員康鋒,　趙建斌

(山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室,山西 太原　030006)

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考慮基質(zhì)吸力影響的非飽和均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

員康鋒,趙建斌

(山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室,山西 太原030006)

摘要:控制吸力條件下非飽和土的強度特性主要基于膨脹土,文章針對侯禹高速公路某邊坡黃土進行控制吸力固結不排水三軸剪切試驗,主要研究了有效應力強度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律,并基于強度折減法對一定基質(zhì)吸力影響下的該邊坡進行穩(wěn)定性分析。結果表明:黏聚力c隨基質(zhì)吸力的增大變化明顯,而內(nèi)摩擦角φ隨基質(zhì)吸力的增大基本不變;隨基質(zhì)吸力的增大安全系數(shù)增大;在低吸力階段,增大幅度較大,隨基質(zhì)吸力的增大,增大幅度變小。

關鍵詞:邊坡;控制吸力;固結不排水;強度折減法;安全系數(shù)

非飽和土邊坡的穩(wěn)定性研究一直是巖土工程界的一個重要課題,許多學者對此進行了大量的研究,并取得了不少研究成果。文獻[1]認為在其他條件相同的情況下,考慮非飽和土的基質(zhì)吸力,邊坡的安全系數(shù)會增大?；诜秋柡屯亮W理論的邊坡穩(wěn)定性分析是對傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法一個很重要的發(fā)展,然而,針對非飽和黃土邊坡安全系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的量化研究還不夠深入,定性的成果多而定量的并不多[2-9]。非飽和土在我國分布相當廣泛,開展非飽和土邊坡的穩(wěn)定性研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

鑒于此,本文根據(jù)侯禹(侯馬至禹門口)高速公路某邊坡非飽和土的試驗結果,在非飽和土理論的基礎上,基于強度折減法研究基質(zhì)吸力對該邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律,為邊坡的穩(wěn)定和加固提供科學依據(jù),具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1非飽和土抗剪強度試驗

目前已被人們廣泛應用的非飽和土抗剪強度有效應力的公式主要有以下2種。

Bishop強度公式為:

(1)

Fredlund雙變量強度公式為:

(2)

(1)式、(2)式表明，非飽和土抗剪強度不僅與c′、φ′及法向應力有關,還與基質(zhì)吸力有關,吸力所貢獻的這部分強度,即吸附強度[10]，記為τus,則(1)式、(2)式可重寫為:

(3)

由上述可知,吸附強度可以看做是非飽和土總凝聚力的一部分,即

(4)

1.1　試驗用土

選取晉南地區(qū)侯禹高速公路某邊坡,在邊坡中部取土,取土深度為1 m,土呈褐黃色,粉質(zhì)黏土,土質(zhì)均勻,土樣的天然含水量為9.6%。土樣在現(xiàn)場削成邊長為40～50 cm的長方體,標明上下方向,并用塑料紙和膠帶包好,運回實驗室(運輸過程中盡量不擾動土樣)。

1.2　試驗儀器

本文試驗儀器采用江蘇某實驗儀器廠生產(chǎn)的應力應變控制非飽和土三軸儀,通過固定橫梁的反作用,將荷載施加于試樣,通過施加氣壓控制吸力。

1.3　試驗方法

利用非飽和土三軸儀進行控制吸力固結不排水三軸試驗,共制備20個原狀三軸試樣,含水量為天然含水量,圍壓分別為50、100、200、400 kPa,控制吸力分別為50、100、150、200、250 kPa,在剪切過程中排水閥一直關閉,通過不斷調(diào)整所加氣壓,使得作用在試樣上的吸力等于設定吸力值,直到試樣剪切破壞,剪切以從壓力室外看到土樣有明顯裂紋或軸向變形百分表讀數(shù)達到12 mm為關機標準。

2試驗結果與分析

基于公式τf=ctotal+(σn-ua)tanφ′的非飽和土有效應力抗剪強度包線如圖1所示。

圖1　不同控制吸力下的有效應力抗剪強度包線

由圖1可看出,黏聚力c隨吸力的增大變化明顯,而內(nèi)摩擦角φ隨吸力的增大基本不變。

3實例分析

3.1　工程概況

侯禹高速公路是國道主干線二連浩特至河口在山西的重要出境路段,其建設對于完善路網(wǎng)布局,促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。該路線全長65.56 km,穿越晉西黃土高原區(qū),地形起伏大,沖溝發(fā)育,深挖路塹形成的高邊坡多,邊坡高度普遍在20 m以上,研究區(qū)地形、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境復雜,邊坡高陡。因此,邊坡的變形破壞機理分析及穩(wěn)定性評價是侯禹高速公路勘察設計需要解決的重要問題。

3.2　計算模型的建立

以侯禹高速公路某邊坡作為研究對象,該邊坡高為30 m,坡度為45°,坡身縱向長度為237 m。由于該邊坡較為均質(zhì),坡身與地基土物理力學性質(zhì)基本相同,其基本物理力學參數(shù)如下：重度為19 kN/m3，彈性模量為46.5 MPa，泊松比為0.3，黏聚力為21 kPa，摩擦角為32.96°。

為清除模型尺寸對計算結果的影響,模型左邊界距坡腳60 m,右邊界距坡頂80 m,底邊界距坡腳60 m。模型左右邊界約束水平位移,底邊界約束水平和豎向位移。計算模型中邊坡土體采用Mohr-Coulomb破壞準則,計算時采用關聯(lián)流動法則,基于“二分法”對邊坡進行穩(wěn)定性分析。模型及其網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

3.3　臨界滑動面的確定及結果分析

對于土體基質(zhì)吸力為50 kPa的邊坡,當折減系數(shù)小于1.60時,邊坡水平向最大位移值較小,且隨著折減系數(shù)的增大,水平向最大位移增幅不大,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當折減系數(shù)從1.60增大至1.61時,邊坡水平向最大位移陡增,此時,邊坡已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。由此可以看出,當折減系數(shù)為1.60時,邊坡已達到臨界失穩(wěn)狀態(tài),即該邊坡的安全系數(shù)為1.60。

當邊坡失穩(wěn)時,將產(chǎn)生明顯的局部剪切變形并形成貫通區(qū),貫通區(qū)內(nèi)外土體變形相差顯著,失穩(wěn)坡體將沿該貫通區(qū)滑動面滑出,失穩(wěn)時邊坡塑性應變云圖及水平應變云圖分布如圖3所示。

基于上述數(shù)值模型,運用強度折減法對土體基質(zhì)吸力分別為100、150、200、250 kPa的邊坡進行穩(wěn)定性分析,計算相應基質(zhì)吸力下邊坡的安全系數(shù),探討邊坡穩(wěn)定性與基質(zhì)吸力之間的規(guī)律,不同基質(zhì)吸力下邊坡的安全系數(shù)如圖4所示。

由圖4可以看出,隨基質(zhì)吸力的增大,安全系數(shù)增大,在低吸力階段,增大幅度較大,隨基質(zhì)吸力的增大,增大幅度變小。

圖3　塑性應變和水平應變云圖

圖4　安全系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化

通過對數(shù)函數(shù)擬合,該曲線擬合情況較好,安全系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化規(guī)律表述為:

Fs=0.255 4ln(ua-uw)+0.612 5

(5)

將基質(zhì)吸力引入到有限元計算中，建立非飽和黃土邊坡安全系數(shù)預測模型,(5)式的確定方法比較簡單。在分析實際工程問題時,只需用在工程中容易測得的基質(zhì)吸力就可以預測邊坡的安全系數(shù),對工程實際有一定的參考意義。

4結論

本文采用非飽和三軸儀進行控制吸力固結不排水三軸試驗,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理有效應力強度參數(shù),基于強度折減法分析了不同基質(zhì)吸力下邊坡的安全系數(shù),主要結論如下:

(1) 黏聚力c隨基質(zhì)吸力的增大變化明顯,而內(nèi)摩擦角φ隨基質(zhì)吸力增大基本不變。

(2) 隨基質(zhì)吸力的增大,安全系數(shù)增大,在低吸力階段,增大幅度較大,隨基質(zhì)吸力的增大,增大幅度變小。

(3) 建立非飽和黃土邊坡安全系數(shù)預測模型,公式的確定方法比較簡單,對工程實際有一定的參考意義。

[參考文獻]

[1]劉翠然,王麗,賈曉敏.基質(zhì)吸力對黃河大堤非飽和土邊坡穩(wěn)定的影響[J].路基工程,2011 (1):100-101.

[2]黃潤秋,戚國慶.非飽和滲流基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響[J].工程地質(zhì)學報,2002,10(4):343-348.

[3]劉金龍,欒茂田,趙少飛,等.關于強度折減有限元方法中邊坡失穩(wěn)判據(jù)的討論[J].巖土力學,2005,26(8):1345-1348.

[4]李旭華.黃土高邊坡的合理坡型研究[J].山西交通科技,2012(1):25-26.

[5]景衛(wèi)華,王克東,朱俊高,等.變形參數(shù)對土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響[J].水利水電科技進展，2010,30(2):17-20.

[6]胡海英,王釗.含水量對壓實粘土的變形及強度性能的影響[J].公路,2007(2):1-6.

[7]馮望,李順群,張彥.不同密實度土的微結構與其土水特性間的關系[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,2013,32(5):611-614.

[8]胡娜,譚曉慧,唐飛躍,等.膨脹土強度指標的試驗研究及變異性分析[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版, 2013,36(3):332-336.

[9]李健,徐鵬,秦帥,等.膨脹土與改良土脹縮性等級評價[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版, 2013,36(8):969-973.

[10]盧肇鈞.非飽和土抗剪強度的探索研究[J].中國鐵道科學,1999,20(2):10-25.

(責任編輯閆杏麗)

詹炳根(1964-),男,安徽廬江人,博士,合肥工業(yè)大學教授,碩士生導師.

Effect of matric suction on the stability of unsaturated homogeneous slope

YUAN Kang-feng,ZHAO Jian-bin

(Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region of Ministry of Transport, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

Abstract:Strength properties of unsaturated soils under the controlled suction used to be studied mainly with respect to the expansion soils. In this paper, the consolidated undrained triaxial tests of controlled suction on the loess from a selected slope of Houma-Yumenkou Highway were conducted. The changing law of the effective stress strength indexes including cohesion c and internal friction angle φ with the matric suction was analyzed. And the stability of the selected slope under certain suction was studied by shear strength reduction method. The results show that the change of cohesion c is obvious with the increase of matric suction, while the change of internal friction angle φ is not obvious with the increase of matric suction. The safety factor of the selected slope increases with the increase of matric suction. In the low suction phase, the increase amplitude of safety factor is larger, then becomes small with the increase of matric suction.

Key words:slope; controlled suction; consolidated undrainage; shear strength reduction method; safe factor

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.04.023

作者簡介：商文龍(1988-),男,山東禹城人,合肥工業(yè)大學碩士生;

收稿日期：2014-02-28；修回日期：2014-04-15

中圖分類號:TU411.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2015)04-0531-04