刘 强，谢婉丽，温笃武

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点试验室，陕西 西安710069)

黄土边坡开挖后强度变化规律研究

刘 强，谢婉丽，温笃武

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点试验室，陕西 西安710069)

在室内对52个原状土样进行卸荷条件下的直剪试验，测定不同先期固结压力下卸荷土体在不同滞留时间的抗剪强度值，试验结果表明:不同先期固结压力下原状土体卸荷后，在相同的卸荷滞留时间下卸荷后土体的抗剪强度随着先期固结压力的增大而增大;当先期固结压力为200 KPa时，土体的抗剪强度是随着滞留时间的增加而减小的，在卸荷5～7 d后强度就不再明显下降。利用试验结果以某高速公路高边坡为研究对象进行了稳定性分析。

黄土;开挖;卸荷;强度;稳定性

目前，随着我国高速公路和高速铁路的长足发展，黄土地区的边坡工程愈来愈多;黄土边坡工程的稳定性多根据自然边坡的各项强度指标评价，但在工程实际中，边坡大都需要开挖卸荷，一般的公路挖方边坡卸荷荷载量级极小，路面在挖方后仅产生小变形;高边坡的挖方量大，边坡卸荷荷载量级也较大，从而影响边坡体内应力分布状态及其稳定性。因此，挖方卸荷对边坡稳定性计算和工程施工的影响有必要深入探讨。

对于卸荷问题，国内外许多学者主要对软土和岩体的卸荷问题进行了研究。Swanson等(1971)，Crouch(1972)利用常规三轴仪分别研究了卸围压对岩石强度的影响，他们认为应力路径对岩石强度没有影响。陈永福，曹名葆(1990)通过侧限试验和三轴试验研究了对于卸荷－再加荷作用下土体的抗剪强度，分析了上海软土在卸荷－再加荷时的变形特性;程相华(2000)从理论及试验两方面研究了卸荷土体抗剪强度的问题，分析了土体卸荷与加荷两种受力状态下的不同强度特征，建议以加卸荷强度路径试验曲线为依据进行卸荷计算;孟凡丽，樊良本，姚君等(2003)通过大量的室内模拟试验，对卸荷状态下的软粘土的抗剪强度进行研究，得到了不同先期固结压力下卸荷土体的应力关系曲线，并与加荷状态的土体进行比较，得到了卸荷土体抗剪强度变化的一般规律;同时研究了卸荷土体的抗剪强度与卸荷比的关系、卸荷后滞留时间对卸荷土体抗剪强度的影响程度，发现卸荷土体的抗剪强度受卸荷比和卸荷后的滞留时间的影响很大。但是，对于黄土的卸荷强度和回弹变形的研究，在国内外进行的并不广泛，因此更有必要加强对其强度和回弹变形特性的研究，为黄土在卸荷作用下的强度和变形计算提供理论依据。本文将对黄土边坡卸荷后剪切强度和稳定性变化情况进行研究。

该研究内容是黄土地区高速公路建设中亟待解决的关键问题，因此具有很强的工程应用背景和工程实用价值，其研究成果不仅对公路工程具有很强的针对性和适用性，对其它类似工程也具有很强的参考价值。

1 室内模拟试验

黄土卸荷状态下的土体的抗剪强度的研究主要通过室内直剪试验模拟边坡开挖等工程的土体卸荷过程，卸荷土体剪切破坏的室内模拟试验路径和条件定为:预压—卸荷—快剪。通过测定土体卸荷前后的抗剪强度指标，研究黄土在卸荷应力路径下工程性状以及卸荷状态下土体抗剪强度的变化规律。

1.1 实验方案

1.1.1 实验内容

试验采用52个原状样，进行固结不排水快剪试验，并同时对进行常规的物理力学试验。

1.1.2 实验步骤

①取4个原状样，进行不固结快剪试验，测定原状土样的值;

②取16个原状样，每4个为一组分别施加50 KPa、100 KPa、200 KPa、300 KPa的先期轴向固结压力，固结稳定后，全部卸荷，卸荷后立即进行快剪，以得到土体在原始状态下的值;另取16个原状样，按上述方法进行固结，但在卸荷24 h后，相同先期固结压力下的每组试样分别进行快剪，测定值，获得不同先期固结压力下卸荷土体的抗剪强度值对比;

③取剩余的16个原状样施加200 KPa的轴向先期固结压力，固结稳定后，全部卸荷，分别在 48、72、120、168 h后，取其中的四个样进行快剪，测定值，获得卸荷土体在卸荷后不同滞留时间的抗剪强度的变化规律。

1.2 实验结果分析

(1)实验测得原状黄土的物理力学指标如表1。

(2)不同先期固结压力(50 KPa、100 KPa、200 KPa、300 KPa)下原状样快速卸荷后的土体抗剪强度变化规律，见图1和2:

表1 黄土的物理力学参数

图1 卸荷时间为0h时σ－τ关系曲线

图2 卸荷时间为24h时σ－τ关系曲线

通过图1和图2可以看出，不同先期固结压力(50 KPa、100 KPa、200 KPa、300 KPa)下的原状土体卸荷后的强度和先期固结压力的大小有着密切的关系，相同的卸荷滞留时间下随着先期固结压力的增大，土体卸荷后的抗剪强度也增大。

3)相同先期固结压力为200 KPa时卸荷后不同滞留时间的土体抗剪强度变化规律，见图3和表2和表3。

表2 先期固结压力为200KPa卸荷后不同滞留时间直剪试验结果统计表

表3 土样的抗剪强度指标

从表2、图3中可以看出，先期固结压力为200 KPa时，土体的抗剪强度是随着滞留时间的增加而减小的，但是这种减小的变化率也是逐渐减小的，在卸荷5～7天以后强度就不再明显降低，也就是说在这以后卸荷滞留时间对土样的抗剪强度的影响不大，这说明土体在卸荷过程中抗剪强度的损失主要集中在卸荷的初期。由表3可以看出在这一过程中，粘聚力C明显减小，而内摩擦角φ的变化不大，所以卸荷土体的强度减小主要是由于粘聚力C的减小造成的。

图3 不同滞留时间的σ－τ关系曲线

2 应用实例

本节以某公路边坡DK5+100处的黄土边坡为研究对象(图3－1)，通过野外实地勘察，该边坡上部为Q3黄土，厚约17 m，下部为Q2黄土，厚约40 m;通过室内试验，获得该边坡土体在不同滞留时间下的抗剪强度指标见表2－3。选用理正岩土系列软件程序的边坡稳定分析模块，采用瑞典条分法对该边坡在不同放坡比(放坡1:0.5和1:0.75)情况下、不同滞留时间下(边坡开挖后分别滞留 0、24、48、72、120、168小时后)卸荷边坡的稳定性进行模拟计算分析，结合室内物理指标及抗剪强度指标测试数据，计算结果见表4和表5，不同滞留时间卸荷边坡的稳定性对比见图5。

图4 断面K5+100及开挖图

表4 不同滞留时间卸荷边坡的稳定性变化对比

从表4、5，图5可以看出，卸荷后的边坡在考虑和不考虑卸荷两种情况下的稳定性差异明显，不考虑卸荷的稳定性系数明显高于考虑卸荷的稳定性，考虑卸荷的边坡在卸荷后5～7 d，就基本稳定，稳定性系上不再明显下降，此时边坡的稳定性系数比不考虑卸荷情况下的稳定性系数小0.2左右。

表5 不考虑卸荷的稳定性系数

图5 不同坡比卸荷稳定性与随卸荷时间关系曲线

3 结论与建议

3.1 结论

通过直剪试验，测定不同先期固结压力、不同含水率下卸荷土体的抗剪强度值，获得以下认识:

1)不同先期固结压力下的原状土体卸荷后在相同的卸荷滞留时间下随着先期固结压力的增大，卸荷后的抗剪强度也增大。

2)先期固结压力为200 KPa时，土体的抗剪强度是随着滞留时间的增加而减小的，但是这种减小的变化率也是逐渐减小的，在卸荷5～7 d后强度就不再明显降低，土体在卸荷过程中抗剪强度的损失主要集中在卸荷的初期。

3.2 建议

在黄土边坡开挖过程中应该考虑卸荷对边坡强度的影响，尤其是在黄土高边坡开挖是，由于挖方量大，卸荷后边坡的强度参数与自然边坡比会有明显变化，应予以充分的考虑和重视。

［1］Swanson S Retal，An Observation of Loading Path Independence of FractureRock［M］.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.1971，8(3):277～281.

［2］陈永福，曹名葆.上海地区软粘土的卸荷 －再加荷变形特性［J］.岩土工程学报.1990，12(2):9 －17.

［3］程相华.有效应力强度指标与总应力强度指标之间的换算关系［J］.重庆建筑大学学报.2001，(2).

［4］孟凡丽，樊良本，姚君.卸荷状态下软粘土抗剪强度的试验研究［J］.浙江工业大学学报.2003，(04).

［5］裴肖锋.黑河导流洞进出口边坡处理［J］.地下水.2011，(03).

［6］魏汝龙.正常压密粘土在开挖卸荷后的不排水抗剪强度［J］.水利水运科学研究.1984，6(4):39－43.

［7］李广信，武世锋.土的卸载体缩现象及其变形机理探讨［J］.岩土工程学报.2002，(1):47－50.

Variation Regulation of Strength in the Loess Slope Excavation

LIU Qiang，XIE Wan － li，WEN Du － wu
(State key laboratory for Continental Dynamics/Department of Geology，Northwest University，Xi’an710068，Shaanxi)

Direct shear tests under unloading conditions are based on 52 undisturbed soil samples indoor，determination of the shear strength values at different retention time of the unloading soil at different pre－consolidation pressure，the result show that the different pre－consolidation pressure under the status quo－soil unloading，the residence time of the same unloading the shear strength of the soil mass with pre－consolidation pressure increases with increasing soil shear;preconsolidation pressure 200KPaintensity decreases with increasing residence time in the intensity of the 5－7 days of unloading no longer decreased.Test results to study the stability analysis to the high slope of a highway.

Loess;excavation;to unload;strength and stability

TU432

A

1004－1184(2012)03－0208－03

2012－03－12

陕西省教育厅专项科研计划项目(09JK780);国家自然科学基金青年科学基金项目(40502028);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(开放基金:CHD2010JC142)

刘强(1988－)，男，陕西榆林人，在读硕士研究生，主攻方向:岩土工程、铁路路基工程。