皖江地區(qū)灰白色裂紋黏土邊坡裂隙發(fā)展研究

許 魁， 王滬生

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來(lái)，皖江地區(qū)高速公路建設(shè)和營(yíng)運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的路塹邊坡滑塌，尤其是受持續(xù)強(qiáng)降雨的影響，甚至部分支擋工程出現(xiàn)剪切變形破壞現(xiàn)象，不僅增加了建設(shè)費(fèi)用和養(yǎng)護(hù)成本，同時(shí)也帶來(lái)了極大的安全隱患。

調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，破壞的邊坡中廣泛發(fā)育一種灰白色、裂紋較發(fā)育的黏土。該類(lèi)黏土礦物成分中，伊利石含量為40%～49%，高嶺石含量為4%～12%，自由膨脹率為42.5%，具有弱膨脹性。邊坡黏土初期呈堅(jiān)硬狀態(tài)，但裂隙發(fā)育。遇水作用時(shí)，土體強(qiáng)度折損顯著，邊坡出現(xiàn)不同程度變形破壞現(xiàn)象。由于裂隙的存在大幅度減小了土體強(qiáng)度，降低了邊坡穩(wěn)定性，是邊坡失穩(wěn)破壞的主要原因，為了加強(qiáng)研究對(duì)象認(rèn)識(shí)，研究人員將皖江區(qū)域特有特性的該類(lèi)土命名為裂紋黏土。

由于對(duì)裂紋黏土力學(xué)、水理、膨脹等工程特性缺乏深入認(rèn)識(shí)，邊坡破壞機(jī)制和破壞模式分析不明，常常按弱膨脹土進(jìn)行處理，未能引起足夠重視，導(dǎo)致工程建設(shè)變更較多，成本加大。本文在易順明、劉華強(qiáng)、徐彬、馬佳、唐朝生等人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)干濕循環(huán)裂隙演化試驗(yàn)，對(duì)裂紋黏土的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，借此為皖江地區(qū)公路路塹邊坡治理提供參考。

1 干濕循環(huán)裂隙演化試驗(yàn)

皖江某高速公路邊坡高9.5 m，邊坡剛施工開(kāi)挖至坡頂以下3 m時(shí)揭露灰白色裂紋黏土層，3個(gè)月后，坡面產(chǎn)生張拉裂縫，裂縫長(zhǎng)度約5 m，深度為15～35 cm，現(xiàn)場(chǎng)隨即停止繼續(xù)向下開(kāi)挖，并對(duì)邊坡坡腳采用擋墻加固處理。在施工擋墻基礎(chǔ)過(guò)程中，邊坡發(fā)生整體垮塌，局部邊坡滑塌深度3～4 m，滑坡長(zhǎng)度約150 m。

1.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)取上述邊坡裂紋土，在風(fēng)干條件下進(jìn)行，設(shè)置了5次干濕循環(huán)，采用圖像矢量化及IPP專(zhuān)業(yè)圖像處理技術(shù)，得到試樣面積S、裂隙面積率I、裂隙條數(shù)N、裂隙總長(zhǎng)度L等度量參數(shù)，分析裂隙的演化程度。

本次試驗(yàn)共得圖片1 256張，選取代表性圖片100張進(jìn)行處理，如圖1所示，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 試件干濕循環(huán)裂隙演化過(guò)程

表1 收縮縫產(chǎn)生階段所得參數(shù)

1.2 試驗(yàn)分析

1.2.1 體縮階段

在第一次脫濕過(guò)程中，由上表可見(jiàn)含水率不斷降低，試樣出現(xiàn)了體縮現(xiàn)象，但未有裂隙產(chǎn)生，選取試樣整體為研究對(duì)象，測(cè)量其在過(guò)程中面積隨時(shí)間、含水率的變化。拍攝、稱(chēng)重時(shí)間間隔分別20 min、1 h，第一次脫濕過(guò)程歷時(shí)96 h，以2 h間隔取對(duì)應(yīng)的試樣面積S及試樣質(zhì)量m。濕度、溫度基本保持，水分蒸發(fā)，試樣產(chǎn)生收縮，試樣面積S隨時(shí)間變化而逐漸減小。前20 h，土體表面水分蒸發(fā)較快，試樣面積陡降。隨含水量減小，土體基質(zhì)吸力增大，使存在于土體表面及內(nèi)部的微孔隙閉合，試樣水分蒸發(fā)路徑受阻，因此，后80 h內(nèi)試樣面積減小較慢，直至穩(wěn)定不變。同時(shí)試樣含水量達(dá)到縮限時(shí)，結(jié)構(gòu)處于最密實(shí)的狀態(tài)，土顆粒相互接觸，體積和孔隙不再隨含水量減小而變化，試樣表面不再收縮。試樣面積脫濕穩(wěn)定后面積減小約5.73%。試樣初始狀態(tài)，含水率較高，黏土顆粒外包裹一層水化膜，使顆粒之間存在間距。脫濕過(guò)程中，水分逐漸被蒸發(fā)，水化膜變薄，在基質(zhì)吸力作用下，土顆粒重新排列而逐漸靠攏，孔隙不斷減小，宏觀上表現(xiàn)為試樣的整體收縮。

1.2.2 裂隙產(chǎn)生階段

第一次脫濕結(jié)束后，添水至試樣含水率初始狀態(tài)，然后記錄試樣表面變化過(guò)程。第一次加水后，試樣部分邊緣由于存在收縮縫，形成側(cè)向臨空面，水的浸入一方面致使土體沿邊緣產(chǎn)生崩解，另一方面引起土體膨脹，試樣邊緣的微小收縮縫閉合。

此外，含水量的增加使土體基質(zhì)吸力逐漸減小，此前因土體干縮而儲(chǔ)備的拉應(yīng)力勢(shì)能逐漸釋放，使試樣整體性變差，內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞面。當(dāng)水分再次開(kāi)始蒸發(fā)時(shí)，試樣再次收縮，土體將沿內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞面產(chǎn)生張拉裂隙，由于試樣邊緣特殊的應(yīng)力條件，裂隙將向試樣邊緣處發(fā)育。邊緣裂隙形成后，水分蒸發(fā)通道增加，裂隙將進(jìn)一步發(fā)展，成為試樣表面的優(yōu)勢(shì)裂隙。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙反復(fù)開(kāi)合，試樣整體性進(jìn)一步被破壞，土體表面的裂隙條數(shù)、裂隙面積、裂隙長(zhǎng)度逐步增加，裂隙的貫通度也逐漸增大。裂隙圖片矢量化后，采用IPP圖像處理技術(shù)提取相關(guān)參數(shù)，得到試樣在每次干濕循環(huán)過(guò)程中裂隙面積率I隨含水率的變化關(guān)系圖(圖2)。

圖2 干濕循環(huán)過(guò)程中裂隙面積率隨含水率變化曲線

2 不同正應(yīng)力條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

上述試驗(yàn)結(jié)束后，用小環(huán)刀(61.8 mm×20 mm)取出試樣開(kāi)展快剪試驗(yàn)，得其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。

直剪試驗(yàn)分別按四種正應(yīng)力梯度進(jìn)行，分別設(shè)置為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，獲取不同正應(yīng)力下的土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖3 不同正應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3分析可得，不同正應(yīng)力下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均包含3個(gè)變化階段：①剪應(yīng)力緩增階段。該階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線緩傾，剪應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較小，此時(shí)土體主要表現(xiàn)為側(cè)向壓縮，抗剪強(qiáng)度未得到充分發(fā)揮；②剪應(yīng)力陡增階段。該階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線陡傾，剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而快速增大，此時(shí)土體側(cè)向壓縮基本結(jié)束，上剪切盒的土樣開(kāi)始產(chǎn)生滑移，剪切面的強(qiáng)度逐步得到發(fā)揮，最后達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在該階段并非線性增長(zhǎng)，表現(xiàn)出土體典型的塑性變形特征；③剪應(yīng)力減小階段。該階段剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而緩慢減小，試樣的破壞呈現(xiàn)出塑性破壞的特征。

灰白色裂紋土的破壞包絡(luò)線如圖4所示，可得總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度參數(shù)：c=34.86 kPa、φ=16.97°。

圖4 灰白色土樣的破壞包絡(luò)線

3 結(jié) 論

(1)研究對(duì)象在首次脫濕過(guò)程中只產(chǎn)生體積收縮，不產(chǎn)生裂隙，這與土體的初始含水率狀態(tài)及試樣尺寸有關(guān)。

(2)裂隙在單次干濕循環(huán)的過(guò)程中會(huì)逐步發(fā)育，主要體現(xiàn)在裂隙面積率及裂隙總長(zhǎng)度的增加，但隨著土體拉應(yīng)力勢(shì)能的釋放，裂隙發(fā)育到一定程度后便會(huì)停止。

(3)裂隙面積率、裂隙的平均寬度及裂隙的總長(zhǎng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后趨于定值的趨勢(shì)，研究對(duì)象的穩(wěn)定含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小，裂隙條數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而線性增加。

(4)快剪試驗(yàn)所得的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c=34.86 kPa、φ=16.97°，可供該類(lèi)邊坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)提供選取參考。