吳文彪，鄭俊杰，曹文昭

（華中科技大學 巖土與地下工程研究所，湖北 武漢 430074）

1 引 言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入，國家對西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷加大，高速公路建設(shè)得到了大力發(fā)展。受黃土地區(qū)地形地貌條件的制約，采用黃土填料的高填路堤已成為主要的路基型式之一，其填土高度常在20 m以上[1]。路堤壓實黃土是在非飽和狀態(tài)下經(jīng)人工壓實而形成的，是典型的非飽和重塑土[2]，其抗剪強度和變形特性受含水率變化的影響很大[3]，由降雨等因素引起的壓實黃土高填方路堤邊坡失穩(wěn)時有發(fā)生[4]，嚴重影響了高速公路的長期運營性能，并為行車安全帶來隱患[5]?？紤]飽和度對壓實黃土抗剪強度的影響，研究含水率變化對黃土高填方路堤穩(wěn)定性的影響，可為黃土高填方路堤的設(shè)計與施工提供重要參考。

周勤等[6]通過進行壓實黃土的室內(nèi)回彈模量試驗、濕陷試驗、動三軸試驗和抗剪強度試驗，分析了壓實度和含水率對壓實黃土的靜態(tài)回彈模量、附加壓縮變形、動模量、動阻尼比和抗剪強度等的影響。王林浩等[7]對山西呂梁某地壓實黃土狀粉土進行24組直剪試驗，討論了含水率和干密度對壓實黃土狀粉土抗剪強度指標的影響。申春妮等[8]進行了一系列控制吸力、含水率和干密度的直剪試驗，研究了重塑非飽和土的抗剪強度特性。黃琨等[9]對原狀土和兩種控制含水率方法的重塑土進行直剪試驗，發(fā)現(xiàn)含水率對抗剪強度的影響主要是降低了土的黏聚力，對內(nèi)摩擦角的影響較小。

土坡穩(wěn)定性問題是巖土工程學科中最古老典型的研究課題之一[10]，利用土工合成材料加筋處理堤壩軟基是一種常見且行之有效的方法[11]。Long等[12]通過數(shù)值和理論兩種方法對比分析了未加筋路堤與加筋路堤的穩(wěn)定性，指出由于加筋路堤中考慮了滑裂面上加筋材料附加的摩擦力，路堤穩(wěn)定性明顯提高。魏紅衛(wèi)[13]通過建立高陡加筋路堤的有限元數(shù)值模型，分析了加筋路堤的穩(wěn)定性及其影響因素。王志斌等[14]通過大比例模型試驗，對比分析了斜坡地基上土工格柵加筋和未加筋填方路堤在坡頂荷載作用下的變形與破壞規(guī)律。試驗結(jié)果表明，土工格柵能夠大幅減小斜坡地基上填方路堤的水平位移，提高路堤的穩(wěn)定性。

本文對山－平高速公路 K210+987～K211+087現(xiàn)場試驗段黃土路堤填料進行一系列室內(nèi)擊實試驗和三軸試驗，討論含水率對重塑壓實黃土物理力學性質(zhì)的影響，并結(jié)合試驗結(jié)果，建立數(shù)值分析模型，對不同含水率的填土加筋路堤進行穩(wěn)定性分析。

2 試驗研究

2.1 擊實試驗

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[15]（以下簡稱規(guī)程），采用輕型擊實試驗方法，按4分法配置5種不同含水率試樣，按照規(guī)程相應(yīng)試驗步驟分別擊實，得到含水率與干密度的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 干密度與含水率關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between dry density and water content

從圖中可以看出，該黃土路堤填料最佳含水率為11.5%，最大干密度為1.924 g/cm3。

2.2 試樣制備

配制含水率為11.5%的土樣（實際為11.04%），用飽和器（φ39.1 mm×80 mm）分4層擊實制樣。圖 2為試樣干密度、壓實度和錘擊次數(shù)的關(guān)系曲線。隨著錘擊次數(shù)的增加，土樣的干密度和壓實度同步增大。當錘擊次數(shù)為 20擊時，土樣壓實度為84.5%，錘擊次數(shù)為35擊時，土樣壓實度大于85%。陳開圣等[16]制備試樣時所選壓實度分別為 85%、90%及95%，本試驗中選擇制備壓實度為85%的土樣，即控制土樣制備錘擊數(shù)為20擊。

圖2 干密度、壓實度與錘擊次數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 Curves of dry density and compaction degree vs. blow count

分別配制含水率為8%、10%、12%、14%、16%和18%的土樣，采用飽和器分4層擊實制樣，得到不同含水率時土樣密度和干密度值，見表1。密度、干密度和飽和度隨含水率變化曲線如圖3所示。

表1 含水率對土樣密度的影響Table 1 Effect of water content on density of soil samples

圖3 密度、飽和度與含水率關(guān)系曲線Fig.3 Curves of density and degree of saturation vs. water content

由表1和圖3可知，隨著含水率（飽和度）的增加，土樣密度呈上升趨勢，干密度則按減?。龃螅瓬p小的趨勢變化；密度最大差值為0.388 g/cm3，占初始密度的23.4%，干密度最大差值為0.208 g/cm3，占初始干密度的 13.6%，可見含水率的增加對密度和干密度的影響都較大。填土含水率每增加 2%，密度增量最大達到 0.119 g/cm3，占初始密度的6.62%，干密度增量最大達到0.101 g/cm3，占初始干密度的6.19%，增量幅值也較大。

2.3 三軸剪切試驗

對制備的土樣進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗，剪切速率控制為0.8 mm/min，模擬現(xiàn)場快速施工條件，繪制不同含水率下土樣在100、200、300 kPa圍壓下的三軸壓縮曲線，選取相應(yīng)峰值點或15%應(yīng)變對應(yīng)點繪制各含水率土樣的摩爾-庫侖曲線，得到不同含水率土樣的抗剪強度，見表 2。土樣黏聚力及內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線如圖4所示。

表2 不同含水率土樣抗剪強度Table 2 Shear strength of soil samples with different water contents

圖4 填土含水率對抗剪強度的影響Fig.4 Shear strength vs. water content

從圖 4中可以看出，壓實黃土試樣黏聚力在60～80 kPa之間變化，隨含水率變化，黏聚力先增后減，然后再增；壓實黃土試樣內(nèi)摩擦角開始在28°上下波動，當含水率大于16%時，內(nèi)摩擦角急劇下降。分析原因，可能是因為此時試樣飽和度已達80%以上，試樣內(nèi)部水的潤滑作用明顯高于其膠結(jié)作用。綜上可知，非飽和壓實黃土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系并不是單調(diào)的遞增或遞減關(guān)系，而是隨著含水率的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)一增一減的規(guī)律，即當黏聚力增加時，內(nèi)摩擦角減??；當黏聚力減小時，內(nèi)摩擦角增加，具有一定的互補性。壓實黃土試樣黏聚力的變化較明顯，內(nèi)摩擦角變化較小，當含水率到達17.90%后，內(nèi)摩擦角大幅減小，黏聚力同時達到一較高值。

3 數(shù)值建模分析

3.1 工程概況

選取山-平高速公路 K210+987～K211+087現(xiàn)場試驗路段為分析對象，建立數(shù)值分析模型，模型幾何尺寸如圖5所示，相關(guān)物理力學參數(shù)見表3（土工格柵軸向剛度EA=86.0 MN/m）。對 50 kPa和20 kPa荷載作用下的不加筋、加2層、3層和4層土工格柵4種路堤加筋工況，運用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，采用強度折減法計算邊坡的安全系數(shù)K，研究填土含水率對加筋路堤穩(wěn)定性的影響。

圖5 試驗路段斷面示意圖Fig.5 Sketch of trial embankment section

表3 試驗段土層物理力學參數(shù)Table 3 Physico-mechanical properties of strata in test field

3.2 填土含水率的影響

3.2.1 含水率對加筋路堤安全系數(shù)的影響

采用試驗所得壓實黃土不同含水率時對應(yīng)的密度和抗剪強度進行數(shù)值分析（對路堤填土抗剪強度進行折減，填土密度采用不同含水率時對應(yīng)的密度），得到不同工況下路堤安全系數(shù)與填土含水率的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖中可以看出，當考慮含水率對填土密度及抗剪強度的影響時，路堤安全系數(shù)隨含水率的增大而減小。對比不加筋材、加2層、3層和4層土工格柵工況下的路堤安全系數(shù)可知，路堤穩(wěn)定性隨加設(shè)土工格柵層數(shù)的增加而增大，在路堤中加設(shè)土工格柵能大大提高路堤的穩(wěn)定性。

圖6 含水率對加筋路堤安全系數(shù)的影響Fig.6 Safety factor of geogrid reinforced embankment and water content of compacted loess

3.2.2 含水率對加筋路堤滑動面的影響

圖7 不同含水率時加筋路堤的潛在滑動面Fig.7 Potential sliding surface of geogrid reinforced embankment with different water contents

圖7為不同含水率下加筋形式對路堤潛在滑動面的影響。路堤潛在滑動面位置和形狀隨含水率的變化不大，可能是所考慮的含水率的變化范圍不夠大。由于填土含水率超過18%后，試樣制備較難成功，使得試驗研究的填土含水率的變化范圍有限。從圖7中可以看出，不加筋時路堤滑動面都是從路堤頂面貫通至路堤左側(cè)，隨含水率的增大，滑動面越往深處發(fā)展，而加設(shè)2層、3層和4層土工格柵的加筋路堤滑動面都是從路堤右側(cè)坡腳貫通至路堤左側(cè)坡腳，貫通區(qū)所在位置跟沖溝所在位置相似，表明在路堤中加設(shè)土工格柵可以提高路堤的整體性，不易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。同時，隨含水率的增加，滑動面往深處發(fā)展，安全系數(shù)減小，路堤趨于不穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

（1）含水率的增加對密度和干密度的影響都較大，隨著含水率（飽和度）的增加，土樣密度呈上升趨勢，干密度則按減?。龃螅瓬p小趨勢變化；密度、干密度最大差值分別占初始密度、初始干密度的23.4%和13.6%。

（2）隨著含水率的增加，填土黏聚力和內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)一增一減的規(guī)律，即當黏聚力增加時，內(nèi)摩擦角減小；當黏聚力減小時，內(nèi)摩擦角增加。當含水率高于16%時填土內(nèi)摩擦有明顯下降趨勢。

（3）綜合考慮含水率對填土密度和抗剪強度的影響，路堤安全系數(shù)隨含水率的增大而明顯減小，路堤穩(wěn)定性降低。

（4）路堤加設(shè)土工格柵后，整體性提高，不易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，加筋能有效提高路堤的穩(wěn)定性。隨著含水率的增加，滑動面往深處發(fā)展，滑動面范圍增大，路堤趨于不穩(wěn)定。

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