黃土邊坡開挖卸荷力學響應研究分析

王少剛，吉倩 （陜西恒泰工程勘察有限公司，陜西 西安 710018）

1 引言

對坡體進行開挖會對土體產生擾動，從而影響其力學性能和穩定性，導致邊坡發生破壞。對開挖邊坡變形規律及破壞機理的相關研究已成為當下的熱點話題。賈新昆等[1]利用LS-DYNA軟件，分析邊坡力學響應規律。陳旺盛等[2]利用有限元軟件，分析加筋土邊坡變形規律及力學特征。徐康等[3]以某地區邊坡為研究對象，利用有限元軟件，分析邊坡在地震作用下的變形情況。李聰等[4]通過模型試驗，分析開挖地點對邊坡力學性能的影響。李龍起等[5]開展模型試驗，研究降雨條件對邊坡力學響應的影響。

本研究通過開展常規三軸試驗和卸載三軸試驗，研究邊坡力學響應特征。

2 載荷條件下邊坡力學響應

2.1 開挖卸載土體變形規律分析

試驗采用的土樣從現場滑坡取得。從坡體的頂部、中部、底部分別取樣，并計算其干密度。對其開展三軸試驗，研究土體深度對抗剪強度的影響。采用常規三軸試驗模擬未開挖邊坡，采用卸載三軸試驗模擬開挖后邊坡。

進行常規三軸試驗時，設置剪切速率為0.15mm·min-1。首先將試樣浸泡，使其飽和，然后分別設置圍壓為100kPa、200kPa、300kPa，對其進行剪切。當進行卸載試驗時，設置剪切速率為-2kPa·min-1，最大應變為 18%，圍壓為300kPa、400kPa、500kPa，進行剪切。常規三軸試驗應力應變曲線如圖1所示。

圖1 常規三軸試驗應力應變曲線圖

由圖可知，在三種干密度下，土體的應力應變曲線均呈先增大后減小，最后趨于平穩的趨勢。受剪切的前期，土體主要為強化階段，隨時間的增大，土體為軟化階段。當圍壓為100kPa時，有σ1-σ3最大峰值。當圍壓為300kPa時，有σ 1-σ3最小峰值。不同干密度土體的σ 1-σ3最大峰值均集中于應變為1%～3%時，此時試驗試樣發生破壞，發生失穩現象。

卸載三軸試驗應力應變曲線如圖2所示。

圖2 卸載三軸試驗應力應變曲線圖

由圖可知，在三種干密度下，土體的應力應變曲線均呈先增大后減小，最后趨于平穩的趨勢。受剪切的前期，土體主要為強化階段，隨時間的增加，土體為軟化階段。σ1-σ3與圍壓的關系與常規三軸試驗保持一致。不同干密度土體的σ1-σ3最大峰值均集中于應變為1%～2%時，此時試驗試樣發生破壞，發生失穩現象。卸載三軸試驗的σ1-σ3最大峰值對應的應變值小于常規三軸試驗，說明卸載過程對試驗試樣的穩定性有一定的影響。卸載后，土體比一般情況下的土體更容易失穩，并發生破壞。對開挖后的邊坡而言，即使發生極小的土體變形，也容易使邊坡發生失穩，導致其發生破壞。當干密度最小時，土體在達到σ1-σ3最大峰值后，存在強度恢復情況。當干密度適中時，土體在達到σ 1-σ3最大峰值后，其應力趨勢穩定，存在殘余強度。當干密度最大時，土體在達到σ1-σ3最大峰值后，不存在殘余強度，σ1-σ3逐漸減小。

當進行常規三軸試驗時，σ1-σ3最大值受干密度與圍壓影響較小。當進行卸載三軸試驗時，其σ1-σ3最大值與干密度和圍壓存在相關關系。通過對其擬合可以得出，二者之間存在線性關系。σ1-σ3最大峰值與圍壓呈正相關關系。

在三軸試驗中，可引入脆性指數來描述土體的強度情況。當進行常規三軸試驗時，脆性指數與試驗測得的數據無相關關系。當進行卸載三軸試驗時，圍壓與脆性指數呈負相關關系，干密度與脆性指數呈正相關關系。由于脆性指數用于表示土體的強度，通過上述分析可得，土體的強度與圍壓及干密度有關。

綜合以上分析可得，卸載三軸試驗的σ1-σ3最大峰值對應的應變值小于常規三軸試驗，說明卸載過程對試驗試樣的穩定性有一定的影響。卸載后，土體比一般情況下的土體更容易失穩，并發生破壞。對開挖后的邊坡而言，即使發生極小的土體變形，也容易使邊坡發生失穩，導致其發生破壞。在達到σ1-σ 3最大峰值后，土體發生破壞后應力變化趨勢穩定，且干密度較小，使其坡體破壞面和破壞規模較小。當干密度適中時，土體在達到σ1-σ3最大峰值后，其應力趨勢穩定，存在殘余強度。當干密度最大時，土體在達到σ1-σ3最大峰值后，不存在殘余強度，σ1-σ3逐漸減小，使坡體變形較大，且滑動面變形顯著。

2.2 開挖卸載土體力學性能

本節利用前文試驗測得應力應變曲線，得出土體的干密度。常規三軸試驗與卸載三軸試驗黏聚力與內摩擦角對比圖如圖3所示。

圖3 不同三軸試驗黏聚力與內摩擦角

由圖可知，常規三軸試驗與卸載三軸試驗的內摩擦角和黏聚力存在明顯的差異性。隨干密度的增長，常規三軸試驗的黏聚力增長趨勢顯著，卸載三軸試驗增長趨勢較為平緩。當干密度為1.55g·cm-3時，有最大差距，為76.85%；當干密度為1.35g·cm-3時有最小差距，為29.52%。常規三軸試驗的內摩擦角小于卸載三軸試驗的內摩擦角，兩種試驗情況下，隨干密度的增大，內摩擦角差值較為穩定，均在25%左右。通過以上分析可得，不同試驗對于土體內摩擦角和黏聚力的影響具有差異性。對于黏聚力的影響較大，對于內摩擦角的影響較小。

2.3 開挖卸載土體應力路徑

圖 4 為當干密度為 1.55g·cm-3，圍壓為300kPa時的孔壓-應變關系圖。孔壓與應變呈正相關關系。隨應變的增大，孔壓逐漸增大。常規三軸試驗的孔壓整體大于卸載三軸試驗的孔壓。常規三軸試驗達到孔壓最大值的應變值小于卸載三軸試驗。且常規三軸試驗達到孔壓最大值后，其孔壓增長趨勢穩定，而卸載三軸試驗孔壓仍繼續增大。根據相關力學理論可得，卸載三軸試驗的土體穩定性較差，容易發生破壞。

圖4 孔壓-應變關系圖

圖5為孔壓比-應變關系曲線。由圖可知，當應變小于4%時，常規三軸試驗孔壓比大于卸載三軸試驗。當應變大于4%時，常規三軸試驗孔壓比小于卸載三軸試驗。常規三軸試驗在孔壓比達到最大值后，其增長趨勢較為平穩。卸載三軸試驗無明顯孔壓比最大值，隨應變增大，其孔壓比仍呈緩慢增大趨勢。

圖5 孔壓比-應變關系曲線

通過以上分析可得，不同試驗條件下，孔壓比隨應變變化趨勢與孔壓隨應變變化趨勢類似。卸載三軸試驗條件下，土體的穩定性和有效應力較低，坡體容易發生破壞。

3 結論

本研究通過開展常規三軸試驗和卸載三軸試驗，研究邊坡力學響應特征，結論如下。

①在三種干密度下，土體的應力應變曲線均呈先增大后減小，最后趨于平穩的趨勢。受剪切的前期，土體主要為強化階段，隨時間的增大，土體為軟化階段。當圍壓為100kPa時，有σ1-σ3最大峰值。當圍壓為300kPa時，有σ1-σ 3最小峰值。不同干密度土體的σ1-σ3最大峰值均集中于應變為1%～3%時，此時試驗試樣發生破壞，發生失穩現象。

②不同干密度土體的σ1-σ3最大峰值均集中于應變為1%～2%時，此時試驗試樣發生破壞，發生失穩現象。卸載三軸試驗的σ1-σ3最大峰值對應的應變值小于常規三軸試驗，說明卸載過程對試驗試樣的穩定性有一定的影響。卸載后，土體比一般情況下的土體更容易失穩，并發生破壞。

③當進行常規三軸試驗時，σ1-σ3最大值受干密度與圍壓影響較小。當進行卸載三軸試驗時，其σ1-σ3最大值與干密度和圍壓存在相關關系。通過對其擬合可以得出，二者之間存在線性關系。σ1-σ3最大峰值與圍壓呈正相關關系。

④干密度與內摩擦角和黏聚力均呈正相關關系。常規三軸試驗的黏聚力大于卸載三軸試驗的黏聚力。當干密度為1.55g·cm-3時，有最大差距，為76.85%；當干密度為1.35g·cm-3時有最小差距，為29.52%。

⑤孔壓與應變呈正相關關系。常規三軸試驗的孔壓整體大于卸載三軸試驗的孔壓。常規三軸試驗達到孔壓最大值的應變值小于卸載三軸試驗。且常規三軸試驗達到孔壓最大值后，其孔壓增長趨勢穩定，而卸載三軸試驗孔壓仍繼續增大

⑥常規三軸試驗在孔壓比達到最大值后，其增長趨勢較為平穩。卸載三軸試驗無明顯孔壓比最大值，隨應變增大，其孔壓比仍呈緩慢增大趨勢。