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【摘 要】滑坡是斜坡破坏形式中分布最广、危害最为严重的一种。研究开发新的滑坡治理方法与理论一直是地质工作者滑坡防治研究工作的重点。笔者在实际工作中采用一种新的经济适用的离子固化剂，让其与土相互作用,通过改变粘土颗粒双电层结构,永久地将土壤的亲水性变为疏水性,使滑带土抗剪强度提高，从而提高滑坡的稳定性。本文以湖北宣恩大沟湾滑坡为例，在不同参数下模拟滑坡的变形破环，进行对比分析。研究结果表明，加固后滑坡的总位移、剪应变均明显减小，主应力状态也得到改善，稳定性得到提高。
【关键词】滑坡；离子固化剂；滑带土；稳定性
Ion Stabilizer Strengthening sliding soil slope stability analysis
Ning Wu-bin
(China Nuclear New Energy Engineering Industry Co.,Ltd Taiyuan Shanxi 030012)
【Abstract】Landslide is a kind of slope,which is the widest distribution and the most severity hazard. It is always importance that developing a new method to prevent landslide. In this research,we use a new kind of economic and suitable Ionic Soil Stabilizer ( ISS for short) .After it mixed with soil,through changing the double electricity layer structure of clay particle,it changes the soil hydrophilicity into hydrophobicity permanently,and increases the shearing strength of sliding soil,then increases the stability of landslide. This article takes Dagou wan Landslide as a example ,located in Xuanen,Hubei Province. We simulate the deformation and destruction of the landslide with different parameters,then compare and analysis the results. The results indicate that the whole displacement and shearing strain of the landslide reduce clearly after reinforcing,the main stress and the stability of the landslide also improve.
【Key words】Landslide;Ionic;Soil Stabilizer;Sliding soil;Shearing strength;Stability
1. 引言
滑坡是斜坡破坏形式中分布最广、危害最为严重的一种。目前，滑坡在自然界中时有发生，不仅给人类工程活动和生命财产带来巨大的损失，而且在滑坡的治理时，工程投资较大，一个滑坡的治理就要几百万乃至上千万。因此研究开发新的滑坡治理方法与理论，建立滑坡检测系统一直是滑坡防治研究工作的重点，尤其是对我国这样一个地质灾害频发的发展中国家显得更为重要。
斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象，称为滑坡。滑坡的机制是某一滑移面或滑动带上的剪应力超过了该面的抗剪强度所致。因此滑带土的岩土工程性质常控制滑坡体的稳定性，其抗剪强度的高低直接影响到滑坡治理的规模和投资。
对于因滑动带土质不良而引起的滑坡的治理，长期以来采用的主要有电渗排水、焙烧、化学灌浆等改良土质的方法。然而这些方法都存在一定的局限性。电渗排水方法一般只能处理小型的饱水土质滑坡，由于需要额外的能源向滑坡体充电，该方法并不经济；焙烧法也称热加固法，是将热能导入滑坡体，使滑带土水分蒸发来提高其抗剪强度，一般仅应用于位于非饱和带的小型滑坡治理；化学灌浆在滑坡治理工程中较常用，采用石灰、硅酸钙、磷酸铵、氧化铝、氧化钙及其他三价金属阳离子溶液，将其灌入饱和粘性土滑带中，交换出土中的阳离子，可使饱和粘性土的抗剪强度提高；但是对饱和粘性土滑带而言，由于粘土颗粒的结合水膜较厚，土渗透系数佷低，所以如何将浆材灌入滑坡体是一大难题。本文采用一种新的化学加固方法，即采用经济适用的离子土固化剂来加固滑带土，增加滑带土的抗剪强度，从而提高滑坡的稳定性。
离子土固化剂是一种由多个强离子组合而成的水溶性化学物质，适用于粘土粒组含量在25%以上的各种土类。它与土相互作用后,通过改变粘土颗粒双电层结构,能永久地将土壤的亲水性变为疏水性,使滑带土抗剪强度提高，从而提高滑坡的稳定性。采用离子土固化剂加固粘土，不仅施工周期短，费用低，而且保护环境，对人、牲畜、植物和大自然也无损害。
对于离子土固化剂加固滑带土在国内已经有些研究，其研究结果也证实了该种固化材料能够改善滑带土的性质，提高其抗剪切强度。
2. 工程简介
大沟湾滑坡属于瞿家湾滑坡体的一部分，位于湖北省宣恩县洞坪水库库区内。区内属中亚热带季风湿润气候，雨量充沛，忠建河流经本区。整个滑坡体表层为第四系坡、堆积物，主要成分为含碎石粉质粘土；下部基岩为滨浅海相志留系中统纱帽组（S2sh）和志留系下统罗惹坪组（S1lr）地层，其岩性主要为页岩、粉砂质页岩。
大沟湾滑坡前缘高程390m，后缘高程610m，主滑体厚度12m左右，滑体物质以含碎石、砾石的粉质粘土为主，面积0.17Km.2，估算体积204×10.4m3。滑坡体所在的斜坡为志留系粉砂质页岩构成的顺向坡。滑面坡度前缘大概在20°C左右，到中部变得稍缓，坡度大概10°C，再往后缘又有些变陡，坡度增为30°C左右。
3. 室内试验
3.1 试验用土。
取大沟湾滑坡滑带土，其为重塑样，土样天然粒度成分见表1.制样前先用清水浸泡24h，然后过0.5mm筛，取筛下泥浆，让其静止沉淀，吸去上层清水，剩下的泥浆在自然状态下风干，碾碎，备样，并测其风干含水率为4.54%。
3.2 离子土固化剂。
对上述工程只采用一种离子固化剂ISS对土样进行加固。按每立方米土样加0.3L强化剂（未经加水的强化剂溶液）计算所需强化剂量，然后参照前人研究的不同配置比例下土样塑性指数的变化，选择塑性指数最小的那一组配比1：200，将强化剂配制成水溶液。
3.3 剪切强度参数的确定。
首先将离子土固化剂溶液按量加入到一定质量的土样中，用塑料袋密封，放在保湿缸中养护七天，以确保固化均匀，使固化剂的性能更好的得到发挥。然后分别测定固化前后图样的液塑限。将固化前后的土样分别调至到相应的液限状态（土样所能达到的最不利状态），制备环刀样，进行固结快剪试验，得到对应的抗剪强度参数。重复多组试验，最终得到固化前后对应的平均抗剪强度参数，见表2.
4. 滑坡稳定性的数值模拟结果分析
利用ansys数值模拟软件，考虑所需条件，选择滑坡的主滑剖面，根据上述试验结果，通过改变滑带的抗剪强度参数，对其进行二维的模拟，并对模拟结果进行分析。此外，考虑此次模拟的目的，未考虑地下水的影响。
4.1 滑坡力学模型的建立。
根据地质条件分析，选择滑坡的主滑剖面，建立二维地质力学模型，其左右边界为水平约束，下边界为固定端，其网格剖分图如图1。
4.2 滑坡的模拟方案。
根据试验结果，分别选取滑带土经ISS加固前后的两组不同的抗剪强度参数，对该滑坡进行二维的模拟。
图1 大沟湾滑坡主滑面二维网格剖分图
4.3 模拟结果的对比分析。
采取上述的模拟方案，得到滑带土加固前后的滑坡不同的模拟结果，下面笔者从位移、剪应变和主应力三个方面来对比分析。
4.3.1 位移。
滑带土加固前后滑坡的模拟结果分别为图2（a）、（b）所示。从位移模拟结果可以看出，该滑坡的后缘先出现破坏，最大位移均出现于后缘，滑坡的中间段位移也开始变大。其加固前滑坡的最大位移为1.458m，加固后滑坡的位移明显减小，其总位移减小到1.142m。
图2
4.3.2 剪应变。
滑坡加固前后的模拟结果如图3（a）、（b）所示。两个图均显示了最大剪应变出现在后缘，在中部剪应变也有较大值出现，且整个滑面有贯通的趋势。比较两图，加固前滑坡的XY平面的剪应变最大值为27.611KPa，加固后此方向的剪应变还是有所减小的，其值为22.457KPa。我们知道滑坡有一个临界剪切强度，滑坡的剪切强度一旦超过临界值，其稳定性将会迅速降低。滑坡加固前后剪切强度的变化也表明离子固化剂的固化效果还是可以的。
图3
4.3.3 主应力。
根据模拟结果，选取第一、三主应力进行分析，滑坡加固前后的主应力图分别为图4和图5。从模拟结果可以看出，主应力等值线几乎平行于滑面，各主应力的最大值均集中于滑坡后缘，这与前面的模拟也是相符合的。通过对比加固前后主应力的大小，第一主应力最大值（压应力）加固后增大，而第三主应力（拉应力）加固后变小，且加固后第一、三主应力的绝对值相差不大，根据摩尔库伦准则可以判断加固后滑坡稳定性有所改善。
图4
图5
4.4实验结果。
离子固化剂与粘土作用后，吸附在土壤表面的易水合的金属阳离子，被水合度较低、粘结力较强的离子及其水化合物所代替，使土壤颗粒表面弱结合水减少，粒间粘结力增强，滑坡的XY平面内的最大剪应变也有明显的减小，主应力也是得到了改善，其稳定性明显提高。
5. 结论
上述实验结果和滑坡稳定性模拟结果的对比分析，可以看出滑带土经离子固化剂加固后，其抗剪强度有所改善，这与离子固化剂的加固机理是密切相关的，相对的滑坡其稳定性也有明显的提高。
对滑坡而言，滑带土是影响滑坡稳定性的重要因素。ISS作为一种新型化学加固材料用来加固滑带土尚处于探索阶段，上述结果与实验研究都已经证明离子固化剂能够改善粘性滑带土的力学性能，对于滑带土的加固是可行的。
参考文献
［1］ 唐辉明，马淑芝，刘佑荣等，2002.三峡工程库区巴东县赵树岭滑坡稳定性与防治对策研究.地球科学 —中国地质大学学报，27(5)：621～625.2.
［2］ 陈彦生，董建军，1999.电离子土壤强化剂(ISS)施工指南.武汉:武汉工业大学出版社.
［3］ 项伟，崔德山，刘莉，2007.离子固化剂加固滑坡滑带土的试验研究. 地球科学 —中国地质大学学报，32（3）.
［4］ 张丽娟，汪益敏，2004.电离子土壤固化剂加固土的压实性能，华南理工大学学报（自然科学版），32（3）.
［5］ 胡新丽，David M.Potts,等，2007.三峡水库运行条件下金乐滑坡稳定性评价.地球科学—中国地质大学学报，32（3）.
［文章编号］1006-7619（2011）03-22-251
［作者简介］ 宁武斌（1982.08-），男，职称：工程师，工作单位：中核新能核工业工程有限责任公司。
【关键词】滑坡；离子固化剂；滑带土；稳定性
Ion Stabilizer Strengthening sliding soil slope stability analysis
Ning Wu-bin
(China Nuclear New Energy Engineering Industry Co.,Ltd Taiyuan Shanxi 030012)
【Abstract】Landslide is a kind of slope,which is the widest distribution and the most severity hazard. It is always importance that developing a new method to prevent landslide. In this research,we use a new kind of economic and suitable Ionic Soil Stabilizer ( ISS for short) .After it mixed with soil,through changing the double electricity layer structure of clay particle,it changes the soil hydrophilicity into hydrophobicity permanently,and increases the shearing strength of sliding soil,then increases the stability of landslide. This article takes Dagou wan Landslide as a example ,located in Xuanen,Hubei Province. We simulate the deformation and destruction of the landslide with different parameters,then compare and analysis the results. The results indicate that the whole displacement and shearing strain of the landslide reduce clearly after reinforcing,the main stress and the stability of the landslide also improve.
【Key words】Landslide;Ionic;Soil Stabilizer;Sliding soil;Shearing strength;Stability
1. 引言
滑坡是斜坡破坏形式中分布最广、危害最为严重的一种。目前，滑坡在自然界中时有发生，不仅给人类工程活动和生命财产带来巨大的损失，而且在滑坡的治理时，工程投资较大，一个滑坡的治理就要几百万乃至上千万。因此研究开发新的滑坡治理方法与理论，建立滑坡检测系统一直是滑坡防治研究工作的重点，尤其是对我国这样一个地质灾害频发的发展中国家显得更为重要。
斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象，称为滑坡。滑坡的机制是某一滑移面或滑动带上的剪应力超过了该面的抗剪强度所致。因此滑带土的岩土工程性质常控制滑坡体的稳定性，其抗剪强度的高低直接影响到滑坡治理的规模和投资。
对于因滑动带土质不良而引起的滑坡的治理，长期以来采用的主要有电渗排水、焙烧、化学灌浆等改良土质的方法。然而这些方法都存在一定的局限性。电渗排水方法一般只能处理小型的饱水土质滑坡，由于需要额外的能源向滑坡体充电，该方法并不经济；焙烧法也称热加固法，是将热能导入滑坡体，使滑带土水分蒸发来提高其抗剪强度，一般仅应用于位于非饱和带的小型滑坡治理；化学灌浆在滑坡治理工程中较常用，采用石灰、硅酸钙、磷酸铵、氧化铝、氧化钙及其他三价金属阳离子溶液，将其灌入饱和粘性土滑带中，交换出土中的阳离子，可使饱和粘性土的抗剪强度提高；但是对饱和粘性土滑带而言，由于粘土颗粒的结合水膜较厚，土渗透系数佷低，所以如何将浆材灌入滑坡体是一大难题。本文采用一种新的化学加固方法，即采用经济适用的离子土固化剂来加固滑带土，增加滑带土的抗剪强度，从而提高滑坡的稳定性。
离子土固化剂是一种由多个强离子组合而成的水溶性化学物质，适用于粘土粒组含量在25%以上的各种土类。它与土相互作用后,通过改变粘土颗粒双电层结构,能永久地将土壤的亲水性变为疏水性,使滑带土抗剪强度提高，从而提高滑坡的稳定性。采用离子土固化剂加固粘土，不仅施工周期短，费用低，而且保护环境，对人、牲畜、植物和大自然也无损害。
对于离子土固化剂加固滑带土在国内已经有些研究，其研究结果也证实了该种固化材料能够改善滑带土的性质，提高其抗剪切强度。
2. 工程简介
大沟湾滑坡属于瞿家湾滑坡体的一部分，位于湖北省宣恩县洞坪水库库区内。区内属中亚热带季风湿润气候，雨量充沛，忠建河流经本区。整个滑坡体表层为第四系坡、堆积物，主要成分为含碎石粉质粘土；下部基岩为滨浅海相志留系中统纱帽组（S2sh）和志留系下统罗惹坪组（S1lr）地层，其岩性主要为页岩、粉砂质页岩。
大沟湾滑坡前缘高程390m，后缘高程610m，主滑体厚度12m左右，滑体物质以含碎石、砾石的粉质粘土为主，面积0.17Km.2，估算体积204×10.4m3。滑坡体所在的斜坡为志留系粉砂质页岩构成的顺向坡。滑面坡度前缘大概在20°C左右，到中部变得稍缓，坡度大概10°C，再往后缘又有些变陡，坡度增为30°C左右。
3. 室内试验
3.1 试验用土。
取大沟湾滑坡滑带土，其为重塑样，土样天然粒度成分见表1.制样前先用清水浸泡24h，然后过0.5mm筛，取筛下泥浆，让其静止沉淀，吸去上层清水，剩下的泥浆在自然状态下风干，碾碎，备样，并测其风干含水率为4.54%。
3.2 离子土固化剂。
对上述工程只采用一种离子固化剂ISS对土样进行加固。按每立方米土样加0.3L强化剂（未经加水的强化剂溶液）计算所需强化剂量，然后参照前人研究的不同配置比例下土样塑性指数的变化，选择塑性指数最小的那一组配比1：200，将强化剂配制成水溶液。
3.3 剪切强度参数的确定。
首先将离子土固化剂溶液按量加入到一定质量的土样中，用塑料袋密封，放在保湿缸中养护七天，以确保固化均匀，使固化剂的性能更好的得到发挥。然后分别测定固化前后图样的液塑限。将固化前后的土样分别调至到相应的液限状态（土样所能达到的最不利状态），制备环刀样，进行固结快剪试验，得到对应的抗剪强度参数。重复多组试验，最终得到固化前后对应的平均抗剪强度参数，见表2.
4. 滑坡稳定性的数值模拟结果分析
利用ansys数值模拟软件，考虑所需条件，选择滑坡的主滑剖面，根据上述试验结果，通过改变滑带的抗剪强度参数，对其进行二维的模拟，并对模拟结果进行分析。此外，考虑此次模拟的目的，未考虑地下水的影响。
4.1 滑坡力学模型的建立。
根据地质条件分析，选择滑坡的主滑剖面，建立二维地质力学模型，其左右边界为水平约束，下边界为固定端，其网格剖分图如图1。
4.2 滑坡的模拟方案。
根据试验结果，分别选取滑带土经ISS加固前后的两组不同的抗剪强度参数，对该滑坡进行二维的模拟。
图1 大沟湾滑坡主滑面二维网格剖分图
4.3 模拟结果的对比分析。
采取上述的模拟方案，得到滑带土加固前后的滑坡不同的模拟结果，下面笔者从位移、剪应变和主应力三个方面来对比分析。
4.3.1 位移。
滑带土加固前后滑坡的模拟结果分别为图2（a）、（b）所示。从位移模拟结果可以看出，该滑坡的后缘先出现破坏，最大位移均出现于后缘，滑坡的中间段位移也开始变大。其加固前滑坡的最大位移为1.458m，加固后滑坡的位移明显减小，其总位移减小到1.142m。
图2
4.3.2 剪应变。
滑坡加固前后的模拟结果如图3（a）、（b）所示。两个图均显示了最大剪应变出现在后缘，在中部剪应变也有较大值出现，且整个滑面有贯通的趋势。比较两图，加固前滑坡的XY平面的剪应变最大值为27.611KPa，加固后此方向的剪应变还是有所减小的，其值为22.457KPa。我们知道滑坡有一个临界剪切强度，滑坡的剪切强度一旦超过临界值，其稳定性将会迅速降低。滑坡加固前后剪切强度的变化也表明离子固化剂的固化效果还是可以的。
图3
4.3.3 主应力。
根据模拟结果，选取第一、三主应力进行分析，滑坡加固前后的主应力图分别为图4和图5。从模拟结果可以看出，主应力等值线几乎平行于滑面，各主应力的最大值均集中于滑坡后缘，这与前面的模拟也是相符合的。通过对比加固前后主应力的大小，第一主应力最大值（压应力）加固后增大，而第三主应力（拉应力）加固后变小，且加固后第一、三主应力的绝对值相差不大，根据摩尔库伦准则可以判断加固后滑坡稳定性有所改善。
图4
图5
4.4实验结果。
离子固化剂与粘土作用后，吸附在土壤表面的易水合的金属阳离子，被水合度较低、粘结力较强的离子及其水化合物所代替，使土壤颗粒表面弱结合水减少，粒间粘结力增强，滑坡的XY平面内的最大剪应变也有明显的减小，主应力也是得到了改善，其稳定性明显提高。
5. 结论
上述实验结果和滑坡稳定性模拟结果的对比分析，可以看出滑带土经离子固化剂加固后，其抗剪强度有所改善，这与离子固化剂的加固机理是密切相关的，相对的滑坡其稳定性也有明显的提高。
对滑坡而言，滑带土是影响滑坡稳定性的重要因素。ISS作为一种新型化学加固材料用来加固滑带土尚处于探索阶段，上述结果与实验研究都已经证明离子固化剂能够改善粘性滑带土的力学性能，对于滑带土的加固是可行的。
参考文献
［1］ 唐辉明，马淑芝，刘佑荣等，2002.三峡工程库区巴东县赵树岭滑坡稳定性与防治对策研究.地球科学 —中国地质大学学报，27(5)：621～625.2.
［2］ 陈彦生，董建军，1999.电离子土壤强化剂(ISS)施工指南.武汉:武汉工业大学出版社.
［3］ 项伟，崔德山，刘莉，2007.离子固化剂加固滑坡滑带土的试验研究. 地球科学 —中国地质大学学报，32（3）.
［4］ 张丽娟，汪益敏，2004.电离子土壤固化剂加固土的压实性能，华南理工大学学报（自然科学版），32（3）.
［5］ 胡新丽，David M.Potts,等，2007.三峡水库运行条件下金乐滑坡稳定性评价.地球科学—中国地质大学学报，32（3）.
［文章编号］1006-7619（2011）03-22-251
［作者简介］ 宁武斌（1982.08-），男，职称：工程师，工作单位：中核新能核工业工程有限责任公司。