靳云龍

(中冀建勘集團有限公司，河北 石家莊 050227)

0 引言

邊坡的失穩(wěn)往往伴隨著強降水(如暴雨)的發(fā)生，針對降水導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)問題，眾多學(xué)者進行了一系列試驗研究和數(shù)值計算。聶兵其[1]針對水庫邊坡，基于GeoStudio軟件的極限平衡分析法對關(guān)鍵參數(shù)進行了敏感性分析，發(fā)現(xiàn)土的內(nèi)摩擦角和粘聚力對其穩(wěn)定性影響最大。熊俊[2]利用模型箱試驗?zāi)M含水邊坡，對參數(shù)識別方法進行了優(yōu)化。夏良等人[3]通過斷裂力學(xué)理論推導(dǎo)了邊坡在裂縫充水條件下的深度臨界公式，研究結(jié)果表明，邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素是內(nèi)水壓力突然升高。張家俊[4]針對干濕循環(huán)作用下的膨脹土邊坡，進行了室內(nèi)實驗研究，對裂隙度演化規(guī)律進行了分析。

近年來，邊坡和擋墻在地震荷載作用下的力學(xué)性能也一直是研究的焦點。陳沖[5]在此基礎(chǔ)上，考慮到了地震加速的的影響，結(jié)合FLAD(3D)強度折減法對邊坡浸潤面位置進行了研究。黃鳳娟[6]通過PLFC2D軟件，利用有限拆分法結(jié)合實際工程案例給出了地震作用下邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值解。張進忠[7]等人利用極限概率法，對地震作用下的邊坡進行了不確定性分析，對臨界抗力進行了計算。楊兵[8]分析了為了探討堆積體邊坡在地震作用下的失穩(wěn)特征及動力響應(yīng)特性，對無量綱地震加速度幅值和頻率參數(shù)的規(guī)律進行了研究，并對堆積體邊坡進行了穩(wěn)定計算和參數(shù)分析。

為研究干濕循環(huán)作用下邊坡的穩(wěn)定性，本文利用試驗和數(shù)值模擬兩種手段，通過動三軸試驗系統(tǒng)進行了16組試驗來分析邊坡三向應(yīng)力狀態(tài)，對土體動力特性進行研究。利用有限元軟件建立了涉水超高邊坡模型，對在干濕循環(huán)和地震雙重作用下的邊坡力學(xué)特性進行了分析，并基于強度折減法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，計算安全系數(shù)。

1 動靜三軸試驗

1.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備采用實驗室標(biāo)準動靜三軸試驗伺服系統(tǒng)，該設(shè)備可設(shè)置不同周圍壓力，通過軸向加載和應(yīng)力、應(yīng)變兩種控制方式?？稍O(shè)置0～5 Hz范圍頻率進行動力加載。實驗設(shè)備如圖1所示。

圖1 三軸儀器實物圖

1.2 試樣制備

試驗采用常規(guī)黃黏土，取樣深度10 m左右，通過篩分法進行了顆粒篩分得到顆粒級配曲線。小于2 mm土樣粒徑的顆粒含量占比為94.5%，小于0.075 mm土樣粒徑的顆粒級配含量為81%。其他物理性質(zhì)見表1。試驗時進行飽和，飽和含水率約為37%。三軸實驗試樣尺寸為60 mm×120 mm。

1.3 試驗方案

通過室內(nèi)試驗，對土體多次脫水-浸泡以模擬自然環(huán)境下的土體干濕循環(huán)。首先，利用35℃的烘箱對飽和土樣進行蒸發(fā)脫濕，時間為8 h。其次，將土放入蒸餾水中浸泡16h用來模擬水分浸潤作用。此兩個步驟完成即為一個干濕循環(huán)。

本研究共進行了16組試驗，試驗方案如表2所示。靜三軸試驗的圍壓設(shè)定為50 kPa、100 kPa和200 kPa三組，分固結(jié)試驗和排水剪切試驗兩個步驟，剪切速率均設(shè)置為0.01 mm/s。動三軸試驗圍壓逐步增加到300 kPa，然后施加軸向動應(yīng)力σd，為1 Hz的正弦波。查閱相關(guān)文獻和規(guī)范，設(shè)置動應(yīng)力比為0.5，即軸向動應(yīng)力為150 kPa，并在實驗試測定軸向位移和孔隙水壓力。

表1 土壤參數(shù)

表2 動靜三軸試驗方案

2 實驗結(jié)果分析

2.1 靜三軸試驗

按照表2試驗方案，先后進行靜三軸中的固結(jié)和軸向排水壓縮至破壞，得到如表3所示的抗剪強度參數(shù)。從圖中可以看出，呈現(xiàn)出隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體有效粘聚力逐漸降低趨勢，而內(nèi)摩擦角并沒有表現(xiàn)出一定規(guī)律性。說明由于干濕循環(huán)過程使得土顆粒的膠結(jié)作用被降低。

表3 不同干濕循環(huán)作用下土樣的抗剪強度參數(shù)

圖2 (G/Gmax)-動剪切應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2 動三軸試驗

為研究動荷載作用下土體的力學(xué)特性，進行動三軸試驗。定義動剪切應(yīng)力比值M=τd/σ3，孔隙水壓力比值R=μ/σ3，μ為空隙水壓，σ3為固結(jié)圍壓。對(G/Gmax)-動剪切應(yīng)變關(guān)系、振動循環(huán)數(shù)-動剪應(yīng)力比關(guān)系和孔隙水壓力比-振動循環(huán)數(shù)比關(guān)系進行了研究。實驗結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖3 空隙水壓力比-振動循環(huán)數(shù)比關(guān)系曲線

圖4 振動循環(huán)數(shù)-動剪應(yīng)力比關(guān)系曲線

由圖2～圖4可知，土樣干濕循環(huán)次數(shù)與第一次振動周期造成的變形和完成后剪應(yīng)變最終值呈正比，循環(huán)次數(shù)越多，第一次振動周期變形和最終剪應(yīng)變越大，而孔隙水壓力則減小，與孔隙水壓力呈反比。此外，動剪切應(yīng)力比受循環(huán)次數(shù)影響較為微小，說明動剪切應(yīng)力直接相關(guān)的是初始設(shè)定的動應(yīng)力。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計算方法

在穩(wěn)定性分析階段，參數(shù)是由摩擦系數(shù)(tanφ)和黏聚力(c)通過將其除以折減系數(shù)ΔMsf得到。

(1)

式中：φinput為土的初始摩擦角；φreduced為折減之后土的摩擦角；cinput為土的初始黏聚力；creduced為折減之后土的黏聚力。

將安全系數(shù)定義為ΔMsf的值，當(dāng)連續(xù)增量不斷減少時，連續(xù)ΔMsf之間的差異變得非常小,通過不斷迭代的方式獲得安全系數(shù)。潛在破裂面的找尋是根據(jù)節(jié)點計算處的集中剪切應(yīng)變增量。

根據(jù)以上試驗研究，本文利用巖土有限元分析軟件進行邊坡有限元計算，并基于強度折減法進行了穩(wěn)定性分析，計算出了在不同干濕循環(huán)條件下邊坡的安全系數(shù)。材料采用摩爾-庫倫模型，各層土材料本構(gòu)模型及主要參數(shù)根據(jù)參考文獻和相關(guān)經(jīng)驗參數(shù)確定。模型參數(shù)如表4所示。利用該軟件自帶的動力模式模擬實際工程中主要由地震產(chǎn)生的動力荷載或爆炸產(chǎn)生的沖擊波等。

3.2 模型參數(shù)

本研究選用的實際工程案例為三峽庫區(qū)的一個超高涉水邊坡，存在碎石堆積體。全部高程121 m，縱向長度約1 500 m?？紤]到計算效率，本研究選用平面應(yīng)變模型模型。網(wǎng)格劃分選擇局部加密，共劃分出19 050個網(wǎng)格，85 642個節(jié)點。如圖5所示，圖5(a)為有限元模型圖，圖5(b)為生成網(wǎng)格后的節(jié)點連接圖。

表4 模型計算參數(shù)

圖5 邊坡模型

為更好地模擬實際施工條件，觀測路基變形，設(shè)置邊界條件為：邊坡四周水平約束，底部固定約束，頂部自由約束。同時為吸收動力荷載所產(chǎn)生的回彈效應(yīng)，動力邊界為黏性。設(shè)置邊界條件如表5所示。

表5 邊界條件

3.3 結(jié)果分析

利用有限元軟件模擬邊坡在干濕循環(huán)和地震雙重作用下的邊坡的力學(xué)特性并計算安全系數(shù)，共分為三步：

(1)初始步。生成由土體自重產(chǎn)生的初始應(yīng)力；

(2)塑型計算。基于上步，施加荷載后進行塑形計算，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線;

(3)穩(wěn)定性分析?；谟邢拊獜姸日蹨p法，通過迭代的方式，計算邊坡的安全系數(shù)和臨界破壞面。

在動荷載作用下，空隙水壓力在不同觀測點與振動時間關(guān)系曲線如圖6所示。從圖中可以看出，孔隙水壓力的遞增和重分布在2 s內(nèi)基本完成，在2～10 s振動區(qū)間內(nèi)孔隙水壓基本無變化。邊坡觀測點D、E、F三點的空隙水壓力逐漸增大，說明在動荷載作用下，振動使得水力條件變化，令邊坡地下水位上升，孔隙水壓力則主要由庫水壓力產(chǎn)生。D點的空隙水壓力增加量最高，為120 kPa，E點的孔隙水壓力增加了75 kPa。

計算了在干濕循環(huán)和動力荷載作用下的局部邊坡安全系數(shù)，如表6所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加和施加振動荷載，邊坡局部安全系數(shù)發(fā)生了不同程度的減小，且趨勢逐漸變緩。最大減小幅度為20%。這是由于邊坡土體受到水壓力重分布和動力荷載作用后，邊坡土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，應(yīng)力集中，更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖6 觀察點孔隙水壓力-振動時間變化曲線

表6 邊坡前緣坡腳安全系數(shù)

4 結(jié)語

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，利用動靜三軸試驗試驗研究了在干濕循環(huán)作用下邊坡土體的剪切和動力特性，基于此，結(jié)合工程實例，利用有限元軟件建立了涉水超高邊坡的有限元計算模型，研究孔隙水壓力與振動時間的關(guān)系，并進行穩(wěn)定性分析，計算出了安全系數(shù)。主要結(jié)論如下：

(1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體有效粘聚力逐漸降低趨勢，而內(nèi)摩擦角并沒有表現(xiàn)出一定規(guī)律性，干濕循環(huán)過程使得土顆粒的膠結(jié)作用被降低。

(2)干濕循環(huán)作用下，會改變土體的動力特性參數(shù)，如最終動剪切應(yīng)變、初始動剪切模量和阻尼比。在動荷載作用下，使得邊坡地下水位線升高，導(dǎo)致孔隙水壓力重分布，水壓力增高。

(3)在干濕循環(huán)和動力荷載共同作用下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)發(fā)生改變。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)呈負相關(guān)，最大安全系數(shù)降低20%左右。