凍融+干濕耦合作用下黃土庫區邊坡穩定性研究

賈振江

(臨汾市悅海水利勘測設計有限公司，山西 臨汾 041000)

北方季節性凍土區分布著大量的非飽和黃土，這些非飽和黃土多位于淺層地帶，暴露在環境中，受氣候的擾動影響很大，尤其是在反復的凍融循環和干濕循環下[1]，土體微觀結構會發生巨大變化，導致物理力學性質改變，最終引發路基、邊坡等產生病害[2- 4]。水庫一般兼具防洪、灌溉、供水、發電、漁業等多項功能，一旦邊坡發生大規模滑移、坍塌，就會危及大壩及庫區兩岸人民的安全，同時還會影響水庫發電、供水等功能的發揮，帶來不可估量的損失。黃土是一種對環境十分敏感的土體，在氣候變化情況下，極易發生失穩破壞，因此有必要對庫區黃土邊坡進行深入研究[5- 7]。

本文對取自山西臨汾市某水庫邊坡的黃土進行了凍融循環、干濕循環以及凍融干濕循環作用下的物理力學試驗，并對不同坡度庫區黃土邊坡的安全穩定性進行了評估，以期能為庫區邊坡加固工作提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 黃土試樣

試驗黃土試樣取自山西臨汾市某水庫黃土邊坡，取樣深度1～2m，平均天然密度1.46g/cm3，平均天然含水率5.9%，土粒比重2.7，塑限14.3%，液限24.8%，塑性指數10.5%，濕陷系數0.04。根據室內擊實試驗，黃土的最大干密度1.75g/cm3，對應的最佳含水率16%。

1.2 試驗方案

采用分層壓樣法，按照最佳含水率擊實方案制備黃土試樣，每層黃土之間均進行刮毛處理。然后對試樣進行凍融循環、干濕循環和凍融干濕循環試驗，循環次數分別為0、1、3、5次，分別測試不同循環次數下的直剪性能和固結性能，試驗方案見表1。

表1 試驗方案

1.3 試驗方法

凍融循環：將制好的黃土試樣放到制冷箱(溫度-15℃)中凍結12h，然后將試樣從制冷箱中取出放在室溫(20℃)環境中融化12h，每24h為一次凍融循環。

干濕循環：采用風干減濕法，將制好試樣含水率降低至9%，將試樣放到保濕箱中靜置24h，然后再將試樣采用水膜轉移法進行增濕，當含水率達到30%后，將試樣放到保濕箱中靜置24h，以此為一個循環。然后再采用風干法和水膜轉移法進行風干和增濕，當達到對應的循環次數后，將試樣含水率風干或者增濕到最佳含水率16%進行后續試驗。

凍融干濕循環：按照凍融和干濕試驗法，先進行1次凍融試驗，然后再進行1次干濕試驗，以此為1次凍融干濕交替試驗。當達到要求的循環次數時，將試樣放入保濕箱中靜置24h，然后進行后續試驗。

直接剪切試驗：采用電動四聯直剪儀對不同循環方式和次數下的試樣進行直剪試驗，豎向壓力大小依次為100、200、300、400kPa，剪切速率為0.8mm/min。

固結試驗：采用單杠桿三聯中壓固結儀對不同循環方式和次數下的試樣進行固結試驗，依次施加5、50、100、200、400kPa大小的固結壓力。在每個固結壓力下，黃土試樣的連續2h的變形均小于0.0025mm/h時，可進行下一階段固結試驗，直至試驗全部完成。

2 試驗結果分析

2.1 抗剪強度參數

不同循環方式和次數下的試樣抗剪強度參數變化規律如圖1所示。從圖1可知，隨著循環次數的增加，黃土的粘聚力呈逐漸減小的變化特征，但降低幅度在逐漸變小，并最終會趨于一個相對穩定值；相同循環次數下，凍融循環方式的粘聚力最大，其次為干濕循環方式，凍融干濕循環方式的粘聚力最小。在凍融循環方式下，隨著循環次數的增加，內摩擦呈逐漸增大的變化趨勢；在干濕循環和凍融干濕循環方式下，隨著循環次數的增加，內摩擦角有所減小。在凍融循環方式下，黃土試樣內部和表面的水分被不斷凍結和遷移流散，土顆粒之間原有的聯結和排列被打破，因而粘聚力會降低，但是隨著原有較大團粒的被逐漸破壞成細小顆粒，顆粒的比表面積增大，土顆粒相互之間的摩擦力增大，因而內摩擦角會略有增加；在干濕循環作用下，由于土體內部基質吸力反復加卸載，導致試樣產生疲勞損傷，在濕脹和干縮交替作用下，土顆粒之間膠結力弱化，導致粘聚力降低，進而出現裂縫，試樣將變得更加疏松，內摩擦角也會隨之減小；在凍融干濕循環作用下，受到凍脹力、水分遷移的反復作用，導致土顆粒大小和間距發生改變，裂隙逐漸衍生和擴展，基質吸力的反復變化又會導致疲勞損傷，在多重耦合損傷下，粘聚力和內摩擦角將迅速降低。

圖1 抗剪強度參數變化規律

2.2 孔隙比

不同循環方式和次數下的試樣孔隙比變化特征如圖2所示。從圖2可知，相同循環次數下，隨著固結力的增大，黃土試樣的孔隙比逐漸減小，相同固結力下，循環次數越多，孔隙比越小；在凍融循環作用下，當固結力達到400kPa時，循環0、1、3、5次的孔隙比分別為0.616、0.619、0.605和0.592；在干濕循環作用下，當固結力達到400kPa時，循環0、1、3、5次的孔隙比分別為0.616、0.584、0.473和0.423；在凍融干濕循環作用下，當固結力達到400kPa時，循環0、1、3、5次的孔隙比分別為0.616、0.573、0.461和0.428。相同循環次數下，凍融循環的孔隙比隨循環次數的變化幅度最小，經過5次循環后孔隙比變化幅度僅為0.024，而干濕循環和凍融干濕循環5次后孔隙比變化幅度分別為0.193和0.188。由此可見，水是影響黃土試樣固結壓縮性能的主要因素，經過干濕循環的黃土試樣孔隙比變化幅度較大，因此在實際工程中應注意排水工作。

圖2 孔隙比變化規律

2.3 壓縮特性

不同循環方式和次數下的試樣壓縮模量和壓縮系數變化特征如圖3所示。從圖3可知，隨著循環次數的增加，黃土的壓縮模量呈逐漸減小的變化特征，而壓縮系數則逐漸增大。凍融循環對于土壓縮特性的影響小于干濕循環和凍融干濕循環，在經歷5次循環后，凍融循環、干濕循環和凍融干濕循環方式下的壓縮模量分別下降5.246、9.617、10.442MPa，壓縮系數分別升高0.09、0.39和0.57。這再次說明干濕循環是造成黃土土體破壞的主要因素，基質吸力反復加卸載以及膨脹干縮所帶來的疲勞損傷對于黃土固結壓縮性能影響最大。

圖3 壓縮特性參數變化規律

3 邊坡穩定性分析

基于直剪和固結試驗結果，利用極限平衡法計算得到了不同邊坡坡度下黃土庫區邊坡的安全系數變化規律如圖4所示。從圖4可知，隨著凍融循環次數的增加，安全系數逐漸降低，且坡度越大，安全系數越低；在干濕循環和凍融干濕循環作用下，雖然安全系數也是呈逐漸減小的變化趨勢，但在51.5°和61°坡度下的黃土邊坡安全系數基本相等，而且當循環次數超過3次后，坡度較陡的61°邊坡相比51.5°邊坡還略偏大。說明在一定范圍內，坡度是決定安全穩定性的主要因素之一，但對于黃土而言，由于其對水十分敏感，在坡度越緩時，水分滯留在坡面上的時間就越長，入滲也就更加充分；當滲流強度超過坡度的影響時，就會形成坡度越緩，安全系數反而越低的現象[8]。

4 結論

本文對取自山西某水庫邊坡的黃土進行了凍融-干濕耦合作用下的試驗研究，得出如下結論：

(1)隨著循環次數的增加，黃土的粘聚力、孔隙比、壓縮模量逐漸減小，壓縮系數逐漸增大。凍融循環會導致黃土內摩擦角增大，而干濕循環、凍融干濕循環則會導致黃土內摩擦角減小。

圖4 不同坡度下安全系數變化規律

(2)待凍融循環方式下，邊坡安全系數隨著坡度和循環次數增加而降低，但在干濕循環或者凍融干濕循環作用下，安全系數除了與坡度相關，還與入滲強度有關。當緩坡下的入滲強度影響超過坡度影響時，就會形成坡度越緩安全系數越低的現象。

(3)由于本文的室內試驗為黃土重塑土樣，與現場土樣存在一定的物理力學性質差異。下一步將開展更多關于原狀土的相關試驗，以期指導工程實踐。