鄧志永

(湖南省衡洲建設有限公司，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土體沿某一滑移面向下或向外滑動而最終導致邊坡喪失穩(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，一般情況下土質均勻的土質邊坡其破裂滑動面呈圓弧狀，邊坡土體的下滑力導致坡體中生成剪應力，坡體的抗滑力實質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，粉質粘土的抗剪強度大小主要取決于其粘聚力和內摩擦角。

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，導致土顆粒變得愈發(fā)分散，土體的孔隙比慢慢增大。宏觀上土體結構上變得松散，微觀上土體內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孔轉化。部分不可逆的轉化導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，土體內部結構被破壞，最終引起土體內摩擦角逐漸衰減。在多次反復干濕循環(huán)過程中，路堤內部含水量反復波動，土體內部細微結構由于干濕循環(huán)過程中復雜多變的物理化學反應遭到破壞，土體微顆粒之間的距離逐漸變大，孔隙比也隨之增大，直接導致粘聚力和內摩擦角的衰減，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粘土進行室內試驗研究，粉質粘土基本土樣指標如表1 所示。

表1 粉質粘土基本土性指標

2.1 粉質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，控制環(huán)刀內土體的質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%(粉質粘土1 a 中最大含水率)，密封養(yǎng)護24 h 使得試樣內外水分均勻分布，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%(粉質粘土1 a中最小含水率)，密封養(yǎng)護24 h 使得試樣內外水分均勻分布，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－脫濕模擬了粉質粘土試樣的一次干濕循環(huán)過程。通過重復不同次數(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。

2)開啟傳動裝置，調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 粉質粘土抗剪強度試驗結果分析

通過快剪試驗測定的應力－應變曲線，得到不同荷載(100、200、300、400 kPa)下粉質粘土的抗剪強度，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)下粉質粘土強度參數(shù)表

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

圖2 干濕循環(huán)下粉質粘土粘聚力曲線

圖3 干濕循環(huán)下粉質粘土內摩擦角曲線

由圖2、圖3 可直觀看出，在粉質粘土的干濕循環(huán)強度參數(shù)變化曲線中，粘聚力和內摩擦角逐漸減小，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)對內摩擦角的影響較大，后幾次干濕循環(huán)下內摩擦角趨于穩(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，粘聚力和內摩擦角的修正值可分別取17.84 kPa和15.02°。

3 粉質粘土路堤邊坡穩(wěn)定性分析

隨著高速公路建設的日益增多，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上，沒有考慮邊坡土體內部的應力～應變關系，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)，不能求算滑動體內部或滑動面上的實際內力。數(shù)值分析法以有限元理論為基礎，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力～應變關系，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，路堤邊坡結構如圖4 所示。該處路段路線走向穿過農田，距離坡腳0.4 m 處左側有水溝，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。路堤填料以粉質粘土為主，路基填土高度為10.4 m。

圖4 粉質粘土路堤邊坡結構圖

3.2 計算結果分析

平坦地基上粉質粘土路堤邊坡有限元計算中應變云圖如圖5 所示。

圖5 塑性應變云圖

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 粉質粘土路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)

圖6 粉質粘土路堤邊坡穩(wěn)定系數(shù)曲線

結合圖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)后粉質粘土達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)作為設計施工的依據(jù)。

4 結論

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

粉質粘土路堤邊坡的穩(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，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］.揚州大學學報(自然科學版)，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)定性分析中的應用［J］.水利與建筑工程學報，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.反復干濕循環(huán)對非飽和土的力學特性影響研究［J］.巖土工程學報，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，2007，28(S1).

［10］楊和平，肖 奪.干濕循環(huán)效應對膨脹土抗剪強度的影響［J］.長沙理工大學學報(自然科學版)，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).