强膨胀土边坡干湿循环条件下改良土力学特征试验研究

2023-01-18龙兰

西部交通科技 2022年11期

龙兰

(广西桂商实业投资有限公司，广西南宁 530011)

0 引言

边坡稳定性是公路、水利及桥梁等工程重点关注问题，但有较多因素影响着边坡安全稳定性，如自然因素，包括降雨条件、蒸发条件等[1-3]；如地质条件，包括边坡土层特性、地质构造及渗流条件等[4]。以上多种因素中以膨胀土边坡为极易滑坡的前兆，探讨膨胀土边坡对推动工程建设安全性具有重要作用。眭敏磊、许容等[5-6]采用FLAC 3D、ANSYS等仿真平台建立了边坡数值模型，探讨边坡安全稳定系数随不同地质条件影响的变化，丰富了边坡工程的研究成果，推动了边坡治理技术方案形成。靳福杰、程世涛、饶鸿等[7-9]通过对膨胀土边坡开展渗流离散元计算，获得了膨胀土边坡内裂隙渗流演变特征，探讨了膨胀土边坡失稳内在机理。胡旭辉、孟伟超、吕建航等[10-12]借助室内试验研究方法，探讨了冻融循环、干湿效应等物理损伤作用下膨胀土体的力学特征变化，为膨胀土边坡治理提供了基础试验依据。宁昕扬、荣智等[13-14]通过分析膨胀土边坡危害，研究了生态护坡、沟渠排水及物化改良土体等方法，提高了边坡治理的技术水平。本文针对百色高速公路强膨胀土边坡工程的实际特点，提出采用改性剂物理改良方法提高土体力学稳定，并基于室内试验手段探讨了改良土力学特征及渗透特性，为膨胀土边坡治理提供了参考。

1 试验概况1.1 工程背景

在广西百色“横5”高速公路乐业修筑路段内，项目公司发现存在典型膨胀土边坡，其安全稳定性发展趋势极大地影响了工程建设进度。根据调查发现，最大的膨胀土边坡轴线长度达33 m，膨胀率最高的强膨胀土高边坡位于K02+105处，其走向与公路垂直。工程管理部门讨论以该强膨胀土边坡为典型对象，开展土体物化改良，解决边坡沉降变形大、易发生滑移的本质问题。根据对该强膨胀土边坡进行调查得知，其土层以杂填土、粉质黏土、粉砂岩及黏土等组成，实测土体膨胀率达85%～90%。同时，为确保工程建设安全，在边坡土层内安装位移测量装置，包括测斜管、裂缝监测传感器等装置，其中测斜管所在位置距离潜在滑移裂缝面间距为3.8 m，边坡土层钻孔及位移测量仪安装如图1所示。根据对K02+105处膨胀土边坡进行支护设计，其中部设置有宽度为6 m的平台，边坡顶高度为12 m，由于高速公路在建设初期遭遇降雨等不利自然因素，导致该边坡顶部出现局部的弧形裂缝带，最宽处为10 cm，延伸段长度约为8 m，深层土体出露，导致局部沉降达8 cm；而坡脚受沉降荷载影响，沿基岩土层分界面发生滑移，裂缝带的进一步发展势必导致坡内土体出现渗流通道，耦合危险面后极易发生滑动。为减弱裂缝带对边坡安全稳定性的影响，采用预应力锚杆加固坡内土体，设计张拉荷载为480 kN，每根锚杆长度为2.5 m，配置有钢混结构预应力横、纵梁，交错分布，横、纵梁布设间距分别为0.35 m、0.5 m，设计最大弯矩为379.58 kN·m，细部配筋为6φ18 mm钢筋。其初支设计如图2所示。

为从根本上解决膨胀性土体大变形、高渗透的问题，考虑采用物化改良法，通过注浆贯入改良剂，使整体边坡土体改性，提升安全稳定性。现场原位试验测试表明，该边坡土体中以黏土为典型膨胀土，渗透系数可达3×10-4cm/s，特别是受边坡内裂缝带径流效应影响，导致土体处于饱和湿润状态，软化效应较高；钻孔取样所测量的试样体积膨胀变形程度最大可至30%，其内部颗粒骨架的结构层极易失稳。为此，针对K02+105段边坡高膨胀土体特征，采用室内物理改良方法进行先期试验，并加以干湿循环模拟，探讨膨胀黏土体在干湿循环条件下的三轴力学特征及渗透特性。

图1 边坡土层钻孔及位移测量仪布置图

图2 边坡支护设计示意图

1.2 试验介绍

为确保改性土力学试验结果的可靠性，本文采用SDS-200三轴剪切试验设备开展力学试验，该装置包括剪切荷载系统、试验控制及数据采集处理等模块，根据试验要求，可完成多类型多尺寸土样的剪切试验。数据采集装置包括有轴向、环向变形传感器，量程分别为-25～25 mm、-20～20 mm，试验采用剪切变形控制加载方式，速率为0.06 mm/min，试验设备剪切荷载最大量程可达5 000 kPa，而围压加载装置最大可达1 000 kPa，加载波幅≤1‰，试验采集装置精度误差≤1%。本试验中所有试样均取自K02+105处边坡工程现场，在室内重塑后，按照工程土体实际含水量20%～25%进行制样。所制试样含黏质成分与实际土样相吻合，所有试样直径、高度分别为50 mm、100 mm。制样过程中根据改性剂掺量的比选原则，按照占试样总质量百分比，设定改良剂掺量分别为2%、4%、6%、8%、10%、12%，所使用的改良剂主要成分为木质素磺酸钙。三轴剪切试验中围压组分别设定为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

干湿循环模拟试验采用烘干箱与饱和仪装置完成，每次循环均需完成8 h的烘干和8 h的饱和过程，且干湿循环试验在土样三轴力学剪切前完成，本试验中设定有0～4依次递增的循环方案。各试验组具体试验参数如表1所示。

表1 试验方案具体参数表

改性土不仅需要研究其力学特征，也需要探讨其渗透特性，因而采用变水头渗透试验装置完成渗透试验[15]，以水头管计量数据计算渗透参数。渗透试验所使用的土样需确保与三轴剪切试验组中试样一致。基于三轴剪切与渗流试验，探讨改性土力学特征影响变化及渗透演变，为膨胀土边坡改良处理提供依据。

2 改良土力学特征

2.1 改良效果分析

基于改良土三轴剪切力学试验，获得不同围压下试样剪切应力应变特征，如下页图3所示。从图3可看出，不论是改良土抑或是原状土，围压愈大，试样整体剪切应力水平愈大。在改良土试样组中，围压为100 kPa时试样最大剪切应力为2 879.38 kPa，而围压为200 kPa、400 kPa时，试样的抗剪强度较前者分别增大了14.9%、43.9%，即围压增大，可提升试样抗剪切能力，围压每增大100 kPa，改良土的抗剪应力平均可增大11.6%。与此同时，在原状土试样组中，其抗剪强度随围压每增大100 kPa，平均增幅为18.5%。分析表明，改良土试样剪切承载能力受围压影响敏感度不及原状土。围压增大，本质上是对土样内部孔隙扩张的一种限制，当试样内部自身裂隙存在较少，围压的提升并不能产生更为显著的抗剪切效应，即改良土试样内部颗粒骨架结构完整性、紧凑性均高于原状土试样[16]。当对比原状土与改良土剪切能力时，也可以印证上述结论，在相同围压即300 kPa内时，原状土试样的抗剪强度为2 207.19 kPa，而同一围压下的改良土抗剪强度较之增大了67.5%，此种对比在围压100 kPa、200 kPa、400 kPa时均是如此，两者土样的抗剪强度差幅分别达78%、72.1%、57.1%。这表明掺改性剂的物理改良后土体抗剪切能力高于原状土，符合膨胀土边坡改良的根本目的。

对比改良土与原状土试样的剪切变形能力可知，改良土试样的剪切应力达到峰值后迅速下降，脆性变形特征显著，在围压200 kPa时峰值剪切应力后具有38.8%的降幅。原状土变形能力延展性较高，且变形量值亦较大，在围压100 kPa时峰值应变为8.4%，而改良土试样仅为7%；在围压300 kPa时改良土最大应变为12.6%，而原状土在峰值应力后应变增长了11.4%，结束时最大应变达20.6%。分析变形特征，可知原状膨胀土变形能力较大，破坏后变形延展性较强；而改良土变形能力弱于前者，不易产生大延伸性裂纹变形现象。

(a)原状土

(b)改良土

2.2 干湿循环的影响

根据对干湿循环下土体剪切试验结果的分析，获得干湿作用影响下的土体剪切力学特征，如图4所示。分析图4中剪切应力应变曲线可知，干湿作用与土体剪切能力具有负相关关系，当干湿作用次数愈多，试样剪切应力水平愈低。在围压为100 kPa且无干湿作用时抗剪强度为1 769.74 kPa，而干湿作用为1次、2次、3次时试样抗剪强度较前者分别减少了9.9%、22%、35.1%。总体上看，干湿作用每增加1次，试样抗剪强度平均损失12.3%。分析认为，干湿作用影响下土体内部会出现反复性次生裂纹，造成试样内部颗粒骨架出现松散性特征，不利于试样抗剪特性发展[17-18]。当围压增大至400 kPa后，每增加1次干湿循环，则可导致试样抗剪强度损耗5.5%，即围压增大，干湿作用影响效应减弱。从围压限制裂纹发展角度考虑，干湿作用的本质是促进裂纹发展，但围压作用与之相反，故而围压增大，可限制干湿损伤效应。

从剪切变形影响特征来看，不同干湿作用次数下试样在剪切屈服应力前基本保持一致，应力应变曲线相吻合，但在接近峰值剪切应力后，干湿作用次数愈多的试样变形发展愈大，延展性更强，具有更高的延性变形能力，此种现象在围压为400 kPa时亦是如此。分析表明，干湿作用对土体剪切变形的影响集中在屈服剪切应力及剪切破坏阶段内，而对土体弹性压密变形段的影响较弱。

(a)围压100 kPa

(b)围压400 kPa

2.3 改良剂掺量的影响

不同掺量改良剂试样的剪切应力变形发展具有差异性，如图5所示为不同掺量改良土试样剪切应力应变特征。观察改良剂掺量对改良土剪切应力的影响可知，在改良剂掺量增大的过程，试样抗剪强度为先增后减的趋势，在无干湿作用试验组中，掺量为2%试样的抗剪强度为1 406 kPa，掺量为6%试样的抗剪强度最高，较前者增大了66.3%，而掺量为8%、12%的试样抗剪强度较6%掺量下的试样抗剪强度分别减少了14.6%、31.5%。从改良剂掺量对抗剪强度的影响可知，存在合理掺量区间，当掺量超过该区间后，则抗剪应力水平为下降，本试验结果表明掺量6%为最优。当改良剂处于合理掺量值时，土体试样内部孔隙与改性剂掺量相匹配，两者的填充、压实效果达到最佳，而改性剂掺量的改变，会导致试样内部孔隙填充是否饱和或欠缺。当改性剂过多，孔隙无法完全“消化”，进而导致试样内部出现以木质素磺酸钙为主的薄弱面；而改性剂过少，土体改良效果欠佳，反映在膨胀土边坡上则是仍然存在较大膨胀变形的发展趋势[19]。从掺量影响结果来看，干湿作用0次、4次试验组中均在2%～6%掺量区间内抗剪强度递增，掺量每增大2%，抗剪强度分别平均可增长28.9%、19.9%，而在6%～12%的掺量区间内，抗剪强度分别平均损耗13.8%、7.6%。在干湿作用下，改性剂合理掺量值并未改变，即干湿物理损伤效应不影响本试验中的合理掺量。

(b)干湿4次

3 改良土渗透特性

根据对变水头试验中各组试样渗透数据进行分析处理，获得干湿作用、改性剂掺量影响下土体渗透系数变化特征，如图6所示。

依据图6可知，各掺量改性剂试样组中以掺量6%试样渗透系数最低，在该掺量前、后区间内分别具有渗透递减与递增状态。当无干湿作用时，在掺量2%～6%与6%～12%的区间内，随掺量每增长2%，渗透系数分别具有平均82.6%降幅与平均3.78倍增幅；而干湿作用次数增多后，如干湿作用为1次、3次、4次时，渗透系数在掺量抑制渗透区间内的平均降幅分别为86.9%、88.5%、87.7%，而在促进区间内的平均增幅分别为3.85倍、4.62倍、3.08倍。由此可知，干湿效应循环愈多，试样合理掺量区间不受影响，但在其他掺量区间内渗透特性发展受影响。当处于同一改性剂掺量时，干湿作用次数愈多，则渗透效应愈强，渗透系数增大。以掺量8%为例，其在无干湿作用下渗透系数为1.44×10-7cm/s，而每增加1次干湿作用，则渗透系数平均可递增6.77倍，即试样渗透特性在多轮干湿作用下得到增强。从膨胀土边坡安全性考虑，改性剂选择合理掺量，有助于限制土体渗透发展，对边坡防渗具有促进效果；与此同时，避免边坡土体受循环干湿作用，减弱干湿效应对土体渗透的促进效果，有助于膨胀土边坡改良后安全稳定。

当围压增大至400 kPa时，干湿作用、改性剂掺量对渗透特性影响基本保持一致，但围压增大，渗透系数整体水平减小。围压为400 kPa且干湿1次时掺量6%试样渗透系数为3.03×10-10cm/s，较之围压为100 kPa时的试样渗透系数减少了99.8%，表明围压作用可约束试样渗透通道形成，限制渗透系数发展。