含水率和附加荷載對北黑高速公路滑坡路段土體彈性模量影響研究

單 煒，張 維

（東北林業大學工程勘察設計院，哈爾濱 150040）

土體的彈性模量是土體的重要力學參數之一，當土體受力超過屈服強度，土坡就會失穩，土體彈性模量值直接影響邊坡穩定性計算分析結果的準確性［1，5］。一些學者的研究證明，土的彈性模量隨其影響因素變化而變化［6－12］，主要影響因素有含水率、密度、附加荷載，除此之外還有土的液塑限、固結程度、土體結構、土的礦物成分等。不同的地區不同種類的土的彈性模量隨影響因素變化規律是有區別的［6－8］，大小一般在10～200 MPa之間。國內外相關研究證明，加荷頻率、加荷時間、加荷次數對土的彈性模量影響較小或可忽略不計［2］，只要不是產生較大不可恢復的形變，土的彈性模量變化不大［3］。同濟大學凌建明等人研究分析了應力級位、含水率和壓實度對路基土回彈模量的影響，結果表明應力級位、含水率和壓實度對路基土回彈模量均有明顯影響［4］。楊光、田堪良研究了上海地區飽和軟粘土的彈性模量在不同荷載下的變化特點［5］。目前，對于滑坡土體彈性模量的研究成果還比較少。

本文通過室內全自動三軸儀重復加荷試驗，研究了含水率和附加荷載對北黑高速公路K178+530滑坡路段土體彈性模量的影響，建立了彈性模量與含水率、荷載的變化關系曲線，且比較了人工重塑土與原狀土試件所得到的彈性模量值的差異;根據所得結果對變化規律進行討論，為該滑坡運動機理研究提供了數值參考和依據。

1 試驗方案

1.1 試驗用土

試驗用土取自北黑高速公路K178+530滑坡路段，此滑坡2010年7月末開始發生滑動，至今一直處于不穩定狀態，取土位置如圖1所示，取土深度3.5m。為保證試驗所用所有試件具有相同的物理力學指標，所有試件均從同一鉆孔中取出。土的物理試驗參數見表1。

表1 土的物理試驗及換算指標Tab.1 Physical experiment and conversion indicators of soil

圖1 取土位置Fig.1 Position of earth－fetching

根據我國現行公路工程路基土分類標準，通過比重計法得到的顆粒分析曲線（如圖2所示），可確定該土為細粒粉質粘土（如圖3所示）。

圖2 土的顆粒分析曲線Fig.2 Particle analysis curve of soil

圖3 試驗用土照片Fig.3 Image of the soil used in the test

1.2 試驗儀器與試驗方法

根據我國現行《公路土工試驗規程》（JJGE40－2007），土體彈性模量試驗采用室內承載板法和強度儀法，在試驗過程中，沒有側向壓力，這與滑坡土體在天然狀態下受到的應力狀態不符。現場實測法（如貝克曼梁法）費力費時、操作繁瑣且受現場環境影響制約，結果誤差較大。所以重復加荷的室內三軸試驗測土的彈性模量仍是目前較好的方法［3］。本文試驗儀器為TSZ全制動三軸儀，試驗開始前將試件放入三軸儀的壓力室內進行加壓固結，固結壓力各向相等，其取值為現場條件下有效自重應力，計算公式σ=γH（式中γ為土體重度，H為土樣深度），固結穩定標準為最后1 h形變量不超過0.01 mm。按照極限平衡理論，估算土體抗破壞強度，根據抗破壞強度做加荷級選擇。試樣到達K0固結后在不排水的條件下施加軸向壓力σ，然后卸壓至零。這樣重復加荷和卸荷若干次，便可測得初始切線模量Ei，最后趨近于一個穩定值后，再加荷模量Er。一般5～6個循環就可確定Er的值，Er即為土的彈性模量。

2 含水率對彈性模量影響試驗

2.1 試件的制備與試驗過程

選取滑坡現場原狀土，經室內人工切割制成土樣試件。利用真空飽和機將成形試件達到飽和，用烘箱低溫控制調整土樣含水率，也可烘干后在壓力室內對試件注水控制含水率。試驗后對試件含水率進行測定，含水率誤差應小于1%;另將天然狀態土人工粉碎過0.5 mm篩，按不同含水率拌合后，按照規范要求，在規格相同的模具內分5～6層擊實制成與原狀土試件具有相同物理參數的試件。根據土樣的物理試驗指標，控制目標含水率分別為11%、14%、17%、22%、25%、28%，17.5%為試驗用土的塑限含水率，重塑土亦按此含水率配制。

試驗開始前，打開儀器孔隙水壓力閥和排水閥，對孔隙水壓力系統及壓力室底座充水排氣后，關孔隙水壓力閥和排水閥。壓力室底座依次放上透水石、濾紙、試樣和試樣帽。試樣周圍貼侵濕的濾紙條，套上橡皮套，將橡皮套下端與底座扎緊。排除試樣與橡皮套之間的氣泡，降低排水管使管內水面位于試樣以下，吸出多余的水，關閉排水閥。安裝壓力室罩充水至滿，排除壓力室內氣泡。開孔隙水閥，使孔隙水壓力值等于大氣壓強，關閥。將孔隙壓力調整至周圍，再打開孔隙壓閥門，使孔隙壓消散，待孔隙壓穩定以后，關閉閥門。估算土樣抗破壞強度為τ=200 KPa，因此取1/2τ=100 KPa為荷載級，重復加荷5次后再加荷破壞。

2.2 試驗數據分析

原狀土的試驗結果如圖4所示，重塑土的試驗結果如圖5所示。

圖4 不同含水率下原狀土應力－軸向形變關系圖Fig.4 Relationship between undisturbed soil stress and axial deformation under different water content

圖5 不同含水率下重塑土應力－軸向形變關系圖Fig.5 Relationship between remolded soil stress and axial deformation under different water content

從各個不同含水率試件的彈性模量的試驗過程曲線中可以看出，在相同的重復荷載作用下，所有試件的塑性變形相差不大，也就是各個試件的變形范圍穩定在1.5 mm以內，這是因為試件在試驗開始前，已經預壓達到K0固結，土樣中孔隙率相對穩定，在此荷載級下塑形變形的變化量趨于常數。對于同一種土來說，這種壓縮特性是固定的。從變化過程來看，前期的幾次加荷所產生的滯回曲線的滯回面積隨著含水率的增加而逐漸減小，試驗后期所有試件滯回曲線趨于密集，變化趨于穩定。其原因在于，含水率越大，土體孔隙中的水占據土體內孔隙體積越大，且試驗假設孔隙水是不能被壓縮的，導致土中孔隙被壓縮的體積變化量越小。重塑土這種變化過程更為明顯。

在不考慮土顆粒大小的情況下，土體濕密度的大小實質上取決于土體中孔隙所占體積，總體積不變，孔隙中水含量越大，濕密度越大，反之越小。因此土的密度對彈性模量的影響關系與含水率影響在本質上相同。各個含水率對應的彈性模量分別計算見表2。

表2 計算結果Tab.2 Calculation results

根據所得結果建立含水率與彈性模量的關系圖，如圖6所示。

圖6 含水率與彈性模量關系曲線Fig.6 Relationship between water content and modulus of elasticity

試驗結果和回歸的關系曲線可知，含水率對土的彈性模量有著十分顯著的影響。圖中彈性模量的最大值出現在塑限含水率附近，當含水率小于土的塑限含水率時，彈性模量隨含水率增加而變大，當土中含水率超過塑限含水率時，隨著含水率增加而減小，并且減小幅度加快，直至達到土的液限含水率 （土體達到液限狀態以后，物理力學性質復雜，本文未做研究），這種變化規律對滑坡的研究有著重要意義，為滑坡穩定性分析提供合理的數值依據。

重塑土與原狀土就實驗結果相比較，重塑土的實驗結果略小于原狀土，總體相差7%，這是因為重塑土經過人工擊實后較原狀土的密度分布相對均勻，土中孔隙分布較平均，但是兩種試件經過預壓固結后，密度、孔隙比基本一致，應力狀態從新分布，均到達此荷載下的穩定狀態，加之試驗時的重復荷載作用，因此最終結果相近。

3 附加荷載對彈性模量的影響試驗

本實驗目的是通過對具有相同物理參數的土樣施加不同的荷載級，求得不同荷載下土的彈性模量，找出其變化特點并分析原因。

試驗土樣具有相同的物理試驗指標，所有試件均為同一地區同一鉆孔內的原狀土樣，土樣物理參數見表1。如前文所述，試驗前根據土體抗破壞強度，計算試驗最大加荷級和最小加荷級，確定試驗加荷級為50 KPa、65 KPa、85 KPa、110 KPa、150 KPa五個等級。試驗過程與含水率試驗相似，試驗結果見表3，對應荷載級下的彈性模量如圖7所示;

表3 不同荷載下土的彈性模量測試結果Tab.3 Testing results of elastic modulus under different load

圖7 荷載與彈性模量變化關系曲線Fig.7 Relationship between load and elastic modulus

由此可以得到荷載X與彈性模量Y的關系如下:

式中:b為敏感系數，反應了彈性模量隨荷載變化的敏感程度，b值越大，彈性模量對壓力越敏感，變化越明顯，曲線越陡。

由關系曲線可以看出，彈性模量隨著荷載的增大而逐漸減小，荷載每增加30%，彈性模量減少原來的10%左右;變化幅度由土本身的物理性質決定的。實驗結果表明，土體在受到荷載作用下，孔隙體積被壓縮，荷載越大，被壓縮的體積就越大，從而可恢復的體積量就越小，彈性模量就越小。這也是土體作為彈塑性體的一個基本特性，當有荷載作用于滑坡土體上時，彈性模量就會隨之改變，滑坡體內部應力狀況重新分部，滑坡的穩定性也會隨之改變。

4 結論

本文針對北黑高速公路K178+530路段滑坡土體，通過室內全自動三軸儀重復加荷試驗研究含水率和荷載對該滑坡土體彈性模量的影響，得到如下結論:

（1）含水率對土體的彈性模量影響十分顯著，彈性模量的最大值出現在塑限含水率附近，當含水率小于土的塑限含水率時，彈性模量隨含水率增加而變大，當土中含水率超過塑限含水率時，隨著含水率增加而減小，并且減小幅度加快，直至達到土的液限含水率，其最大值與最小值相差3倍。

（2）附加荷載大小對彈性模量的變化影響較大，彈性模量隨著荷載的增大而逐漸減小;在實踐中計算滑坡體內部的應力分布狀況時，應按土層不同深度選擇彈性模量的取值。

（3）通過含水率試驗證明:重塑土與原狀土彈性模量擬合曲線接近，總體相差約7%，但土體在加荷過程中內部的受力狀態不同，用重塑土代替原狀土來研究滑坡不合適。

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