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(rèn)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(qiáng)度特性及其變形特性，揭示了千將坪滑坡失穩(wěn)機(jī)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(qiáng)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(jìn)性。崔溦［4］通過膨脹土的室內(nèi)干濕循環(huán)模擬試驗(yàn)，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(jī)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(shí)質(zhì)由邊坡土體的抗剪強(qiáng)度體現(xiàn)，邊坡的失穩(wěn)是由剪力破壞引發(fā)。庫侖定理認(rèn)為，粉質(zhì)粘土的抗剪強(qiáng)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(tuán)，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(tuán)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(xì)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(qiáng)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(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)

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

表1 粉質(zhì)粘土基本土性指標(biāo)

2.1 粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)土樣，并對其進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)尺寸的環(huán)刀，將已悶料好的土分層擊實(shí)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(shí)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(hù)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(hù)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(yàn)步驟

1)對準(zhǔn)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(zhǔn)剪切盒口，在試樣上放置硬塑料薄膜以及透水板，細(xì)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(jì)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(shí)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(jì)和位移讀數(shù)，直至測力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，應(yīng)繼續(xù)剪切至位移為4 mm 時停機(jī)，記下破壞值。當(dāng)剪切過程中測力計(jì)百分表無峰值時，至剪切位移達(dá)6 mm 時停止。

2.2 粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

通過快剪試驗(yàn)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(qiáng)度，根據(jù)庫侖定理對其擬合，得到該土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表2。

表2 干濕循環(huán)下粉質(zhì)粘土強(qiáng)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(qiáng)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?？扇『竺? 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(qiáng)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(jì)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(jìn)行計(jì)算。路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)定量計(jì)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(jì)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(shí)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(diǎn)，兼顧考慮土體的非線性實(shí)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(jìn)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(jì)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(jì)算結(jié)果分析

平坦地基上粉質(zhì)粘土路堤邊坡有限元計(jì)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(rèn)為經(jīng)歷10 次干濕循環(huán)后粉質(zhì)粘土達(dá)到一種新的平衡狀態(tài)。可以第10 次干濕循環(huán)后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)作為設(shè)計(jì)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(qiáng)度關(guān)系緊密，抗剪強(qiáng)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(yàn)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%。

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