸收水量進(jìn)而達(dá)到飽和狀態(tài)需要一定的時間，膨脹土的體積膨脹變形的發(fā)生是在充足的水分與一定階段緩慢變形的過程中實現(xiàn)的，因而需要研究改性膨脹土邊坡在不同降雨持續(xù)時間下的穩(wěn)定性。

圖7為降雨時長影響邊坡安全系數(shù)變化曲線，從其整體演化特征可看出，隨著降雨時間延長，邊坡安全系數(shù)均降低。固化液摻量為3%邊坡在降雨第10 h時安全穩(wěn)定系數(shù)為1.59，而降雨時間每延長10 h，安全穩(wěn)定系數(shù)平均減少8%。在降雨全過程中，固化液摻量為9%邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)分布為1.1～2.09，降雨第20 h、40 h安全穩(wěn)定系數(shù)較第10 h時分別減少了3.6%、7.7%，隨降雨時間每延長10 h，安全穩(wěn)定系數(shù)平均減少7.5%，即固化液摻量3%、9%改性土邊坡在施工開挖后，在降雨時間持續(xù)較長的前提下，安全穩(wěn)定系數(shù)均會逼近1。固化液摻量為5%改性土邊坡在施工開挖結(jié)束時，降雨全過程中安全穩(wěn)定系數(shù)均>1.5，降雨第20 h、30 h時的安全穩(wěn)定系數(shù)較降雨第10 h時分別減少了4.2%、6.4%，安全穩(wěn)定系數(shù)隨降雨時間每延長10 h平均降低2.4%。綜合認(rèn)為，即使降雨時間延長或降雨范圍擴大，固化液摻量為5%改性土邊坡安全穩(wěn)定性均較高，因而百色高速公路膨脹土高邊坡采用摻量5%固化液處理較為適宜。

圖7 不同降雨時長下邊坡安全系數(shù)曲線圖

3.3 降雨強度

膨脹土高邊坡穩(wěn)定性不僅受降雨時長影響，也受降雨量的影響。為此，在有限元分析軟件中設(shè)置不同的降雨量，研究在同一施工開挖時間及降雨時長下，降雨量對改性膨脹土高邊坡穩(wěn)定性的影響變化。

圖8為不同降雨強度下改性膨脹土高邊坡安全系數(shù)特征值。從圖中可看出，隨著降雨強度增加，不論固化劑摻量多少，其安全穩(wěn)定系數(shù)均隨降雨強度增加而遞減，在固化液摻量為1%時，降雨強度5 m/s下安全穩(wěn)定系數(shù)為1.17，而降雨強度為35 m/s、65 m/s后，安全穩(wěn)定系數(shù)分別減少了15.3%、38.8%。這是由于降雨強度增大后，突破邊坡土層抗?jié)B面層可能性增加，局部滲流活動觸發(fā)邊坡內(nèi)潛在滑移面形成，導(dǎo)致邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)減小。當(dāng)固化劑摻量增加后，受降雨強度影響邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的降幅在減小，以固化液摻量5%為例，該類型改性土邊坡在降雨強度每增大10 m/s時，其安全穩(wěn)定系數(shù)減小5.3%，而固化液摻量為9%時該降幅為6.9%。由此可見，固化液成分有助于控制邊坡內(nèi)孔隙水壓力分布及影響程度，對邊坡安全穩(wěn)定具有促進(jìn)效應(yīng)；當(dāng)固化液摻量為5%時，隨降雨強度變化，該邊坡工程的安全穩(wěn)定系數(shù)維持在1.6，穩(wěn)定性較佳。

圖8 不同降雨強度下邊坡安全系數(shù)曲線圖

4 結(jié)語

(1)固化液摻量與改性土承載能力具有正相關(guān)關(guān)系，但摻量達(dá)到5%后對承載能力的促進(jìn)效應(yīng)減弱；圍壓100 kPa下?lián)搅繛?%～5%的試樣抗剪強度平均增幅為43.8%，而摻量為5%～9%的試樣抗剪強度的平均增幅為6.1%；固化液成分對改性土塑性變形能力有提升，但對彈性變形能力有所限制。

(2)改性土邊坡潛在滑移面弱于原狀膨脹土邊坡；隨施工開挖進(jìn)程，每5 d原狀膨脹土邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)平均降低10.1%，在開挖第30 d時安全穩(wěn)定系數(shù)甚至<1；改性土邊坡在開挖全過程安全系數(shù)均>1，摻量為5%的改性土邊坡安全系數(shù)隨每開挖5 d平均降低2.6%。

(3)降雨時間愈長，安全系數(shù)愈低，隨降雨時間延長10 h，摻量為3%、9%的改性土邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)分別平均減少8%、7.5%，摻量為5%的改性土邊坡降雨全過程中安全穩(wěn)定系數(shù)均>1.5，固化液改性劑摻量5%更為適宜。

(4)邊坡安全系數(shù)均隨降雨強度增大而遞減，但摻量愈多，改性土邊坡安全系數(shù)隨之降幅愈小，摻量為5%、9%的改性土邊坡在降雨強度每增大10 m/s時，安全系數(shù)分別減小5.3%、6.9%，摻量為5%的改性土邊坡安全穩(wěn)定狀態(tài)較優(yōu)。