降雨条件下水泥改性膨胀土边坡稳定性数值分析研究

黎凤莲

【摘要：】文章以某地膨胀土边坡为分析对象，采用数值模拟的手段模拟分析了采用不同比例水泥土加固方式后边坡在降雨条件下的稳定性变化规律，并重点分析加固前后边坡安全系数和竖向、水平位移变化规律。结果表明：相比于边坡无防护手段时，采用3%水泥土、4%水泥土和5%水泥土防护手段在3次降雨后边坡安全系数降幅分别减小了42.8%、68.7%和73.8%;降雨入渗对边坡的浅层位移影响较大，边坡的最大水平和竖向位移分别出现在坡面中上部和坡顶位置;水泥土具有较好的隔离水分作用和重力效应，使土体产生较小的膨胀作用，起到良好的加固效果，能有效减小降雨过程中的边坡失稳风险，而边坡不采用防护手段时的位移基本上是采用水泥土防护手段时的5倍左右。

【关键词：】膨胀土边坡;降雨条件;水泥土;稳定性;数值分析

U416.1+4A230703

0 引言

土质边坡由于具有较好的透水性，在降雨条件下非常容易发展成膨胀性土边坡，加剧了土质边坡的失稳风险。近年来，国内学者对此进行了一些研究，主要有：文献[1-2]以降雨条件下膨胀土边坡渗流场变化进行分析，得到了裂隙存在及发展对边坡稳定性的影响，并重点分析了锚杆参数变化对膨胀土边坡和一般土质边坡的影响。文献[3-4]采用离心机试验与数值模拟试验相结合的手段，具体分析了土工格栅加固膨胀土边坡的效果，结果表明，采用长土工格栅或通长布置配筋方法可以提高膨胀土边坡稳定性，研究结果可为工程提供借鉴。文献[5-6]以膨胀土边坡为分析对象，重点研究了膨胀土边坡近年来的发展以及对膨胀土边坡稳定性的分析方法。文献[7-8]以某工程为研究背景，通过室内干湿循环试验，分析膨胀土边坡失稳破坏的主要原因，并采用数值模拟的手段进行了验证分析。本文主要以某地膨胀土边坡为分析对象，以数值模拟的手段模拟分析了采用不同比例水泥土加固方式后边坡在降雨条件下的稳定性变化规律，并重点分析加固前后边坡安全系数和竖向、水平位移变化规律。研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某地区膨胀土边坡，土质以坡残积细粒土亚组为主要成分，边坡高度为6 m，长度为12.5 m，坡率为1∶1.5。如图1所示，该边坡包括无防护坡段和水泥土防护坡段两个工况，对于有防护坡段，水泥土厚度为0.1 m，水泥土含量分别为3%、4%和5%。本文为了简化计算，假设边坡为均质边坡。

2 数值建模

2.1 模型建立

图2所示为计算模型图，边坡高度为6 m，长度为12.5 m，坡率为1∶1.5。本文在模拟过程中主要考虑边坡的吸湿膨胀影响，土体的重度、模量均取天然状态下的数值，采用强度折减法计算边坡安全系数。模型除上边界外，其他边界均进行位移约束。模型采用摩尔-库仑本构模型。图2分别为模型的土体强度和内摩擦角沿深度变化图。表1所示为天然土体和3%水泥土、4%水泥土和5%水泥土的物理力学参数。根据文献[3]，在数值模拟中，可以通过土体的温度膨胀系数和设置温度场来得到坡体温度分布，以此来模拟边坡吸湿膨胀作用。

2.2 工况设置

本文共分为4个工况，并对每种工况下边坡的初始状态和降雨后的状态进行模拟，分别如下：1#边坡为无防护形式;2#边坡为3%水泥土防护方式;3#边坡为4%水泥土防护方式;4#边坡为5%水泥土防护方式。降雨方式均为短时强降雨方式。

3 数值结果分析

3.1 边坡安全性分析

图3所示为各边坡安全系数随干湿循环次数变化曲线图。由图3可知，在降雨前各种工况下的边坡均保持较大的安全系数，稳定性较好，安全系数均在5.1之上，其中，1#边坡安全系数最小。随着水泥土含量增大，边坡安全系数增大。此外，在干湿循环试验中，随着干湿循环次数的增加，边坡安全系数依次减小。对于1#、2#、3#和4#边坡，在降雨3次后，安全系数依次分别减小了5.53%、3.02%、1.73%和1.38%。由此可知，相比于边坡无防护手段时，采用3%水泥土、4%水泥土和5%水泥土防护手段的边坡在3次降雨后的边坡安全系数降幅分别减小了42.8%、68.7%和73.8%。

3.2 边坡位移变化分析

位移是反映边坡安全性最为直观的参数之一，如下页图4～6所示，分别给出了1#边坡第1次降雨后和第3次降雨后以及4#边坡第3次降雨后的边坡水平位移和竖向位移数据。由图4～6可知，降雨入渗对边坡的浅层位移影响较大，这与现有研究相吻合，即膨胀土边坡在浅层表面已发生滑坡现象。边坡的水平位移最大值出现在坡面中上部位，而边坡的最大竖向位移出现在坡顶位置。对比图4和图5可知，对于1#边坡，第3次降雨后，边坡的水平位移和竖向位移明显大于第一次降雨后。对比图5和图6可知：对于4#边坡，第3次降雨之后，边坡的水平位移和竖向位移明显小于1#边坡。

为了更直观地显示各边坡位移变化，如下页图7所示，通过设置监测点得到了1#～4#边坡最大竖向和水平位移。由图7（a）可知，在降雨发生前（初始状态时）竖向位移为0 mm，第一次降雨后，1#～4#边坡竖向位移分别为20.04 mm、1.41 mm、0 mm和0 mm;第二次降雨后，1#～4#边坡竖向位移分别为22.31 mm、3.24 mm、3.23 mm和3.23 mm;第三次降雨后，1#～4#边坡竖向位移分别为22.54 mm、5.02 mm、5.07 mm和5.06 mm。由图7（b）可知，在降雨发生前（初始状态时）竖向位移为0 mm，第一次降雨后，1#～4#边坡水平位移分别为

9.33 mm、1.28 mm、0 mm和0 mm;第二次降雨后，1#～4#边坡水平位移分别为10.16 mm、1.53 mm、1.52 mm和1.51 mm;第三次降雨后，1#～4#边坡水平位移分别为10.64 mm、2.06 mm、2.02 mm和2.02 mm。综上可知，采用水泥土防护时，无论是竖向位移还是水平位移均比不采用防护手段时小得多。边坡不采用防护手段时的位移基本是采用水泥土防治手段时的5倍左右，其主要原因是：（1）水泥土起到了较好的隔离水分作用，致使土体产生较小的膨胀作用;（2）水泥土起到了重力效应，减小了土体膨胀性。由此，证明采用水泥土防护措施加固边坡可以起到良好的加固效果，能有效减小降雨过程中的边坡失稳风险。

4 结语

本文主要以某地膨胀土边坡为分析对象，采用数值模拟的手段模拟分析了采用不同比例水泥土加固方式后边坡在降雨条件下的稳定性变化规律，并重点分析加固前后边坡安全系数和竖向、水平位移变化规律，得到以下结论：

（1）相比于边坡无防护手段时，采用3%水泥土、4%水泥土和5%水泥土防护手段在3次降雨后边坡安全系数降幅分别减小了42.8%、68.7%和73.8%。

（2）降雨入渗对边坡的浅层位移影响较大，边坡的水平位移最大值出现在坡面中上部位，而边坡的最大竖向位移出现在坡顶位置。采用水泥土防护时，无论是竖向位移还是水平位移均比不采用防护手段时小得多，边坡不采用防护手段时的位移基本是采用水泥土防治手段时的5倍左右。

（3）水泥土具有较好的隔离水分作用和重力效应，可使土体产生较小的膨胀作用，起到良好的加固效果，能有效减小降雨过程中的边坡失稳风险。

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