秦 龍,張 晶,張靜波

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

沿河沿庫(kù)的路基邊坡在水位上漲時(shí)將面臨浸水濕化問題[1]。研究表明,浸水濕化對(duì)巖土體產(chǎn)生軟化和潤(rùn)滑作用,導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低,引起路基變形,進(jìn)而影響路基邊坡的穩(wěn)定性,因此浸水常常引起大量路基病害,嚴(yán)重威脅公路運(yùn)營(yíng)安全[2]。

河南西部屬黃土地區(qū),存在大量黃土路基,部分公路邊坡臨近河、湖、水庫(kù),相關(guān)研究表明壓實(shí)黃土同樣存在浸水濕化后變形增大的問題[3-5]。因此本文以三門峽地區(qū)的黃土為研究對(duì)象,通過(guò)不同含水率下重塑土的三軸剪切試驗(yàn),測(cè)試黃土的抗剪強(qiáng)度,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬,研究浸水濕化條件下路基邊坡的變形與穩(wěn)定性變化規(guī)律。

1 浸水濕化對(duì)黃土強(qiáng)度的影響

1.1 試驗(yàn)概況

1.1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)所用土樣取自三門峽至淅川高速公路豫晉省界至靈寶段K4+800的挖方處,地層巖性為上更新統(tǒng)(Q3)新黃土,主要以馬蘭黃土,灰黃色、黃色鈣質(zhì)粉土為主,具大孔隙,見少量螺殼碎片及鈣質(zhì)結(jié)核。其基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 土樣基本物理參數(shù)表

1.1.2 試樣制備

制備壓實(shí)度相同、含水率不同的試樣進(jìn)行試驗(yàn),壓實(shí)度設(shè)計(jì)為93%。以最佳含水率Wopt(12.7%)為基準(zhǔn),設(shè)計(jì)5個(gè)不同的含水率,分別為Wopt-8%、Wopt-4%、Wopt、Wopt+4% 、Wopt+8%。其中Wopt+8%接近飽和含水率。根據(jù)大擊實(shí)筒容積、最大干密度、壓實(shí)度、計(jì)算出所需干土的質(zhì)量,再根據(jù)設(shè)計(jì)含水率計(jì)算得到所需加水量。將土樣過(guò)2 mm的細(xì)篩后烘干,加水并充分拌和后將配好的土料裝入保鮮袋中悶料48 h。采用靜壓法分3層將土全部壓入大擊實(shí)筒,最后一層時(shí)土頂面放置一個(gè)與擊實(shí)筒套筒高度一致的墊塊,然后靜壓至墊塊頂面與套筒頂面平齊為止。每個(gè)含水率制備4個(gè)試樣備用。

1.1.3 試驗(yàn)方法

三軸試驗(yàn)采用TSZ-1A全自動(dòng)三軸儀,試驗(yàn)尺寸為φ39.1 mm×H80 mm,最大圍壓為2 MPa,最大軸向應(yīng)力為10 kN。將試樣切成φ39.1 mm×H80 mm的4個(gè)圓柱形試樣。4個(gè)圍壓分別取50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa,采用不固結(jié)不排水(UU)剪切試驗(yàn)方法,剪切速率均為1 mm/min。三軸試驗(yàn)完成后,從破壞后的試樣上取樣,復(fù)測(cè)含水率,復(fù)測(cè)結(jié)果見表2。根據(jù)不同圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,繪制相應(yīng)的摩爾應(yīng)力圓,做諸圓的包絡(luò)線,求得土樣的粘聚力c和摩擦角φ。

表2 三軸試驗(yàn)后含水率復(fù)測(cè)結(jié)果表

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同含水率條件下土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和摩爾應(yīng)力圓如下頁(yè)圖1～5所示,其粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ結(jié)果如后頁(yè)表3所示?？辜魪?qiáng)度隨含水率的變化趨勢(shì)如后頁(yè)圖6所示,可見重塑黃土試樣的c值和φ值都隨著含水率的增大而減小。隨著含水率的增加,c值先迅速減小,再緩慢降低,變化幅度較大。而φ值在含水率從1.84%增大到7.33%時(shí)基本未變,還稍有增大,這可能是試驗(yàn)誤差。忽略該異常點(diǎn),可見隨著含水率的增加,φ值減小速率較為均勻,但減小范圍不大。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,隨著含水率的增加黃土的抗剪強(qiáng)度不斷降低,力學(xué)性能逐漸劣化。同時(shí)表明,粘聚力對(duì)含水率的變化更為敏感。

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系曲線圖

表3 不同含水率下壓實(shí)黃土的力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段的平均斜率計(jì)算獲得重塑黃土的變形模量,各含水率下壓實(shí)黃土的變形模量如表3所示,變形模量隨含水率的變化規(guī)律如圖7所示,可見其規(guī)律與c值的相似,隨著含水率的增加,變形模量先迅速減小,再緩慢降低,變化幅度較大。

圖7 變形模量與含水率關(guān)系曲線圖

2 浸水濕化對(duì)黃土路基邊坡穩(wěn)定性的影響

2.1 基本參數(shù)

根據(jù)表2的力學(xué)參數(shù)取值,不同含水率條件下的重度按式(1)求得:

γ=(1+w)·γd=(1+w)×1.837×0.93×g

(1)

式中:w——含水率(%);

g——10 N/kg。

2.2 方案設(shè)計(jì)與模型

采用GeoStudio軟件進(jìn)行模擬分析,計(jì)算黃土路基邊坡受浸水影響后,含水率由最初的1.84%逐步增大至21.84%(基本飽和)過(guò)程中的變形和穩(wěn)定性。

選取三門峽地區(qū)浸水路堤的典型斷面建立有限元模型,模型如圖8所示,邊坡高度為10 m,坡率為1∶1.5,模型劃分為1 400個(gè)四邊形單元,模型左側(cè)和右側(cè)邊界施加水平約束,底部施加水平和豎向約束。

圖8 有限元模型圖

在SIGMA/W模塊中計(jì)算邊坡的應(yīng)力和變形,在SLOPE/W模塊中定義剪入口和出口范圍,耦合SIGMA/W的應(yīng)力結(jié)果搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面,獲取邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

2.3 路基濕化變形和穩(wěn)定性分析

2.3.1 濕化變形分析

隨著水庫(kù)蓄水,水位升高,邊坡逐漸濕化,含水率不斷升高。含水率升高時(shí)邊坡變形過(guò)程如圖9所示。從圖9可見,隨著含水率的升高,邊坡的最大變形在逐漸增大,從含水率1.84%時(shí)的12.19 mm增大至含水率21.48%時(shí)的182.88 mm,變形增大14倍。這是由于隨著浸水濕化,路基土吸水后重度不斷增大,而抗剪強(qiáng)度和壓縮模量逐漸降低,導(dǎo)致路基產(chǎn)生濕化變形。

(a)含水率1.84%

2.3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

含水率升高過(guò)程中路基邊坡的最危險(xiǎn)滑面與穩(wěn)定系數(shù)如圖10、圖11所示。從圖10和圖11可見,隨著含水率的升高,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)先迅速降低,后緩慢降低,從含水率1.84%時(shí)的15.659減小至含水率21.48%時(shí)的0.989,說(shuō)明路基邊坡在浸水飽和后,由于抗剪強(qiáng)度的大幅減小,穩(wěn)定性系數(shù)將大大降低,處于不穩(wěn)定狀態(tài),部分土體(如圖12所示)將處于塑性狀態(tài),開始產(chǎn)生塑性變形,變形量將隨時(shí)間逐漸增大。結(jié)果表明,路基邊坡在高度10 m、坡比1∶1.5的條件下基本處于極限狀態(tài),不能保持穩(wěn)定,應(yīng)采取防護(hù)措施或放緩坡率。

(a)含水率1.84%

圖11 穩(wěn)定系數(shù)與含水率關(guān)系曲線圖

圖12 含水率21.48%時(shí)的塑性區(qū)云圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)壓實(shí)黃土隨著含水率的增加,力學(xué)性能產(chǎn)生劣化,抗剪強(qiáng)度和壓縮模量不斷降低,粘聚力c與變形模量隨含水率的增加先迅速降低,然后緩慢降低,變化范圍較大;而φ值減小速率較為均勻,且減小范圍不大。從試驗(yàn)結(jié)果可看出,粘聚力c對(duì)含水率變化更為敏感。

(2)隨著水庫(kù)水位不斷升高,黃土路基含水率逐漸增加,土體抗剪強(qiáng)度逐漸下降,路基邊坡的變形逐漸增大,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先迅速降低,后緩慢降低。對(duì)于高度為10 m、坡率為1∶1.5的黃土邊坡,隨著含水率不斷增加,邊坡變形區(qū)范圍不斷減小;當(dāng)含水率達(dá)到21.48%時(shí),邊坡達(dá)到極限狀態(tài),產(chǎn)生塑性變形區(qū)。

(3)根據(jù)本文分析結(jié)果,在實(shí)際工程中,針對(duì)浸水黃土路基邊坡應(yīng)盡量放緩坡率,坡腳浸水范圍內(nèi)采用實(shí)體不透水護(hù)面墻、防水土工布等措施進(jìn)行處理,或在坡腳采用抗滑支擋,確保黃土邊坡土體不被浸水,保持邊坡穩(wěn)定。