季節(jié)性浸水條件下軟土路基穩(wěn)定性探討

鐘榕芳

摘要：季節(jié)性浸水軟土地區(qū)巖土體強度參數(shù)受干濕循環(huán)影響較大，文章以實際工程為例，通過三軸試驗研究干濕循環(huán)作用下路基土體強度參數(shù)變化特征，并采用數(shù)值模擬方法分析路基穩(wěn)定性。研究表明：試樣強度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系密切，干濕循環(huán)4次后，強度參數(shù)趨于穩(wěn)定;在干濕循環(huán)8次后，路基最大變形量達到10.0 cm;在路基支護時應(yīng)當考慮路基浸水帶來的強度變化，避免支護強度不夠造成路基失穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：軟土路基;干濕循環(huán);強度;數(shù)值模擬

0 引言

在交通運輸工程項目建設(shè)過程中，往往會遇到地形變化起伏較大的現(xiàn)象，針對這種情況，通常采用開挖、回填等方式改變原有地形，以滿足主體工程建設(shè)的需求。路基作為道路建設(shè)的基礎(chǔ)部分，其穩(wěn)定性關(guān)系到整個工程的正常使用安全，針對路基穩(wěn)定性進行研究具有十分重要的意義。齊魯寧等[1]結(jié)合G109工程實例，對凍土區(qū)挖方路基邊坡穩(wěn)定性進行研究，為工程施工提供參考;張沖沖等[2]采用數(shù)值模擬方法對紅黏土路基在降雨作用下的穩(wěn)定性情況進行研究，認為紅黏土對路基穩(wěn)定影響較小;陳強等對[3]V型溝谷地區(qū)填方路基穩(wěn)定性進行研究，認為V型谷坡度對路基變形影響較大;張凌晨等[4]為了研究路基邊坡穩(wěn)定性情況，提出了一種新條分法，可體現(xiàn)路基邊坡漸進演變過程;郭天惠等[5]采用有限元數(shù)值模擬方法分析了不同填筑高度對路基變形的影響。針對路基變形、穩(wěn)定性等的研究已經(jīng)取得了較多的成果，所采用的主要手段包括數(shù)值模擬[6-8]、力學實驗[9]等。本文以實際工程為例，通過室內(nèi)試驗獲取干濕循環(huán)作用下路基巖土體強度參數(shù)變化特征，并結(jié)合數(shù)值模擬方法分析路基穩(wěn)定性情況。

1 工程概況

為了研究季節(jié)性降水影響作用下路基邊坡的穩(wěn)定性情況，選取我國南方某在建公路為研究對象。該道路路基高度為6.0 m，單車道寬度為3.75 m，道路表面屬于不透水層，季節(jié)性降水主要從路基邊坡入滲。

2 干濕循環(huán)作用下土體強度變化研究

2.1 干濕循環(huán)實驗條件

2.1.1 實驗材料和設(shè)備

為了保證室內(nèi)力學試驗結(jié)果可以應(yīng)用于工程實踐，在工程現(xiàn)場獲取室內(nèi)力學試驗所需要的試樣材料。干濕循環(huán)試驗采用恒濕箱，以保證良好的試驗條件，從而獲取更為可靠的實驗數(shù)據(jù)。

2.1.2 實驗步驟

試驗溫度主要依據(jù)工程所在地的氣候條件設(shè)定，參照當前干濕循環(huán)試驗成果[10-11]，對試樣進行0、1、2、4、6、8次干濕循環(huán)，獲取不同循環(huán)次數(shù)下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及抗剪強度參數(shù)。實驗步驟如下：南方地區(qū)夏季降水較多，主要模擬當?shù)叵募練夂驐l件，設(shè)置試驗箱溫度為27 ℃，濕度為75%，對飽和試樣進行干燥處理;試樣飽水采用抽氣飽水的方法，含水率達到22%時即可，此時，完成一次試樣的干濕循環(huán)。選取不同循環(huán)次數(shù)的試樣，完成三軸試驗，圍壓分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa。實驗剪切速率為0.015 mm/min，設(shè)置軸向應(yīng)變速率為0.012 %/min。當試樣軸向應(yīng)變>20%時，實驗即可結(jié)束。

2.2 干濕循環(huán)作用下力學特性研究

2.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

不同試驗條件下不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線見圖1。從圖中可知，未進行干濕循環(huán)的試樣，偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變變化較為穩(wěn)定，僅表現(xiàn)為較弱的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。在三軸試驗初期，隨著應(yīng)變的增大，剪應(yīng)力急劇增大，隨后應(yīng)變逐漸增大，剪應(yīng)力增加速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)處理后的試樣，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，隨著循環(huán)次數(shù)增加、圍壓減小，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯，軟化程度越劇烈。干濕循環(huán)處理降低了巖土體的抗破壞能力。

通過分析不同實驗條件下試樣的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線可知：（1）干濕循環(huán)影響下，試樣出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象;（2）在相同圍壓下，干濕循環(huán)次數(shù)越多，試樣破壞峰值強度越低，強度參數(shù)下降越明顯;（3）通過對試驗結(jié)果的擬合分析，在50 kPa圍壓下偏應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系見圖2，并滿足如下關(guān)系：y=-37.90ln（x）+266.05（R2=0.946 4）。

2.2.2 抗剪強度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

抗剪強度參數(shù)是反應(yīng)巖土體抗破壞能力的重要參數(shù)。試樣初始粘聚力、內(nèi)摩擦角分別為64.5 kPa、24.5°?；谀?庫倫準則分析干濕循環(huán)三軸試驗結(jié)果，通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，試樣的抗剪強度參數(shù)在第一次干濕循環(huán)后變化最為明顯，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣抗剪強度參數(shù)變化幅度逐漸降低，8次干濕循環(huán)后粘聚力下降約40.0%，內(nèi)摩擦角增大約7.5%，在4次干濕循環(huán)處理后，試樣參數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

通過對不同試驗條件的粘聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，繪制關(guān)系曲線見下頁圖3。從圖中可知，粘聚力與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線為：y=-9.10ln（x）+64.5（R2=0.965 2）;內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線為：y=0.34ln（x）+25.50（R2=0.900 5）。

3 軟土路基邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)前文所講的軟土路基原型，建立該軟土路基的數(shù)值模擬模型，計算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)干濕循環(huán)試驗結(jié)果選取。建立的數(shù)值模擬模型見圖4。

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 軟土路基穩(wěn)定性系數(shù)分析

采用不同循環(huán)次數(shù)試驗成果作為軟土路基邊坡穩(wěn)定性的計算參數(shù)，研究不同循環(huán)次數(shù)條件下軟土路基的穩(wěn)定性情況，繪制路基穩(wěn)定性系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系（見圖5）。從圖5中可知，隨著巖土體干濕循環(huán)次數(shù)的增加，路基巖土體參數(shù)出現(xiàn)一定程度的降低，此時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也產(chǎn)生一定的下降，干濕循環(huán)4次后，巖土體參數(shù)趨于穩(wěn)定，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也趨于穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明，軟土路基邊坡穩(wěn)定性對于粘聚力較為敏感。

3.2.2 變形破壞特征分析

未進行干濕循環(huán)試驗和進行8次干濕循環(huán)試驗的路基變形云圖見圖6。未進行干濕循環(huán)試驗的路基邊坡最大變形量為5 cm，完成8次干濕循環(huán)試驗的路基邊坡最大變形量為10 cm，路基邊坡最大變形位置位于斜坡中上部。兩次試驗結(jié)果可知，多次干濕循環(huán)試驗后路基穩(wěn)定性系數(shù)和最大位移均有所增加，在路基邊坡支護過程中應(yīng)當提高重視。

4 結(jié)語

根據(jù)干濕循環(huán)試驗結(jié)果可知，原狀試樣主要為應(yīng)變穩(wěn)定型，干濕循環(huán)試驗后，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化現(xiàn)象。進行干濕循環(huán)處理后，試樣強度出現(xiàn)變化，隨著循環(huán)次數(shù)增加，強度變化速度逐漸降低，8次干濕循環(huán)試驗后，內(nèi)摩擦角增大約為7.5%，粘聚力下降約為40%。軟土路基穩(wěn)定性變化情況與干濕循環(huán)強度參數(shù)變化趨于一致，4次干濕循環(huán)后強度參數(shù)趨于穩(wěn)定;路基位移量在8次干濕循環(huán)后達到了10 cm。季節(jié)性軟土地區(qū)路基支護應(yīng)注意干濕循環(huán)帶來強度參數(shù)變化，避免支護強度不夠，造成路基失穩(wěn)。

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收稿日期：2020-05-27