庫岸邊坡巖土體干濕循環強度劣化研究

梁付云

（山東省蘭陵縣水利局，山東 蘭陵 277700）

0 引言

庫岸邊坡巖土體特性對庫岸邊坡具有較大的影響作用。魯巍巍等、曹偉等[1～2]從庫岸邊坡巖土體滲透特性出發，采用數值模擬的方法研究庫水位下降過程中邊坡浸潤線位置的變化和邊坡安全系數的變化，結果表明邊坡飽和滲透系數對浸潤線和邊坡穩定性影響較大。劉磊等[3]對降雨引起庫水位變動情況下岸坡穩定性問題進行研究，提出了降雨工況下岸坡穩定性的評價方法以及岸坡巖土體參數的獲取方法。楊金林等[4]以實際工程為例使用數值模擬的方法對庫水位變化情況下岸坡穩定性變化進行研究，認為水位變化引起巖土體參數變化是造成邊坡穩定性產生改變的主要原因。何金龍等[5]、鄧華鋒等[6]分別使用室內物理模型試驗和力學機制解釋的的方法，研究庫水位變動過程中邊坡穩定性的變化情況，以及巖土體強度變化與庫水浸泡時間之間的關系，結果表明巖土體抗剪強度隨著庫水浸泡時間先減小后增大。庫水位不是一個固定值，是隨著季節、降水等條件改變的一個動態值。因此，庫岸邊坡巖土體將經歷多次干燥—濕潤—干燥—濕潤等循環作用。室內干濕循環試驗是目前常用的一種對巖土體干濕循環作用下強度變化特征進行分析研究方法。黃英等[7]使用干濕循環試驗對云南紅土的土水特征進行研究；楊文青等[8]使用干濕循環試驗對改良紅黏土力學特性進行研究；葉萬軍等[9]對干濕循環過程中黃土中水分運移特征進行研究；張雁等[10]使用干濕循環試驗研究煤矸石對膨脹土穩定性的影響特征。庫水位的變動會引起邊坡巖土體不斷進行干濕循環，引起巖體強度發生變化，因此，在前人研究基礎上，進行室內干濕循環實驗，對巖土體干濕循環強度劣化特征進行研究，為邊坡穩定性評價提供強度參數。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料和設備

實驗材料通過人工獲取，在現場取得岸坡的原狀樣。采用目前較為先進的恒溫恒濕箱保證良好的實驗環境，模擬實際工況，獲取較為可靠的實驗結果。

1.2 實驗步驟

實驗所用設備為恒溫恒濕實驗箱。模擬研究庫岸邊坡所在地的環境氣候條件。對試樣分別進行1、2、4、6、8次干濕循環實驗。具體實驗操作步驟如下：

因為山東省臨沂市夏季降水較多，庫水位變化頻繁，將實驗樣品放入實驗箱，模擬當地夏季氣候。設置溫度為：25℃，濕度為75%的實驗箱環境對現場取得的樣品進行干燥處理。當達到實驗樣品的縮限時，可停止干燥。對樣品進行抽氣飽水，再次進行干燥，當含水率變為20%時，即完成1次干濕循環。

將未進行處理的樣品（原狀樣）、進行干濕循環的樣品。進行三軸實驗，選用4種圍壓，分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa。在不同的圍壓下進行固結，并保持圍壓不變的情況下進行剪切實驗，實驗過程中剪切速率控制為0.015 mm/min，設置軸向應變速率為0.012%/min，軸向應變超過20%時，可停止加載。

2 干濕循環作用下力學特性研究

2.1 應力—應變關系

不同圍壓下，最大主應力和最小主應力之差（偏應力）和軸向應變的關系見圖1。原始試樣的應力應變關系曲線變化與進行干濕循環試驗的結果相比較為穩定，呈現出較弱的應變軟化現象。剪應力與應變的關系為：應變初期，剪應力急劇增大，隨著應變的增加剪應力逐漸趨于穩定。干濕循環應力—應變關系曲線呈現出明顯的應變軟化現象，圍壓越小，應變軟化現象越明顯，軟化程度高。隨著干濕循環次數增加，造成實驗樣品抗破壞能力降低。

對多種實驗環境下（原狀樣實驗和干濕循環實驗）樣品的應力—應變關系曲線進行分析對比。干濕循環作用下，試樣應變軟化現象較為明顯。在圍壓相同的情況下，隨著循環次數增加，干濕循環作用下試樣的破壞強度降低較大，力學特性急劇劣化。通過對實驗數據的擬合分析獲取巖土體偏應力與循環次數的關系曲線見圖2；關系式為：y=-38.91ln(x)+266.33，其中x為循環系數，y為偏應力。

圖1 不同循環次數下試樣的偏應力與軸向應變之間的關系曲線

圖2 不同干濕循環次數下試樣的偏應力與循環次數關系曲線（σ=50 kPa）

2.2 抗剪強度

抗剪強度是巖土體的一個重要力學特性，其大小對巖土體穩定性具有重要的影響作用。試驗樣品原始C值為64.5 kPa，φ值為24.5°。使用摩爾—庫倫準則，對干濕循環條件下試樣的實驗結果進行分析。獲取粘聚力和內摩擦角在進行干濕循環后的變化特征。通過應力—應變曲線可以看出，樣品強度參數（C，φ值）在完成第一次干濕循環實驗后產生最大幅度的降低。進行8次干濕循環后C值降低約42.5%，φ值增大約6.7%（與天然狀態數據對比）。在循環實驗環境下，樣品強度參數將趨于一個穩定值?？梢园l現：干濕循環4次后巖土體強度變化趨于穩定。常丹，Yu等[11-12]認為巖土體的內聚力（C值）由巖土顆粒之間的膠結程度決定，內摩擦角（φ值）由巖土顆粒之間的粗糙程度決定。干濕循環作用下，在水的物理化學作用下，降低了巖土體顆粒之間的膠結強度，這就導致了在實驗過程中巖土體的內聚力（C值）逐漸減小。然而，隨著干濕循環試驗的進行，巖土體顆粒之間的孔隙逐漸減小，這在一定程度上增加了顆粒之間的摩擦強度，因此，在試驗過程中，巖土體的內摩擦角（φ值）呈現相對增大的趨勢。通過擬合分析獲取不同工況下內聚力和內摩擦角與循環次數的關系曲線，見圖3。內摩擦角與干濕循環次數的關系為：y=0.3475ln(x)+25.482。內聚力與干濕循環次數的關系曲線為：y=-9.105ln(x)+55.137。

圖3 C，φ值與干濕循環次數關系曲線

3 結論

（1）未進行干濕循環試驗的樣品應力—應變為穩定性或輕微應變軟化型。樣品經過干濕循環作用后，應力應變曲線呈現出較為明顯的應變軟化特征。應變軟化現象隨著干濕循環次數的增加越來越明顯。

（2）隨著巖體干濕循環試驗次數的增加，巖樣的內聚力（C值）產生明顯的下降，內聚力與循環次數關系如下：y=-9.105ln(x)+55.137；內摩擦角（φ值）出現小幅度的提升，內摩擦角與循環次數關系如下：y=0.3475ln(x)+25.482。隨著干濕循環次數的增加，巖土體強度變化速率逐漸減慢。通過室內干濕循環試驗，4次干濕循環試驗后強度變化達到穩定；8次干濕循環試驗后C值降低約42.5%，φ值增大約6.7%（與天然狀態數據對比）。