董 驁 （安徽省交控建設(shè)管理有限公司，安徽 合肥 236111）

土石混填體是典型的非均質(zhì)散體材料，主要成分有兩個(gè)，一是土塊，二是塊石，其在山區(qū)公路中得到深入推廣。由于這一材料中包括的物質(zhì)存在一定的復(fù)雜性，其結(jié)構(gòu)分布無(wú)具體特性，導(dǎo)致在研究工程力學(xué)性能時(shí)，存在很大的難度。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入探究力學(xué)特性，同時(shí)研究其路用性能，獲得不少研究成果[1-3]。唐慶永等[4]針對(duì)現(xiàn)行路基壓實(shí)質(zhì)量常規(guī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不足，基于路基填筑材料與振動(dòng)壓路機(jī)動(dòng)態(tài)作用原理，總結(jié)歸納出路基連續(xù)壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)；Ding[5]為避免實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中同一樣品中巖石空間分布的差異對(duì)土壤-巖石混合物滲透率的影響，以閥值控制法為依托，將土壤-巖石混合物數(shù)值模擬法總結(jié)出來(lái)。這些研究成果很難進(jìn)行比較分析，同時(shí)在工程實(shí)踐中仍然有很多未解決的問(wèn)題，需要對(duì)其深入探究。為將上述問(wèn)題有效解決，本文進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，對(duì)含石量影響邊坡穩(wěn)定性的情況進(jìn)行分析，這對(duì)今后類似工程分析以及施工配比分析起到重要積極作用。

1 土石混填體基本試驗(yàn)研究

為研究某公路沿線土石混合體的性質(zhì)，從沿線代表性土石混合邊坡進(jìn)行取樣，發(fā)現(xiàn)公路土石混合體邊坡組成物質(zhì)的顆粒直徑變化幅度大，從小于1mm到超過(guò)5m。顯然，邊坡組成物質(zhì)中部分塊石尺寸很大，但對(duì)于高達(dá)幾十米甚至上百米的邊坡，其相對(duì)尺寸較小，土石混合邊坡具有很大的尺寸效應(yīng)。

1.1 土石混填體的密度與比重

本文進(jìn)行兩次平行測(cè)定，首次試驗(yàn)的干密度為1.50g/cm3，此后又進(jìn)行一次平行測(cè)定，其干密度為 1.62g/cm3，其平行差值小于0.03g/cm3，則其最終的干密度為1.61g/cm3。土石混填體土粒占比超過(guò)2.6，將其均值計(jì)算出來(lái)，其最后占比2.67。

1.2 土石混填體的液、塑限

以液、塑限聯(lián)合測(cè)定法為依托，對(duì)其科學(xué)檢驗(yàn)，如果圓錐下沉深度處于2.95mm，那么其含水率高于24%，如果這一下沉深度為17mm時(shí)，其含水率高于40%。所以，其細(xì)粒土液限超過(guò)40%，塑限超過(guò)24%，將塑限指數(shù)計(jì)算出來(lái)，其值是16.87，其液限指數(shù)達(dá)到0.32。

在h-w圖上，查得縱坐標(biāo)入土深度h=20mm所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)的含水量w，即為該土樣的液限wL。求出液限，通過(guò)液限wL與塑限時(shí)入土深度hP的關(guān)系曲線，查得hP，再由h-w圖求出入土深度為hP時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水量，即為該土樣的塑限wP。

液限wL與塑限時(shí)入土深度hP（wL-hP）的關(guān)系曲線，是按經(jīng)驗(yàn)公式（1）的計(jì)算值繪制而成，其經(jīng)驗(yàn)公式：

1.3 土石混填體的顆粒級(jí)配

為了解所研究工程路段土石混填體的級(jí)配情況，采用篩分法進(jìn)行測(cè)定，由土石混填體顆粒級(jí)配曲線可得其限定粒徑=20，中值粒徑=5，有效粒徑=0.82。由此得出Cu=24.39，Cc=1.52。使不均勻系數(shù)超過(guò)5的條件得以滿足，同時(shí)Cc在1～3這一土石混填體顆粒級(jí)配要好一些。

1.4 土石混填體的擊實(shí)試驗(yàn)

應(yīng)用干土法，把待用土樣在不同水分中放入進(jìn)來(lái)，將其悶料24h，對(duì)其擊實(shí)，其擊實(shí)曲線見(jiàn)圖1所示。土石混填路基里，其粘土最佳含水率超過(guò)18%，干密度最大值是1.73 g/cm3。

圖1 不同含石量土石混填體擊實(shí)曲線

2 含石量對(duì)土石混填體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律

利用直剪試驗(yàn)，能夠獲取抗剪強(qiáng)度影響曲線,其含石量不一樣，具體見(jiàn)圖2所示。通過(guò)圖2看出，由于含石量越來(lái)越多，垂直應(yīng)力開(kāi)始不同，使得抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步上漲?？辜魪?qiáng)度的上漲大多是由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，自懸浮式向骨架式進(jìn)行轉(zhuǎn)變。由圖2看出，盡管其他條件不發(fā)生變化，由于含石量不斷上漲，粘聚力不斷增加，隨后下降，內(nèi)摩擦角進(jìn)一步上漲。主要是因?yàn)楹堪l(fā)生變化，其越來(lái)越大，導(dǎo)致骨架出現(xiàn)，從而令咬合作用突顯，因此，使得內(nèi)摩擦角進(jìn)一步加大。在這期間，顆粒中的咬合作用使得粘聚力不斷上漲，然而由于含石量的上漲，使得細(xì)顆粒含量不斷下降，細(xì)顆粒間粘結(jié)力不斷下降，導(dǎo)致前者的粘聚力與后者相比要大一些，從整體來(lái)看，粘聚力越來(lái)越小的態(tài)勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)。

圖2 含石量對(duì)土石混填體抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

3 土石混填路基邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 有限元計(jì)算模型的建立

土石混填路基是以土石混填體為主，特點(diǎn)是松散，將彈塑性材料應(yīng)用，實(shí)施模擬比較適宜，而且這一模型的公式較為簡(jiǎn)單，計(jì)算參數(shù)獲取也十分容易，所以本文將其作為本構(gòu)模型。此外，根據(jù)路基對(duì)稱性的要求，把路基作為有限元模型來(lái)看待。把路基邊坡概化成最具代表性的計(jì)算模型，路基面寬度是20m，底部寬度是其兩倍，坡高10m，坡比是1：1；如何使邊界的影響降低，在自重情況下，對(duì)邊坡穩(wěn)定性給予考慮，使模型向下拓展2m，向兩旁拓展2m。構(gòu)建有限元模型，原點(diǎn)在模型中線的底部，同時(shí)X軸右側(cè)是非負(fù)的，Y軸向上是非負(fù)，具體見(jiàn)圖3所示。

圖3 有限元模型

把模型兩側(cè)設(shè)置成水平方向，對(duì)其位移進(jìn)行約束；把其底部設(shè)置成水平、垂直約束，將其位移進(jìn)行約束；對(duì)于頂面以及坡面來(lái)說(shuō)，不對(duì)其進(jìn)行定位移約束，使其能夠自主變化。針對(duì)邊坡模型而言，科學(xué)運(yùn)用自重應(yīng)力場(chǎng)。結(jié)合模型的網(wǎng)格劃分，其結(jié)點(diǎn)共計(jì)545個(gè)，單元共計(jì)496個(gè)，單元類型以四邊形單元為主。本文的模型以Mohr-Coulomb模型為主，對(duì)其實(shí)施有限元計(jì)算，在含石量不一樣時(shí)，獲取石混填體力學(xué)參數(shù)，具體見(jiàn)下表所示。

不同含石量土石混填體力學(xué)參數(shù)

3.2 含石量對(duì)土石混填路基邊坡穩(wěn)定性影響分析

結(jié)合計(jì)算結(jié)果，關(guān)鍵指標(biāo)柱狀圖見(jiàn)圖4所示。通過(guò)圖4看出，由于邊坡中含石量越來(lái)越多，其處于極限情況下，最大拉應(yīng)力值是增加的，而且其最大塑性應(yīng)變是逐漸降低的。這是由于含石量的上漲，使得混填體重度不斷上漲，路基邊坡承受力加大，邊坡應(yīng)力值也越來(lái)越大，而且由于含石量的變化，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步加大，使得邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象越來(lái)越突出，必須進(jìn)一步克服內(nèi)力。所以，對(duì)于極限位置來(lái)說(shuō)，坡體的最大拉應(yīng)力值也發(fā)生了改變，其值開(kāi)始增長(zhǎng)。此外，由于含石量越來(lái)越多，泊松比越來(lái)越大，導(dǎo)致抗變形不斷上漲，因此，對(duì)于極限條件來(lái)說(shuō)，它的最大塑性應(yīng)變也是不斷下降的。結(jié)合這些數(shù)據(jù)能夠得出，在路基邊坡中，石塊含量越來(lái)越多，能夠顯著提高整體力學(xué)特性，從而真正保證邊坡穩(wěn)定性。

圖4 含石量對(duì)土石混填體邊坡關(guān)鍵指標(biāo)的影響

與此同時(shí)，含石量從50%逐漸增大至 80%，安全系數(shù)分別為 1.39、1.75、1.86、1.90?？梢钥闯?，由于含石量的不斷上漲，其安全系數(shù)越來(lái)越大，非線性增長(zhǎng)無(wú)規(guī)律可言，這是由于含石量出現(xiàn)改變，使得抗剪強(qiáng)度上漲而形成的。此外，含石量在50%～60%時(shí)，它的這一系數(shù)超過(guò)二十個(gè)點(diǎn)，含石量出現(xiàn)改變，在60%～70%變化時(shí)，這一系數(shù)與6%相接近。而含石量由70%變化為80%，安全系數(shù)高于2%，這就意味著，含石量在50%變化為60%的情況下，其安全系數(shù)的上漲是最顯著的。

從總體來(lái)看，如果含石量與限值相比高一些，則其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會(huì)自骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)逐漸變化為骨架孔隙結(jié)構(gòu)，含石量上漲不單會(huì)使坡體體力上漲，同時(shí)其抗剪強(qiáng)度不斷下降，因?yàn)楹堪l(fā)生變化，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)越來(lái)越小。

4 邊坡防護(hù)措施

結(jié)合計(jì)算分析結(jié)果，處于臨界穩(wěn)定或者欠穩(wěn)定土石混合體邊坡容易在降水、地震或者人工坡角開(kāi)挖的作用下失去穩(wěn)定，對(duì)不同破壞模式的土石混合邊坡，要根據(jù)其穩(wěn)定性分析研究成果進(jìn)行針對(duì)性治理，主要采取以下措施。

①進(jìn)行防排水處理。首先，在土石混合體與基巖接觸上部修建截水溝，攔截邊坡匯流來(lái)水，防止水流沿薄弱面下滲；其次，在土石混合體邊坡坡體修建引水溝渠，將邊坡水及時(shí)引排，減少坡體下滲。

②加固坡角或坡面防護(hù)。在工程修建時(shí)避免邊坡坡腳開(kāi)挖，修建地方路時(shí)應(yīng)盡量繞行，尤其是對(duì)于邊坡的整體式破壞，要采取限制坡體整體滑動(dòng)的措施，對(duì)坡腳進(jìn)行加固，實(shí)際工程中二級(jí)平臺(tái)沿路線方向布設(shè)抗滑樁加強(qiáng)邊坡整體穩(wěn)定。對(duì)于邊坡的局部坡面破壞，可以采用坡面防護(hù)、局部卸載和坡腳加固的方式進(jìn)行綜合治理。

③要加強(qiáng)邊坡的監(jiān)控量測(cè)。結(jié)合計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，應(yīng)選擇在邊坡相對(duì)穩(wěn)定階段進(jìn)行防護(hù)加固施工，避免邊坡發(fā)生最終失穩(wěn)。

5 結(jié)論

文章利用控制變量法，在含石量不同的情況下，實(shí)施直剪試驗(yàn)，以此為依托，分析邊坡穩(wěn)定性情況，具體內(nèi)容如下。

①實(shí)施物理力學(xué)性能試驗(yàn)，獲取原始級(jí)配，對(duì)土的干密度等參數(shù)進(jìn)行分析，利用擊實(shí)試驗(yàn)，在含石量不一樣的情況下，分析土石混填體的最佳含水量，從而為直剪試驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。針對(duì)單一變量控制，它的含石量基本在50%～80%，致其抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步增加。

②以強(qiáng)度折減有限元法為依托，計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，由于含石量上漲，使得邊坡在極限情況下，最大應(yīng)力值進(jìn)一步增長(zhǎng)，而且最大塑性應(yīng)變值是逐漸降低，由于含石量的上漲，使得邊坡安全系數(shù)不斷上升同時(shí)在含石量自50%上漲到60%的情況下，邊坡安全系數(shù)的上升最為顯著。