龍 蘭

(廣西桂商實業(yè)投資有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性是公路、水利及橋梁等工程重點(diǎn)關(guān)注問題，但有較多因素影響著邊坡安全穩(wěn)定性，如自然因素，包括降雨條件、蒸發(fā)條件等[1-3]；如地質(zhì)條件，包括邊坡土層特性、地質(zhì)構(gòu)造及滲流條件等[4]。以上多種因素中以膨脹土邊坡為極易滑坡的前兆，探討膨脹土邊坡對推動工程建設(shè)安全性具有重要作用。眭敏磊、許容等[5-6]采用FLAC 3D、ANSYS等仿真平臺建立了邊坡數(shù)值模型，探討邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)隨不同地質(zhì)條件影響的變化，豐富了邊坡工程的研究成果，推動了邊坡治理技術(shù)方案形成。靳福杰、程世濤、饒鴻等[7-9]通過對膨脹土邊坡開展?jié)B流離散元計算，獲得了膨脹土邊坡內(nèi)裂隙滲流演變特征，探討了膨脹土邊坡失穩(wěn)內(nèi)在機(jī)理。胡旭輝、孟偉超、呂建航等[10-12]借助室內(nèi)試驗研究方法，探討了凍融循環(huán)、干濕效應(yīng)等物理損傷作用下膨脹土體的力學(xué)特征變化，為膨脹土邊坡治理提供了基礎(chǔ)試驗依據(jù)。寧昕揚(yáng)、榮智等[13-14]通過分析膨脹土邊坡危害，研究了生態(tài)護(hù)坡、溝渠排水及物化改良土體等方法，提高了邊坡治理的技術(shù)水平。本文針對百色高速公路強(qiáng)膨脹土邊坡工程的實際特點(diǎn)，提出采用改性劑物理改良方法提高土體力學(xué)穩(wěn)定，并基于室內(nèi)試驗手段探討了改良土力學(xué)特征及滲透特性，為膨脹土邊坡治理提供了參考。

1 試驗概況1.1 工程背景

在廣西百色“橫5”高速公路樂業(yè)修筑路段內(nèi)，項目公司發(fā)現(xiàn)存在典型膨脹土邊坡，其安全穩(wěn)定性發(fā)展趨勢極大地影響了工程建設(shè)進(jìn)度。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最大的膨脹土邊坡軸線長度達(dá)33 m，膨脹率最高的強(qiáng)膨脹土高邊坡位于K02+105處，其走向與公路垂直。工程管理部門討論以該強(qiáng)膨脹土邊坡為典型對象，開展土體物化改良，解決邊坡沉降變形大、易發(fā)生滑移的本質(zhì)問題。根據(jù)對該強(qiáng)膨脹土邊坡進(jìn)行調(diào)查得知，其土層以雜填土、粉質(zhì)黏土、粉砂巖及黏土等組成，實測土體膨脹率達(dá)85%～90%。同時，為確保工程建設(shè)安全，在邊坡土層內(nèi)安裝位移測量裝置，包括測斜管、裂縫監(jiān)測傳感器等裝置，其中測斜管所在位置距離潛在滑移裂縫面間距為3.8 m，邊坡土層鉆孔及位移測量儀安裝如圖1所示。根據(jù)對K02+105處膨脹土邊坡進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，其中部設(shè)置有寬度為6 m的平臺，邊坡頂高度為12 m，由于高速公路在建設(shè)初期遭遇降雨等不利自然因素，導(dǎo)致該邊坡頂部出現(xiàn)局部的弧形裂縫帶，最寬處為10 cm，延伸段長度約為8 m，深層土體出露，導(dǎo)致局部沉降達(dá)8 cm；而坡腳受沉降荷載影響，沿基巖土層分界面發(fā)生滑移，裂縫帶的進(jìn)一步發(fā)展勢必導(dǎo)致坡內(nèi)土體出現(xiàn)滲流通道，耦合危險面后極易發(fā)生滑動。為減弱裂縫帶對邊坡安全穩(wěn)定性的影響，采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固坡內(nèi)土體，設(shè)計張拉荷載為480 kN，每根錨桿長度為2.5 m，配置有鋼混結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力橫、縱梁，交錯分布，橫、縱梁布設(shè)間距分別為0.35 m、0.5 m，設(shè)計最大彎矩為379.58 kN·m，細(xì)部配筋為6φ18 mm鋼筋。其初支設(shè)計如圖2所示。

為從根本上解決膨脹性土體大變形、高滲透的問題，考慮采用物化改良法，通過注漿貫入改良劑，使整體邊坡土體改性，提升安全穩(wěn)定性。現(xiàn)場原位試驗測試表明，該邊坡土體中以黏土為典型膨脹土，滲透系數(shù)可達(dá)3×10-4cm/s，特別是受邊坡內(nèi)裂縫帶徑流效應(yīng)影響，導(dǎo)致土體處于飽和濕潤狀態(tài)，軟化效應(yīng)較高；鉆孔取樣所測量的試樣體積膨脹變形程度最大可至30%，其內(nèi)部顆粒骨架的結(jié)構(gòu)層極易失穩(wěn)。為此，針對K02+105段邊坡高膨脹土體特征，采用室內(nèi)物理改良方法進(jìn)行先期試驗，并加以干濕循環(huán)模擬，探討膨脹黏土體在干濕循環(huán)條件下的三軸力學(xué)特征及滲透特性。

圖1 邊坡土層鉆孔及位移測量儀布置圖

圖2 邊坡支護(hù)設(shè)計示意圖

1.2 試驗介紹

為確保改性土力學(xué)試驗結(jié)果的可靠性，本文采用SDS-200三軸剪切試驗設(shè)備開展力學(xué)試驗，該裝置包括剪切荷載系統(tǒng)、試驗控制及數(shù)據(jù)采集處理等模塊，根據(jù)試驗要求，可完成多類型多尺寸土樣的剪切試驗。數(shù)據(jù)采集裝置包括有軸向、環(huán)向變形傳感器，量程分別為-25～25 mm、-20～20 mm，試驗采用剪切變形控制加載方式，速率為0.06 mm/min，試驗設(shè)備剪切荷載最大量程可達(dá)5 000 kPa，而圍壓加載裝置最大可達(dá)1 000 kPa，加載波幅≤1‰，試驗采集裝置精度誤差≤1%。本試驗中所有試樣均取自K02+105處邊坡工程現(xiàn)場，在室內(nèi)重塑后，按照工程土體實際含水量20%～25%進(jìn)行制樣。所制試樣含黏質(zhì)成分與實際土樣相吻合，所有試樣直徑、高度分別為50 mm、100 mm。制樣過程中根據(jù)改性劑摻量的比選原則，按照占試樣總質(zhì)量百分比，設(shè)定改良劑摻量分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%，所使用的改良劑主要成分為木質(zhì)素磺酸鈣。三軸剪切試驗中圍壓組分別設(shè)定為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

干濕循環(huán)模擬試驗采用烘干箱與飽和儀裝置完成，每次循環(huán)均需完成8 h的烘干和8 h的飽和過程，且干濕循環(huán)試驗在土樣三軸力學(xué)剪切前完成，本試驗中設(shè)定有0～4依次遞增的循環(huán)方案。各試驗組具體試驗參數(shù)如表1所示。

表1 試驗方案具體參數(shù)表

改性土不僅需要研究其力學(xué)特征，也需要探討其滲透特性，因而采用變水頭滲透試驗裝置完成滲透試驗[15]，以水頭管計量數(shù)據(jù)計算滲透參數(shù)。滲透試驗所使用的土樣需確保與三軸剪切試驗組中試樣一致?；谌S剪切與滲流試驗，探討改性土力學(xué)特征影響變化及滲透演變，為膨脹土邊坡改良處理提供依據(jù)。

2 改良土力學(xué)特征

2.1 改良效果分析

基于改良土三軸剪切力學(xué)試驗，獲得不同圍壓下試樣剪切應(yīng)力應(yīng)變特征，如下頁圖3所示。從圖3可看出，不論是改良土抑或是原狀土，圍壓愈大，試樣整體剪切應(yīng)力水平愈大。在改良土試樣組中，圍壓為100 kPa時試樣最大剪切應(yīng)力為2 879.38 kPa，而圍壓為200 kPa、400 kPa時，試樣的抗剪強(qiáng)度較前者分別增大了14.9%、43.9%，即圍壓增大，可提升試樣抗剪切能力，圍壓每增大100 kPa，改良土的抗剪應(yīng)力平均可增大11.6%。與此同時，在原狀土試樣組中，其抗剪強(qiáng)度隨圍壓每增大100 kPa，平均增幅為18.5%。分析表明，改良土試樣剪切承載能力受圍壓影響敏感度不及原狀土。圍壓增大，本質(zhì)上是對土樣內(nèi)部孔隙擴(kuò)張的一種限制，當(dāng)試樣內(nèi)部自身裂隙存在較少，圍壓的提升并不能產(chǎn)生更為顯著的抗剪切效應(yīng)，即改良土試樣內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)完整性、緊湊性均高于原狀土試樣[16]。當(dāng)對比原狀土與改良土剪切能力時，也可以印證上述結(jié)論，在相同圍壓即300 kPa內(nèi)時，原狀土試樣的抗剪強(qiáng)度為2 207.19 kPa，而同一圍壓下的改良土抗剪強(qiáng)度較之增大了67.5%，此種對比在圍壓100 kPa、200 kPa、400 kPa時均是如此，兩者土樣的抗剪強(qiáng)度差幅分別達(dá)78%、72.1%、57.1%。這表明摻改性劑的物理改良后土體抗剪切能力高于原狀土，符合膨脹土邊坡改良的根本目的。

對比改良土與原狀土試樣的剪切變形能力可知，改良土試樣的剪切應(yīng)力達(dá)到峰值后迅速下降，脆性變形特征顯著，在圍壓200 kPa時峰值剪切應(yīng)力后具有38.8%的降幅。原狀土變形能力延展性較高，且變形量值亦較大，在圍壓100 kPa時峰值應(yīng)變?yōu)?.4%，而改良土試樣僅為7%；在圍壓300 kPa時改良土最大應(yīng)變?yōu)?2.6%，而原狀土在峰值應(yīng)力后應(yīng)變增長了11.4%，結(jié)束時最大應(yīng)變達(dá)20.6%。分析變形特征，可知原狀膨脹土變形能力較大，破壞后變形延展性較強(qiáng)；而改良土變形能力弱于前者，不易產(chǎn)生大延伸性裂紋變形現(xiàn)象。

(a)原狀土

(b)改良土

2.2 干濕循環(huán)的影響

根據(jù)對干濕循環(huán)下土體剪切試驗結(jié)果的分析，獲得干濕作用影響下的土體剪切力學(xué)特征，如圖4所示。分析圖4中剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，干濕作用與土體剪切能力具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)干濕作用次數(shù)愈多，試樣剪切應(yīng)力水平愈低。在圍壓為100 kPa且無干濕作用時抗剪強(qiáng)度為1 769.74 kPa，而干濕作用為1次、2次、3次時試樣抗剪強(qiáng)度較前者分別減少了9.9%、22%、35.1%。總體上看，干濕作用每增加1次，試樣抗剪強(qiáng)度平均損失12.3%。分析認(rèn)為，干濕作用影響下土體內(nèi)部會出現(xiàn)反復(fù)性次生裂紋，造成試樣內(nèi)部顆粒骨架出現(xiàn)松散性特征，不利于試樣抗剪特性發(fā)展[17-18]。當(dāng)圍壓增大至400 kPa后，每增加1次干濕循環(huán)，則可導(dǎo)致試樣抗剪強(qiáng)度損耗5.5%，即圍壓增大，干濕作用影響效應(yīng)減弱。從圍壓限制裂紋發(fā)展角度考慮，干濕作用的本質(zhì)是促進(jìn)裂紋發(fā)展，但圍壓作用與之相反，故而圍壓增大，可限制干濕損傷效應(yīng)。

從剪切變形影響特征來看，不同干濕作用次數(shù)下試樣在剪切屈服應(yīng)力前基本保持一致，應(yīng)力應(yīng)變曲線相吻合，但在接近峰值剪切應(yīng)力后，干濕作用次數(shù)愈多的試樣變形發(fā)展愈大，延展性更強(qiáng)，具有更高的延性變形能力，此種現(xiàn)象在圍壓為400 kPa時亦是如此。分析表明，干濕作用對土體剪切變形的影響集中在屈服剪切應(yīng)力及剪切破壞階段內(nèi)，而對土體彈性壓密變形段的影響較弱。

(a)圍壓100 kPa

(b)圍壓400 kPa

2.3 改良劑摻量的影響

不同摻量改良劑試樣的剪切應(yīng)力變形發(fā)展具有差異性，如圖5所示為不同摻量改良土試樣剪切應(yīng)力應(yīng)變特征。觀察改良劑摻量對改良土剪切應(yīng)力的影響可知，在改良劑摻量增大的過程，試樣抗剪強(qiáng)度為先增后減的趨勢，在無干濕作用試驗組中，摻量為2%試樣的抗剪強(qiáng)度為1 406 kPa，摻量為6%試樣的抗剪強(qiáng)度最高，較前者增大了66.3%，而摻量為8%、12%的試樣抗剪強(qiáng)度較6%摻量下的試樣抗剪強(qiáng)度分別減少了14.6%、31.5%。從改良劑摻量對抗剪強(qiáng)度的影響可知，存在合理摻量區(qū)間，當(dāng)摻量超過該區(qū)間后，則抗剪應(yīng)力水平為下降，本試驗結(jié)果表明摻量6%為最優(yōu)。當(dāng)改良劑處于合理摻量值時，土體試樣內(nèi)部孔隙與改性劑摻量相匹配，兩者的填充、壓實效果達(dá)到最佳，而改性劑摻量的改變，會導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔隙填充是否飽和或欠缺。當(dāng)改性劑過多，孔隙無法完全“消化”，進(jìn)而導(dǎo)致試樣內(nèi)部出現(xiàn)以木質(zhì)素磺酸鈣為主的薄弱面；而改性劑過少，土體改良效果欠佳，反映在膨脹土邊坡上則是仍然存在較大膨脹變形的發(fā)展趨勢[19]。從摻量影響結(jié)果來看，干濕作用0次、4次試驗組中均在2%～6%摻量區(qū)間內(nèi)抗剪強(qiáng)度遞增，摻量每增大2%，抗剪強(qiáng)度分別平均可增長28.9%、19.9%，而在6%～12%的摻量區(qū)間內(nèi)，抗剪強(qiáng)度分別平均損耗13.8%、7.6%。在干濕作用下，改性劑合理摻量值并未改變，即干濕物理損傷效應(yīng)不影響本試驗中的合理摻量。

(b)干濕4次

3 改良土滲透特性

根據(jù)對變水頭試驗中各組試樣滲透數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得干濕作用、改性劑摻量影響下土體滲透系數(shù)變化特征，如圖6所示。

依據(jù)圖6可知，各摻量改性劑試樣組中以摻量6%試樣滲透系數(shù)最低，在該摻量前、后區(qū)間內(nèi)分別具有滲透遞減與遞增狀態(tài)。當(dāng)無干濕作用時，在摻量2%～6%與6%～12%的區(qū)間內(nèi)，隨摻量每增長2%，滲透系數(shù)分別具有平均82.6%降幅與平均3.78倍增幅；而干濕作用次數(shù)增多后，如干濕作用為1次、3次、4次時，滲透系數(shù)在摻量抑制滲透區(qū)間內(nèi)的平均降幅分別為86.9%、88.5%、87.7%，而在促進(jìn)區(qū)間內(nèi)的平均增幅分別為3.85倍、4.62倍、3.08倍。由此可知，干濕效應(yīng)循環(huán)愈多，試樣合理摻量區(qū)間不受影響，但在其他摻量區(qū)間內(nèi)滲透特性發(fā)展受影響。當(dāng)處于同一改性劑摻量時，干濕作用次數(shù)愈多，則滲透效應(yīng)愈強(qiáng)，滲透系數(shù)增大。以摻量8%為例，其在無干濕作用下滲透系數(shù)為1.44×10-7cm/s，而每增加1次干濕作用，則滲透系數(shù)平均可遞增6.77倍，即試樣滲透特性在多輪干濕作用下得到增強(qiáng)。從膨脹土邊坡安全性考慮，改性劑選擇合理摻量，有助于限制土體滲透發(fā)展，對邊坡防滲具有促進(jìn)效果；與此同時，避免邊坡土體受循環(huán)干濕作用，減弱干濕效應(yīng)對土體滲透的促進(jìn)效果，有助于膨脹土邊坡改良后安全穩(wěn)定。

當(dāng)圍壓增大至400 kPa時，干濕作用、改性劑摻量對滲透特性影響基本保持一致，但圍壓增大，滲透系數(shù)整體水平減小。圍壓為400 kPa且干濕1次時摻量6%試樣滲透系數(shù)為3.03×10-10cm/s，較之圍壓為100 kPa時的試樣滲透系數(shù)減少了99.8%，表明圍壓作用可約束試樣滲透通道形成，限制滲透系數(shù)發(fā)展。

(a)圍壓100 kPa

(b)圍壓400 kPa

4 結(jié)語

本文主要得出以下結(jié)論：

(1)改良土抗剪切能力高于原狀土，圍壓愈大，土體抗剪強(qiáng)度增大。圍壓每增大100 kPa，改良土、原狀土抗剪強(qiáng)度分別平均可增大11.6%、18.5%；原狀土變形大、破壞后變形延展性強(qiáng)，改良土變形能力弱于前者。

(2)干濕作用與土體剪切能力呈負(fù)相關(guān)，每增加1次干濕作用，圍壓為100 kPa、400 kPa時試樣抗剪強(qiáng)度分別平均損失12.3%、5.5%；干濕作用次數(shù)愈多，試樣延性發(fā)展愈強(qiáng)，但變形影響集中在屈服剪切應(yīng)力及剪切破壞階段。

(3)改性劑摻量增大，試樣抗剪強(qiáng)度先增后減。干濕作用4次時2%～6%摻量與6%～12%摻量區(qū)間內(nèi)抗剪

強(qiáng)度分別為平均遞增19.9%與平均損耗7.6%，以摻量6%抗剪效果最優(yōu)，干濕物理損傷效應(yīng)不影響合理摻量。

(4)摻量6%試樣滲透系數(shù)最低，干濕作用次數(shù)愈多，合理摻量不受影響，但可促進(jìn)其他摻量試樣滲透特性；干濕作用次數(shù)愈多，則土體滲透效應(yīng)愈強(qiáng)；圍壓增大，不影響干濕作用與改性劑摻量影響效應(yīng)，但整體滲透水平降低。