基于FLAC3D的膨胀土边坡渐进变形失稳机理研究

第３２卷第４期　２０１３年１２月　武汉工业学院学报　Ｖ０１．３２Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２０１３　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　文章编号：１００９４８８１（２０１３）０４－００６３－０５　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４８８１．２０１３．０４．０１６　基于ＦＬＡＣ３Ｄ的膨胀土边坡渐进变形失稳机理研究　周峙，黄杰，刘甫平　（安徽省交通规划设计研究院有限公司，安徽合肥２３００８８）　摘要：以安徽省北沿江高速公路（马鞍山至巢湖段）的膨胀性黏土边坡为对象，通过分析边　坡变形失稳特点探究了此类边坡变形失稳机理，并基于ＦＬＡＣ３Ｄ软件针对某典型边坡开展了　边坡稳定性的数值模拟分析。分析结果表明：该类膨胀土边坡失稳受水作用影响显著，膨胀性　黏土遇水膨胀，且强度参数折减程度较大，膨胀土路堑边坡浸水后的破坏主要是发生在坡面浅　层．且浸水程度愈深。边坡稳定系数愈低，这表明膨胀土路堑边坡的稳定性受浸水湿化效应的　控制，通过在坡脚设置支挡工程防护，使得坡体的水平位移发生了显著的减小，加强了坡体的　整体稳定性。　关键词：膨胀性黏土；边坡稳定性；ＦＬＡＣ３Ｄ；数值模拟　中图分类号：Ｕ　４１６．１４　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｃｌａｙ　ｓｌｏｐｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＬＡＣ３　Ｄ　ＺＨＯＵＺｈｉ，ＨＵＡＮＧ　Ｊｉｅ，ＬＩＵ　Ｆｕ－ｐｉｎｇ　（Ａｎｈｕｉ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｈｅｆｅｉ　２３００８８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｃｌａｙ　ｓｌｏｐｅ　ｗｈｉｃｈ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｎｏｒｔｈ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　Ｙａｎｇｔｚｅ　ｒｉｖｅｒ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｉｎ　Ａｎｈｕｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　ａｓ　ａｎ　ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　ｅｘｐｌｏｒｅ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｉｎ—　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ｓｕｃｈ　ｓｌｏｐｅ，ｗｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｓｌｏｐｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＬＡＣ３　Ｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｆ０ｒ　ｔｈｉｓ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｃｌａｙ　ｓｌｏｐｅ　ｉｓ　ａｆ－　ｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｉｎｓｉｇｎｉｉｃａｎｔｌｙ，ｔｆｈｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｓｗｅｌｌｉｎｇ　ｃｌａｙ　ｉｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｆｏｒ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｓ　ｌａｒｇｅ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ　ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｌｏｐｅ　ａｆｔｅｒ　ｆｌｏｏｄｉｎｇ　ｏｃｃｕｒｒｅｄ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｓｌｏｐｅ，ａｎｄ　ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｉｓ　ｌｏｗｅｒ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｉｓ　ｄｅｅｐｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｗａｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂｙ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｆｌｏｏｄｉｎｇ．　Ｌａｓｔｌｙ，ｂｙ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｒｅｔａｉｎｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｆｏｏｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ，ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ　ｉｓ　ｒｅ—　ａｄｕｃｅｄ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ　ｉｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｓ￣ｅｎｇｔｈｅｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｘｐａｎｓｉｖｅ　ｃｌａｙ；ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ＦＬＡＣ３　Ｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　安徽省沿江高速公路马鞍山至巢湖段（下文简　收稿日期：２０１３－０７－Ｏ４．　作者简介：周峙（１９８７一），男，工程师，Ｅ—ｍａｉｌ：３３２４４Ｏ９９５＠ｑｑ．ｔｏｍ　称“马巢高速公路”）位于安徽东南部巢湖市境内，　４期　周峙，黄杰，刘甫平：基于ＦＬＡＣ３Ｄ的膨胀土边坡渐进变形失稳机理研究　６５　期间或雨后一段时间。　１．２马巢高速公路膨胀土边坡破坏形式　膨胀土边坡失稳形式相对一般黏土质边坡而言　２　基于ＦＬＡＣ膨胀土边坡渐进破坏　数值模拟分析　为了进一步探究马巢高速公路路堑膨胀土边坡失稳　机理，本文以马巢高速公路Ｋ７＋７２４膨胀土路堑边　有其特殊的形式。当坡体开挖形成临空面后，开挖　后的边坡坡率陡于土体自身的稳定坡率时即产生坍　塌变形，而高岭土层往往会成为坍塌变形的底界，由　于高岭土层的存在，使得坍塌变形的后壁较陡，为下　一次变形提供了条件。也就是说，马巢路黏土边坡　的坍塌变形由于存在高岭土层而具有以下两个特　点：①一般的坍塌变形变形底界近乎圆弧形，而马巢　高速公路则以高岭土层为底界，底界以上为圆弧形，　至底界后则沿高岭土层产生变形；②一般的坍塌变　形当变形后的坡率为稳定坡率后变形可能逐渐停　止，但膨胀土边坡的变形有可能逐步向后牵引。这　也就是马巢高速路边坡坡率放至很缓也会产生变形　的原因之一。边坡坍塌变形如图４、图５所示。　图４一般边坡坍塌变形　图５存在高岭土层边坡坍塌变形形式　１．３膨胀土边坡破坏原因及机理分析　坡体表层风化与水活动是影响膨胀土边坡变形　失稳的关键因素。从已破坏的膨胀土边坡的滑动面　看，膨胀土的抗剪强度并非同时发挥，而是逐步达到　抗剪强度峰值。路堑边坡在开挖后不及时封闭防　护，而是直接暴露于大气环境中，在干湿循环的条件　下膨胀土逐渐开裂会形成大量的裂隙，因表层裂隙　发育的土层相对透水而下伏风化影响较弱土层相对　隔水，雨水渗至相对隔水土层时，易聚水发生膨胀软　化导致膨胀土强度的不均匀性和应力差异。当土中　某一点的剪应力增加到等于该点土的抗剪强度时，　则该点产生剪切破坏，剪切破坏逐渐传播，最后引起　坡体的整体破坏。　坡为例，基于ＦＬＡＣ对边坡降雨前后及雨水浸入坡　体不同深度时的边坡稳定性进行数值模拟分析。　２．１膨胀土边坡地质模型建立与参数选取　本次数值模拟选取路堑右侧挖方边坡进行分　析，原地貌为低丘，自然坡角为１５＿２０。，路线从山　前通过，路基宽度为３４．５　１１＂１，路面结构层自重荷载　设计值为１８．０　ｋＰａ，行车荷载设计值为４．０　ｋＰａ，边　坡开挖深度为１０　ｍ，坡体上覆１－－２　ｍ粉质黏土层，　下伏９　ｎｌ高岭土夹卵石层，原设计坡率为１：１．０　（见图６）。　图６　Ｋ７＋７２４段边坡设计横断面　对坡体浸水后产生的膨胀力处理，目前也是根　据经验来施加的，孙即超　等人采用反演方法来确　定膨胀土的膨胀模型（ＥＳＥＭ）：　Ｆ＝０（（￡，～∞０）　．　（１）　其中０为膨胀力膨胀参数，　为天然含水率，该模　型反映了膨胀土的膨胀潜势与含水率和深度随深度　变化的关系，深度越大，其膨胀潜势就越大，膨胀力　的大小随含水率的增加而增大。而实际过程中，不　同风化层的含水率是不一致的，风化程度愈强的地　层，含水率愈大，而未风化层的裂隙发育相对较弱，　因此含水率相对较低。实际膨胀力的大小沿边坡深　度的分布特点为：表层内的膨胀力由０开始逐渐增　加、弱风化层内的膨胀力维持不变、深层内的膨胀力　开始逐渐减小至０。因此，根据该段含高岭土膨胀　土路堑边坡的浸水和风化特点，将浸水后的路堑边　坡在沿坡面法向方向上由表及里分为３层，即表层　强风化层、弱风化层和深层未风化层。　考虑降雨作用对边坡稳定性的影响是渐进的，　因此将路堑膨胀土边坡的浸水状态依次分为：未浸　水（天然状态）、浸水状态（雨水人渗强风化层，即下　渗坡体１．０　ｍ）、浸水状态（雨水入渗弱风化层，即下　渗坡体２．０　ｍ）。针对三种状态下边坡变形和稳定　６８　武汉工业学院学报　明膨胀土路堑边坡浸水后的破坏是发生在坡面浅层　的，这就是马巢路膨胀土路堑边坡在降雨期间总易　在坡面或表层发生溜塌和滑动的原因。　（２）浸水后，膨胀土路堑边坡的稳定系数显著　下降，并且均发生失稳现象，且浸水程度愈深，边坡　稳定系数愈低，这表明膨胀土路堑边坡的稳定性受　浸水湿化效应的控制。　（３）通过在坡脚设置微型抗滑桩，边坡的水平　位移发生了显著的降低，这也表明稳固坡脚有利于　膨胀性土质边坡的稳定。　（４）针对该类膨胀土边坡破坏特点，建议必须　坚持“治早、治小、以防为主”的原则，在处治过程中　应本着“治坡先排水，防滑先防水”的原则。水是膨　胀土的关键影响因素，地表水、地下水均需在施工过　程中尽早处理。路堑处有积水渗透或路堤底有地下　水均需设置盲沟、渗沟等渗水及排水设施，及时将施　工场地的积水排至场外。　膨胀土路堑边坡建议在坡脚设置挡土墙或微型　抗滑桩等支挡措施，并且保证墙基干燥，墙背设置稍　厚的反滤层，以抵消墙后部分应力和膨胀力的释放。　坡面建议设置骨架护坡并进行草灌混植等坡面绿化　防护，草皮对边坡的隔热保湿、保温、防止土体的干　缩湿胀有一定作用，但草皮固着深度有限，在暴雨季　节易被冲刷，因此宜设置一些支撑土体的浆砌片石　骨架。　总而言之，合理及时地采取支挡排水措施可以　有效地防止该类膨胀性土质边坡的失稳破坏，从而　降低施工难度和工程经济损失。　参考文献：　［１］　孙即超，王光谦．膨胀土膨胀模型及其反演　［Ｊ］．岩土力学，２００７，１０（２８）：２０５５－２０５９．　［２］　刘洋．合肥膨胀土抗剪强度与含水量的关系　研究及工程应用［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，　２００３．　［３］　李钊，唐兰兰．膨胀土边坡破坏的机理与防治　［Ｊ］．公路，２００３，ｌ（１）．３１－３４．　［４］　肖世国．膨胀土堑坡稳定性分析［Ｊ］．岩土力　学，２００１，２１（２）：１５２－１５５．　［５］　龙科军．膨胀土路堑边坡有限元分析［Ｊ］．公　路与汽运，２００１，（８４）：２３－２４．　［６］　卫军，谢海洋，李小对，等．膨胀土边坡的稳定　性分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００４，２３　（１７）２８６５—２８６９．　［７］　杜英．高速公路膨胀土路堑边坡的设计与施　工技术研究［Ｊ］．公路，２００５，７（７）：１１８—１２１．　［８］　丁振洲，郑颖人，李利晟．膨胀力变化规律试　验研究［Ｊ］．岩土力学，２００７，２８（７）：１３２８．　１３３２．　［９］　林育粱，陈小亮，杨扬．膨胀土边坡稳定性非　连续变形分析新方法［Ｊ］．岩土力学，２００７，　２８（Ｓｕｐｐ．１）：２５４－２５８．　［１０］　廖世文．膨胀土与铁路工程［Ｍ］．北京：中国　铁道出版社．１９８４．