干濕循環(huán)對粉質(zhì)粘土路堤邊坡穩(wěn)定性影響分析

鄧志永

(湖南省衡洲建設(shè)有限公司，湖南衡陽 421001)

湖南地區(qū)濕熱多雨，且多為丘陵地貌，在高速公路建設(shè)過程中，不可避免地要經(jīng)過池塘、水田、湖區(qū)等地勢低洼地段，這些地段填筑的高填路堤，由于地下水位較高，季節(jié)交替及降雨作用下地下水位變動較為明顯，其路堤邊坡受干濕循環(huán)影響明顯。在工程建設(shè)中，人們越來越認識到干濕循環(huán)對路堤邊坡的不良影響，展開了一系列的研究工作。曹玲［1］研究了干濕循環(huán)條件下滑坡滑帶土強度特性及其變形特性，揭示了千將坪滑坡失穩(wěn)機制。韋杰［2］研究得出降雨－蒸發(fā)的干濕循環(huán)促使膨脹土滑坡內(nèi)部土體的孔壓、含水量的變化，從而形成裂隙，減小強度，降低邊坡的安全度。鄭澄鋒［3］數(shù)值模擬表明，每次干濕循環(huán)后膨脹土邊坡均積累了順坡向的沉降和水平向位移，揭示了干濕循環(huán)下膨脹土邊坡破壞的淺層性和漸進性。崔溦［4］通過膨脹土的室內(nèi)干濕循環(huán)模擬試驗，得出干濕循環(huán)性狀在膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析中占有重要地位。

1 干濕循環(huán)下路堤邊坡失穩(wěn)機理

邊坡失穩(wěn)是指坡體某一范圍內(nèi)土體沿某一滑移面向下或向外滑動而最終導(dǎo)致邊坡喪失穩(wěn)定性。若邊坡土體的下滑力大于其抗滑力，邊坡會產(chǎn)生滑動失去穩(wěn)定。分析以往的邊坡失穩(wěn)事故可知，一般情況下土質(zhì)均勻的土質(zhì)邊坡其破裂滑動面呈圓弧狀，邊坡土體的下滑力導(dǎo)致坡體中生成剪應(yīng)力，坡體的抗滑力實質(zhì)由邊坡土體的抗剪強度體現(xiàn)，邊坡的失穩(wěn)是由剪力破壞引發(fā)。庫侖定理認為，粉質(zhì)粘土的抗剪強度大小主要取決于其粘聚力和內(nèi)摩擦角。

干濕循環(huán)包括干燥－濕潤和濕潤－干燥兩個過程。路堤土體中的水分不是一成不變的，地下水位的上升、雨水沿著裂縫的滲入等導(dǎo)致含水率的增加，路堤邊坡土體進入干燥－濕潤過程。土顆粒之間的孔隙水圧變大，將生成大小不一的膨脹力。在干燥－濕潤過程中含水量持續(xù)增大，當孔隙水壓增長到臨界閾值時，膨脹力將破壞土顆粒間的連接且不可逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致土顆粒變得愈發(fā)分散，土體的孔隙比慢慢增大。宏觀上土體結(jié)構(gòu)上變得松散，微觀上土體內(nèi)部逐步形成大量的集聚體間孔。地下水位的季節(jié)性降低，氣溫回升帶來的蒸發(fā)作用等導(dǎo)致含水率降低，路堤土體進入濕潤－干燥過程。土顆粒體積伴隨含水率的降低而減小，基質(zhì)吸力逐步增加，干燥－濕潤過程中被分散的部分微顆粒重新集聚成團，一定數(shù)量的集聚體間孔逐步向集聚體內(nèi)孔轉(zhuǎn)化。部分不可逆的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致土體微顆粒只能少部分重新聚集，土體微顆粒在濕潤－干燥過程中的不均勻收縮，部分土顆粒逐漸團聚，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，最終引起土體內(nèi)摩擦角逐漸衰減。在多次反復(fù)干濕循環(huán)過程中，路堤內(nèi)部含水量反復(fù)波動，土體內(nèi)部細微結(jié)構(gòu)由于干濕循環(huán)過程中復(fù)雜多變的物理化學(xué)反應(yīng)遭到破壞，土體微顆粒之間的距離逐漸變大，孔隙比也隨之增大，直接導(dǎo)致粘聚力和內(nèi)摩擦角的衰減，降低土體的抗剪強度，從而給路堤邊坡的穩(wěn)定帶來不利影響，影響路堤邊坡的穩(wěn)定［5－12］。

2 干濕循環(huán)下粉質(zhì)粘土強度參數(shù)試驗

選取湖南湘西某高速公路料場的粉質(zhì)粘土進行室內(nèi)試驗研究，粉質(zhì)粘土基本土樣指標如表1 所示。

表1 粉質(zhì)粘土基本土性指標

2.1 粉質(zhì)粘土抗剪強度試驗方案

2.1.1 環(huán)刀試件制備

將湘西某高速的粉質(zhì)粘土按照最佳含水率(16.76%)配成實驗土樣，并對其進行悶料24 h，使得水分均勻分布。并選用61.8 mm，厚度為20 mm的標準尺寸的環(huán)刀，將已悶料好的土分層擊實至環(huán)刀內(nèi)，控制環(huán)刀內(nèi)土體的質(zhì)量以保證土體的壓實度為96%。

2.1.2 干濕循環(huán)過程模擬

將制備好的環(huán)刀試樣灑水增濕8%左右，使得試樣增濕到26%(粉質(zhì)粘土1 a 中最大含水率)，密封養(yǎng)護24 h 使得試樣內(nèi)外水分均勻分布，以此模擬干濕循環(huán)過程中的濕潤狀態(tài);將增濕的試樣烘干減濕8%，使得試樣含水率降低至18%(粉質(zhì)粘土1 a中最小含水率)，密封養(yǎng)護24 h 使得試樣內(nèi)外水分均勻分布，以此模擬干濕循環(huán)過程的干燥狀態(tài)，通過一次這樣的增濕－脫濕模擬了粉質(zhì)粘土試樣的一次干濕循環(huán)過程。通過重復(fù)不同次數(shù)的增濕－脫濕過程可模擬不同次數(shù)的干濕循環(huán)。如圖1。

圖1 各組干濕循環(huán)粉質(zhì)粘土試件

2.1.3 直剪試驗步驟

1)對準剪切容器上下盒，插入固定銷，在下盒內(nèi)安置濾紙和透水板，將制備好的環(huán)刀試樣刃口向上，使其對準剪切盒口，在試樣上放置硬塑料薄膜以及透水板，細心的推試樣入剪切盒內(nèi)。

2)開啟傳動裝置，調(diào)整上盒的前端鋼珠使其與測力計剛好接觸，依次安放傳壓板、加壓框架，安裝百分表量測水平位移，并調(diào)零或測定初始讀數(shù)。

3)根據(jù)工程實際對試樣施加100，200，300，400 kPa 等4 級荷載。

4)施以垂直壓力，拔掉固定銷，以0.8 mm/min的速度開始剪切，試樣每產(chǎn)生剪切位移0.2 ～0.4 mm 測記測力計和位移讀數(shù)，直至測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值，應(yīng)繼續(xù)剪切至位移為4 mm 時停機，記下破壞值。當剪切過程中測力計百分表無峰值時，至剪切位移達6 mm 時停止。

2.2 粉質(zhì)粘土抗剪強度試驗結(jié)果分析

通過快剪試驗測定的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，得到不同荷載(100、200、300、400 kPa)下粉質(zhì)粘土的抗剪強度，根據(jù)庫侖定理對其擬合，得到該土樣的抗剪強度參數(shù)如表2。

表2 干濕循環(huán)下粉質(zhì)粘土強度參數(shù)表

繪出粘聚力和內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖2、圖3 所示。

圖2 干濕循環(huán)下粉質(zhì)粘土粘聚力曲線

圖3 干濕循環(huán)下粉質(zhì)粘土內(nèi)摩擦角曲線

由圖2、圖3 可直觀看出，在粉質(zhì)粘土的干濕循環(huán)強度參數(shù)變化曲線中，粘聚力和內(nèi)摩擦角逐漸減小，并在經(jīng)歷前3 次的干濕循環(huán)后逐漸趨于平緩穩(wěn)定。粘聚力受前4 次干濕循環(huán)的影響較大，變化較快，后面6、8、10 次干濕循環(huán)逐漸趨于定值18 kPa。內(nèi)摩擦角也隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而呈現(xiàn)減小的趨勢，前3 次干濕循環(huán)對內(nèi)摩擦角的影響較大，后幾次干濕循環(huán)下內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定，基本保持在15°左右。可取后面4 次干濕循環(huán)作用下的粘聚力和內(nèi)摩擦角的平均值作為干濕循環(huán)后的強度參數(shù)穩(wěn)定值，粘聚力和內(nèi)摩擦角的修正值可分別取17.84 kPa和15.02°。

3 粉質(zhì)粘土路堤邊坡穩(wěn)定性分析

隨著高速公路建設(shè)的日益增多，路堤邊坡的穩(wěn)定性問題愈發(fā)受到重視，發(fā)展了各種各樣的邊坡穩(wěn)定理論和計算方法。路堤邊坡穩(wěn)定的定量分析主要是根據(jù)邊坡的土體力學(xué)性能，考慮各種荷載的作用，判斷其可能的破壞方式，選擇合適的參數(shù)對邊坡進行計算。路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)定量計算大體可分為極限平衡法和數(shù)值分析法兩大類。極限平衡法建立在極限平衡理論的基礎(chǔ)上，沒有考慮邊坡土體內(nèi)部的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系，計算所得到的穩(wěn)定系數(shù)，僅僅是假定的滑動面上的平均穩(wěn)定系數(shù)，不能求算滑動體內(nèi)部或滑動面上的實際內(nèi)力。數(shù)值分析法以有限元理論為基礎(chǔ)，可以克服極限平衡法的缺點，兼顧考慮土體的非線性實際應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系，較為精確的分析路堤邊坡失穩(wěn)的發(fā)生和形成過程。采用ABAQUS軟件對土路堤邊坡進行穩(wěn)定性數(shù)值模擬，更精確的對路堤邊坡穩(wěn)定性評估計算。

3.1 路堤邊坡概況

該邊坡位于湖南湘西某高速公路，路堤邊坡結(jié)構(gòu)如圖4 所示。該處路段路線走向穿過農(nóng)田，距離坡腳0.4 m 處左側(cè)有水溝，填土較高，路堤存在有向一處滑坍的危險，且坡腳處容易積水，排水困難，受干濕循環(huán)影響明顯。路堤填料以粉質(zhì)粘土為主，路基填土高度為10.4 m。

圖4 粉質(zhì)粘土路堤邊坡結(jié)構(gòu)圖

3.2 計算結(jié)果分析

平坦地基上粉質(zhì)粘土路堤邊坡有限元計算中應(yīng)變云圖如圖5 所示。

圖5 塑性應(yīng)變云圖

0、1、2、3、4、6、8、10 次干濕循環(huán)下路堤邊坡的穩(wěn)定系數(shù)如表3 所示，繪出穩(wěn)定系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖6 所示。

表3 粉質(zhì)粘土路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)

圖6 粉質(zhì)粘土路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)曲線

結(jié)合圖6、表3 分析可知，該處路堤邊坡的穩(wěn)定性隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小。在干濕循環(huán)作用下粉質(zhì)粘土邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.865 降低到1.501，降低幅度為20%。穩(wěn)定系數(shù)曲線在前4 次干濕循環(huán)作用時下降較快，后6、8、10 次干濕循環(huán)穩(wěn)定曲線較為平緩，穩(wěn)定性系數(shù)劣化幅度較小，可基本認為經(jīng)歷10 次干濕循環(huán)后粉質(zhì)粘土達到一種新的平衡狀態(tài)?？梢缘?0 次干濕循環(huán)后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)作為設(shè)計施工的依據(jù)。

4 結(jié)論

粉質(zhì)粘土路堤邊坡的穩(wěn)定性與土體的抗剪強度關(guān)系緊密，抗剪強度的大小由土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角決定，干濕循環(huán)次數(shù)的增多導(dǎo)致粉質(zhì)粘土的粘聚力和內(nèi)摩擦角衰減，容易引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。結(jié)合室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論:

粉質(zhì)粘土路堤邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而變小，在前3 次干濕循環(huán)下穩(wěn)定系數(shù)降低幅度較大，4 次干濕循環(huán)以后穩(wěn)定系數(shù)降低幅度微小。在0 ～10 次干濕循環(huán)作用下粉質(zhì)粘土路堤邊坡的穩(wěn)定系數(shù)由1.865 降低到1.501，降低約20%。

［1］曹 玲，羅先啟.三峽庫區(qū)千將坪滑坡滑帶土干濕循環(huán)條件下強度特性試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28(S).

［2］韋 杰，曹雪山，袁俊平.降雨－蒸發(fā)作用下膨脹土邊坡的非飽和滲流分析［J］.揚州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，13(1)52－57.

［3］鄭澄鋒，陳生水.干濕循環(huán)下膨脹土邊坡變形發(fā)展過程的數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報，2008，39(12):1360－1364.

［4］崔 溦，張志耕，閆澍旺.膨脹土的干濕循環(huán)性狀及其在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2010，8(5).

［5］李向陽，胡海波，郭 威.干濕循環(huán)條件下路基粘土的強度衰減規(guī)律試驗研究［J］.公路工程，2014(1).

［6］李 波.三級邊坡穩(wěn)定性分析的機動方法［J］.公路工程，2013(5).

［7］王培清，付 強.降雨入滲對裂隙性紅粘土邊坡的穩(wěn)定性影響分析［J］.公路工程，2013(5).

［8］張芳枝，陳曉平.反復(fù)干濕循環(huán)對非飽和土的力學(xué)特性影響研究［J］.巖土工程學(xué)報，2010，32(1):41－46.

［9］林育梁，陳小亮，楊 揚.膨脹土邊坡穩(wěn)定性非連續(xù)變形分析新方法［J］.巖土力學(xué)，2007，28(S1).

［10］楊和平，肖 奪.干濕循環(huán)效應(yīng)對膨脹土抗剪強度的影響［J］.長沙理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，2(2):1－5.

［11］陳生水，鄭澄鋒，王國利.膨脹土邊坡長期強度變形特性和穩(wěn)定性研究［J］.巖土工程學(xué)報，2007(6).

［12］王一漢，陳云鵬，劉建華.降雨入滲對土石壩邊坡穩(wěn)定性影響的分析研究［J］.公路工程，2012(3).