干湿循环对粉质粘土路堤边坡稳定性影响分析

2015-04-26邓志永

湖南交通科技 2015年1期

邓志永

(湖南省衡洲建设有限公司，湖南衡阳 421001)

湖南地区湿热多雨，且多为丘陵地貌，在高速公路建设过程中，不可避免地要经过池塘、水田、湖区等地势低洼地段，这些地段填筑的高填路堤，由于地下水位较高，季节交替及降雨作用下地下水位变动较为明显，其路堤边坡受干湿循环影响明显。在工程建设中，人们越来越认识到干湿循环对路堤边坡的不良影响，展开了一系列的研究工作。曹玲［1］研究了干湿循环条件下滑坡滑带土强度特性及其变形特性，揭示了千将坪滑坡失稳机制。韦杰［2］研究得出降雨－蒸发的干湿循环促使膨胀土滑坡内部土体的孔压、含水量的变化，从而形成裂隙，减小强度，降低边坡的安全度。郑澄锋［3］数值模拟表明，每次干湿循环后膨胀土边坡均积累了顺坡向的沉降和水平向位移，揭示了干湿循环下膨胀土边坡破坏的浅层性和渐进性。崔溦［4］通过膨胀土的室内干湿循环模拟试验，得出干湿循环性状在膨胀土边坡的稳定性分析中占有重要地位。

1 干湿循环下路堤边坡失稳机理

边坡失稳是指坡体某一范围内土体沿某一滑移面向下或向外滑动而最终导致边坡丧失稳定性。若边坡土体的下滑力大于其抗滑力，边坡会产生滑动失去稳定。分析以往的边坡失稳事故可知，一般情况下土质均匀的土质边坡其破裂滑动面呈圆弧状，边坡土体的下滑力导致坡体中生成剪应力，坡体的抗滑力实质由边坡土体的抗剪强度体现，边坡的失稳是由剪力破坏引发。库仑定理认为，粉质粘土的抗剪强度大小主要取决于其粘聚力和内摩擦角。

干湿循环包括干燥－湿润和湿润－干燥两个过程。路堤土体中的水分不是一成不变的，地下水位的上升、雨水沿着裂缝的渗入等导致含水率的增加，路堤边坡土体进入干燥－湿润过程。土颗粒之间的孔隙水圧变大，将生成大小不一的膨胀力。在干燥－湿润过程中含水量持续增大，当孔隙水压增长到临界阈值时，膨胀力将破坏土颗粒间的连接且不可逆转，导致土颗粒变得愈发分散，土体的孔隙比慢慢增大。宏观上土体结构上变得松散，微观上土体内部逐步形成大量的集聚体间孔。地下水位的季节性降低，气温回升带来的蒸发作用等导致含水率降低，路堤土体进入湿润－干燥过程。土颗粒体积伴随含水率的降低而减小，基质吸力逐步增加，干燥－湿润过程中被分散的部分微颗粒重新集聚成团，一定数量的集聚体间孔逐步向集聚体内孔转化。部分不可逆的转化导致土体微颗粒只能少部分重新聚集，土体微颗粒在湿润－干燥过程中的不均匀收缩，部分土颗粒逐渐团聚，土体内部结构被破坏，最终引起土体内摩擦角逐渐衰减。在多次反复干湿循环过程中，路堤内部含水量反复波动，土体内部细微结构由于干湿循环过程中复杂多变的物理化学反应遭到破坏，土体微颗粒之间的距离逐渐变大，孔隙比也随之增大，直接导致粘聚力和内摩擦角的衰减，降低土体的抗剪强度，从而给路堤边坡的稳定带来不利影响，影响路堤边坡的稳定［5－12］。

2 干湿循环下粉质粘土强度参数试验

选取湖南湘西某高速公路料场的粉质粘土进行室内试验研究，粉质粘土基本土样指标如表1 所示。

表1 粉质粘土基本土性指标

2.1 粉质粘土抗剪强度试验方案

2.1.1 环刀试件制备

将湘西某高速的粉质粘土按照最佳含水率(16.76%)配成实验土样，并对其进行闷料24 h，使得水分均匀分布。并选用61.8 mm，厚度为20 mm的标准尺寸的环刀，将已闷料好的土分层击实至环刀内，控制环刀内土体的质量以保证土体的压实度为96%。

2.1.2 干湿循环过程模拟

将制备好的环刀试样洒水增湿8%左右，使得试样增湿到26%(粉质粘土1 a 中最大含水率)，密封养护24 h 使得试样内外水分均匀分布，以此模拟干湿循环过程中的湿润状态;将增湿的试样烘干减湿8%，使得试样含水率降低至18%(粉质粘土1 a中最小含水率)，密封养护24 h 使得试样内外水分均匀分布，以此模拟干湿循环过程的干燥状态，通过一次这样的增湿－脱湿模拟了粉质粘土试样的一次干湿循环过程。通过重复不同次数的增湿－脱湿过程可模拟不同次数的干湿循环。如图1。

图1 各组干湿循环粉质粘土试件

2.1.3 直剪试验步骤

1)对准剪切容器上下盒，插入固定销，在下盒内安置滤纸和透水板，将制备好的环刀试样刃口向上，使其对准剪切盒口，在试样上放置硬塑料薄膜以及透水板，细心的推试样入剪切盒内。

2)开启传动装置，调整上盒的前端钢珠使其与测力计刚好接触，依次安放传压板、加压框架，安装百分表量测水平位移，并调零或测定初始读数。

3)根据工程实际对试样施加100，200，300，400 kPa 等4 级荷载。

4)施以垂直压力，拔掉固定销，以0.8 mm/min的速度开始剪切，试样每产生剪切位移0.2 ～0.4 mm 测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，应继续剪切至位移为4 mm 时停机，记下破坏值。当剪切过程中测力计百分表无峰值时，至剪切位移达6 mm 时停止。

2.2 粉质粘土抗剪强度试验结果分析

通过快剪试验测定的应力－应变曲线，得到不同荷载(100、200、300、400 kPa)下粉质粘土的抗剪强度，根据库仑定理对其拟合，得到该土样的抗剪强度参数如表2。

表2 干湿循环下粉质粘土强度参数表

绘出粘聚力和内摩擦角随干湿循环次数的变化曲线如图2、图3 所示。

图2 干湿循环下粉质粘土粘聚力曲线

图3 干湿循环下粉质粘土内摩擦角曲线

由图2、图3 可直观看出，在粉质粘土的干湿循环强度参数变化曲线中，粘聚力和内摩擦角逐渐减小，并在经历前3 次的干湿循环后逐渐趋于平缓稳定。粘聚力受前4 次干湿循环的影响较大，变化较快，后面6、8、10 次干湿循环逐渐趋于定值18 kPa。内摩擦角也随着干湿循环次数的增多而呈现减小的趋势，前3 次干湿循环对内摩擦角的影响较大，后几次干湿循环下内摩擦角趋于稳定，基本保持在15°左右。可取后面4 次干湿循环作用下的粘聚力和内摩擦角的平均值作为干湿循环后的强度参数稳定值，粘聚力和内摩擦角的修正值可分别取17.84 kPa和15.02°。

3 粉质粘土路堤边坡稳定性分析

随着高速公路建设的日益增多，路堤边坡的稳定性问题愈发受到重视，发展了各种各样的边坡稳定理论和计算方法。路堤边坡稳定的定量分析主要是根据边坡的土体力学性能，考虑各种荷载的作用，判断其可能的破坏方式，选择合适的参数对边坡进行计算。路堤边坡稳定系数定量计算大体可分为极限平衡法和数值分析法两大类。极限平衡法建立在极限平衡理论的基础上，没有考虑边坡土体内部的应力～应变关系，计算所得到的稳定系数，仅仅是假定的滑动面上的平均稳定系数，不能求算滑动体内部或滑动面上的实际内力。数值分析法以有限元理论为基础，可以克服极限平衡法的缺点，兼顾考虑土体的非线性实际应力～应变关系，较为精确的分析路堤边坡失稳的发生和形成过程。采用ABAQUS软件对土路堤边坡进行稳定性数值模拟，更精确的对路堤边坡稳定性评估计算。

3.1 路堤边坡概况

该边坡位于湖南湘西某高速公路，路堤边坡结构如图4 所示。该处路段路线走向穿过农田，距离坡脚0.4 m 处左侧有水沟，填土较高，路堤存在有向一处滑坍的危险，且坡脚处容易积水，排水困难，受干湿循环影响明显。路堤填料以粉质粘土为主，路基填土高度为10.4 m。

图4 粉质粘土路堤边坡结构图

3.2 计算结果分析

平坦地基上粉质粘土路堤边坡有限元计算中应变云图如图5 所示。

图5 塑性应变云图

0、1、2、3、4、6、8、10 次干湿循环下路堤边坡的稳定系数如表3 所示，绘出稳定系数随干湿循环次数的变化曲线如图6 所示。

表3 粉质粘土路堤边坡稳定系数

图6 粉质粘土路堤边坡稳定系数曲线

结合图6、表3 分析可知，该处路堤边坡的稳定性随干湿循环次数的增多而减小。在干湿循环作用下粉质粘土边坡的稳定性系数由1.865 降低到1.501，降低幅度为20%。稳定系数曲线在前4 次干湿循环作用时下降较快，后6、8、10 次干湿循环稳定曲线较为平缓，稳定性系数劣化幅度较小，可基本认为经历10 次干湿循环后粉质粘土达到一种新的平衡状态。可以第10 次干湿循环后的边坡稳定性系数作为设计施工的依据。