崔 ,張志耕,閆澍旺

(天津大學(xué) 建工學(xué)院,天津 300072)

0 引 言

膨脹土廣泛分布于自然界中。具有吸水膨脹軟化、失水收縮開裂、反復(fù)變形和強(qiáng)度可大幅度衰減等特性,并且這些特性與外界條件的變化密切相關(guān)。因此,膨脹土邊坡的穩(wěn)定性分析必須充分考慮由于外界環(huán)境的變化(主要是干濕條件)而引起的膨脹土強(qiáng)度的改變。關(guān)于非飽和土強(qiáng)度公式,最早是由Bishop提出的[1];目前,國際上公認(rèn)的非飽和土強(qiáng)度理論是Fredlund等人提出的以兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量來表達(dá)的非飽和土強(qiáng)度公式[2],但由于對(duì)試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)技術(shù)要求較高,一般較難獲得[3～5]。本文試圖在膨脹土干濕循環(huán)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,探討膨脹土性狀改變與干濕循環(huán)次數(shù)的基本規(guī)律,并將其應(yīng)用在膨脹土邊坡穩(wěn)定分析中,以較好的服務(wù)于工程實(shí)踐。

1 干濕循環(huán)次數(shù)與膨脹土性狀改變的基本規(guī)律

韓華強(qiáng)[3]等的試驗(yàn)成果對(duì)于膨脹土在干濕循環(huán)條件下的強(qiáng)度變化規(guī)律具有很高的參考價(jià)值。他利用常規(guī)的土工試驗(yàn)儀器,得出了干濕循環(huán)將改變膨脹土的土體結(jié)構(gòu),從而將導(dǎo)致膨脹土長期強(qiáng)度和變形模量明顯降低的結(jié)論。圖1～圖3給出了通過本次膨脹土干濕循環(huán)試驗(yàn)得出的膨脹土性狀改變結(jié)果。試驗(yàn)所用4份試樣取自內(nèi)蒙古自治區(qū)老集高速公路工程的部分路段(見表1)。試驗(yàn)的基本過程如下:將試樣放置在壓縮儀里,上下分別覆蓋透水石,并讓試樣承受6.9 kPa的豎向圍壓。將試樣完全浸沒在水中不少于40h,使其完全膨脹,然后在實(shí)驗(yàn)室條件下風(fēng)干試樣至其初始含水率,數(shù)據(jù)的量測在開始的3 h每15 min記錄1次,其后的500 min間隔100 min記錄1次,最后間隔1 d記錄一次。圖1和圖2為第1和第5個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)過程膨脹百分比隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出,含有較多黏土礦物的土樣具有較強(qiáng)的膨脹性;對(duì)于任何一種土樣,初始干濕循環(huán)的膨脹百分比明顯高于第5次的膨脹百分比,并且可以進(jìn)一步看出,第5次干濕循環(huán)試驗(yàn)試樣到達(dá)穩(wěn)定膨脹百分比的時(shí)間(＜1 000 min)少于初始干濕循環(huán)試驗(yàn)(＞1 400 min),這說明,經(jīng)過幾次干濕循環(huán)之后,試樣的滲透性能有了一定的增長。圖3給出了試樣的干濕循環(huán)次數(shù)與膨脹勢變化的基本規(guī)律,從圖中可以看出,膨脹勢隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減少;膨脹土試樣在經(jīng)過4～5次干濕循環(huán)之后,其在隨后每一次干濕循環(huán)過程中的屬性變化基本趨于穩(wěn)定。

圖1 第1次干濕循環(huán)試驗(yàn)曲線

圖2 第5次干濕循環(huán)試驗(yàn)曲線

圖3 干濕循環(huán)次數(shù)與膨脹勢對(duì)比曲線

表1 膨脹土試樣礦物成分(%)X衍射分析結(jié)果

膨脹土屬性變化與干濕循環(huán)次數(shù)之間的基本規(guī)律可以用如下的理論加以解釋[6,7]:從土的微觀結(jié)構(gòu)來說,膨脹土塑性特征隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而減少的主要原因是由于膨脹土失水干縮引起微顆粒之間的結(jié)合而導(dǎo)致與水接觸的表面面積的減少。眾所周知,顆粒之間的表面張力與顆粒尺寸和顆粒之間的距離相關(guān),相對(duì)較小的顆粒之間的距離產(chǎn)生相對(duì)較大的毛細(xì)管力。飽和膨脹土的失水過程引起土體的收縮,進(jìn)而引起顆粒之間的粘結(jié)和范德華力的增大,并且這種粘結(jié)程度和增大量并不會(huì)因?yàn)槲^程而完全恢復(fù),也就是說,顆粒之間的粘結(jié)和范德華力在土體失水和吸水過程中的變化不是一個(gè)完全可逆的過程,其存在一定程度的不可恢復(fù)量。微顆粒粘結(jié)的直接結(jié)果是減少了與水接觸的表面積,進(jìn)而導(dǎo)致塑性特征的衰減(表2)。在經(jīng)過4～5次干濕循環(huán)過程之后,顆粒粘結(jié)的過程基本趨于穩(wěn)定,膨脹土在隨后的每一次干濕循環(huán)過程中的屬性變化也基本趨于穩(wěn)定。

表2 膨脹土在干濕循環(huán)試驗(yàn)前后的屬性對(duì)比

對(duì)于膨脹土在干濕循環(huán)下的強(qiáng)度變化規(guī)律,文獻(xiàn)[8]在總結(jié)大量試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上,給出了理論上的另一種解釋。對(duì)于美國路易斯安娜高速公路地區(qū)的膨脹土,他把無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干密度和含水率之間的關(guān)系總結(jié)為如下的公式表示

其中:w為含水率;ρd為干密度。分析公式(1)可以看出,膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干密度的增加而增加,隨含水率的增加而減小。結(jié)合上述的分析,干濕循環(huán)次數(shù)的增加將導(dǎo)致膨脹土干密度的減小,從而導(dǎo)致無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的減小,對(duì)于粘性土來說,其抗剪強(qiáng)度就會(huì)減小;就某一次干濕循環(huán)過程來說,吸水膨脹過程就是膨脹土含水率增加的過程,也就是抗剪強(qiáng)度減小的過程。

2 膨脹土邊坡強(qiáng)度參數(shù)的選取及穩(wěn)定性分析

根據(jù)膨脹土干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,必須選擇合適的膨脹土強(qiáng)度,并且參數(shù)的選取可以參照如下幾個(gè)基本原則:①在外界干濕循環(huán)環(huán)境中,膨脹土屬性會(huì)發(fā)生弱化,并且第一個(gè)干濕循環(huán)對(duì)屬性改變起主要作用,但其后的干濕循環(huán)過程也不能忽略;②在干濕循環(huán)條件下,膨脹土強(qiáng)度的衰減是有一個(gè)基本界限的,在經(jīng)過4～5次干濕循環(huán)之后,其強(qiáng)度和變形屬性的變化基本趨于穩(wěn)定,因此,取第5次干濕循環(huán)的膨脹土強(qiáng)度作為計(jì)算參數(shù)是最安全的;③在膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析中,外界環(huán)境對(duì)土體強(qiáng)度的影響深度是有限的,并且受邊坡表層裂隙的影響[5]。裂隙深度由文獻(xiàn)[7]給出的公式估算

式中:s0為土壤地表的基質(zhì)吸力(kPa);h為地下水位線距離地面高度(m);c=(1-μ)/(1-2μ),D=μ ρ/(1-2μ),μ為泊松比;ρ為密度,kN/m3。工程經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明[5],裂隙的影響深度一般介于2 m～4 m。

老集高速公路K413+500和K412+100路段邊坡施工開挖后在幾次強(qiáng)度不大的降雨作用下先后出現(xiàn)邊坡破壞,通過室內(nèi)礦物成分分析,發(fā)現(xiàn)此處土體屬于強(qiáng)～中膨脹土,采用常規(guī)方法分析邊坡穩(wěn)定性如圖4和圖5所示。從圖中可以看出,采用常規(guī)方法計(jì)算得出的邊坡安全系數(shù)基本都在1.5以上,而且失穩(wěn)形式多為深層滑坡,這顯然與工程實(shí)際不符合。

基于上述的3個(gè)參數(shù)選取原則,對(duì)兩個(gè)路段邊坡取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),得出1次、5次干濕循環(huán)后試樣的強(qiáng)度如表3所示。分別根據(jù)上述兩次的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析,其安全系數(shù)在表3中標(biāo)出。分析計(jì)算結(jié)果可以看出,如果按照第一次干濕循環(huán)后強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析,其安全系數(shù)基本在1.1～1.2之間,這個(gè)結(jié)果是偏于安全的,根據(jù)第5次干濕循環(huán)后土體強(qiáng)度計(jì)算得出的邊坡安全系數(shù)在1.0以下,且邊坡破壞形式與實(shí)際情況十分吻合,都為表層的塌滑,滑坡形式如圖6和圖7所示。

圖4 K413+500段邊坡穩(wěn)定分析

圖5 K412+100段邊坡穩(wěn)定分析

3 結(jié) 論

由膨脹土的室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)和理論分析可知,膨脹土受外界干濕循環(huán)影響的強(qiáng)度變化和邊坡穩(wěn)定性分析必須充分考慮以下幾點(diǎn):

(1)外界干濕環(huán)境變化影響膨脹土的強(qiáng)度,并且第一次干濕循環(huán)對(duì)于膨脹土強(qiáng)度的衰減起主要作用,但其后的干濕循環(huán)變化對(duì)強(qiáng)度的衰減也不能忽略;

(2)膨脹土的強(qiáng)度特性與干濕循環(huán)次數(shù)密切相關(guān),在經(jīng)歷4～5次干濕循環(huán)過程之后,其強(qiáng)度在隨后每一次干濕循環(huán)中的變化基本趨于穩(wěn)定;

(3)膨脹土強(qiáng)度衰減特性與干濕循環(huán)的關(guān)系可以通過土的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行解釋;

表3 膨脹土干濕循環(huán)試驗(yàn)前后的強(qiáng)度變化及計(jì)算結(jié)果

圖6 K453+500段邊坡破壞形式

圖7 K431+100段邊坡破壞形式

(4)膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析還必須考慮外界環(huán)境的影響深度,這個(gè)深度范圍一般在2 m～4 m之間;但是膨脹土的裂隙性對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響是一個(gè)有待深入研究的課題,本文涉及較少。

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