浸水濕化對黃土強度及路基邊坡穩定性的影響研究

秦 龍,張 晶,張靜波

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550081;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

沿河沿庫的路基邊坡在水位上漲時將面臨浸水濕化問題[1]。研究表明,浸水濕化對巖土體產生軟化和潤滑作用,導致土體強度降低,引起路基變形,進而影響路基邊坡的穩定性,因此浸水常常引起大量路基病害,嚴重威脅公路運營安全[2]。

河南西部屬黃土地區,存在大量黃土路基,部分公路邊坡臨近河、湖、水庫,相關研究表明壓實黃土同樣存在浸水濕化后變形增大的問題[3-5]。因此本文以三門峽地區的黃土為研究對象,通過不同含水率下重塑土的三軸剪切試驗,測試黃土的抗剪強度,并根據試驗結果進行數值模擬,研究浸水濕化條件下路基邊坡的變形與穩定性變化規律。

1 浸水濕化對黃土強度的影響

1.1 試驗概況

1.1.1 試驗材料與儀器

試驗所用土樣取自三門峽至淅川高速公路豫晉省界至靈寶段K4+800的挖方處,地層巖性為上更新統(Q3)新黃土,主要以馬蘭黃土,灰黃色、黃色鈣質粉土為主,具大孔隙,見少量螺殼碎片及鈣質結核。其基本物理參數如表1所示。

表1 土樣基本物理參數表

1.1.2 試樣制備

制備壓實度相同、含水率不同的試樣進行試驗,壓實度設計為93%。以最佳含水率Wopt(12.7%)為基準,設計5個不同的含水率,分別為Wopt-8%、Wopt-4%、Wopt、Wopt+4% 、Wopt+8%。其中Wopt+8%接近飽和含水率。根據大擊實筒容積、最大干密度、壓實度、計算出所需干土的質量,再根據設計含水率計算得到所需加水量。將土樣過2 mm的細篩后烘干,加水并充分拌和后將配好的土料裝入保鮮袋中悶料48 h。采用靜壓法分3層將土全部壓入大擊實筒,最后一層時土頂面放置一個與擊實筒套筒高度一致的墊塊,然后靜壓至墊塊頂面與套筒頂面平齊為止。每個含水率制備4個試樣備用。

1.1.3 試驗方法

三軸試驗采用TSZ-1A全自動三軸儀,試驗尺寸為φ39.1 mm×H80 mm,最大圍壓為2 MPa,最大軸向應力為10 kN。將試樣切成φ39.1 mm×H80 mm的4個圓柱形試樣。4個圍壓分別取50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa,采用不固結不排水(UU)剪切試驗方法,剪切速率均為1 mm/min。三軸試驗完成后,從破壞后的試樣上取樣,復測含水率,復測結果見表2。根據不同圍壓條件下的應力-應變曲線,繪制相應的摩爾應力圓,做諸圓的包絡線,求得土樣的粘聚力c和摩擦角φ。

表2 三軸試驗后含水率復測結果表

1.2 試驗結果與分析

不同含水率條件下土樣的應力-應變曲線和摩爾應力圓如下頁圖1～5所示,其粘聚力c和內摩擦角φ結果如后頁表3所示。抗剪強度隨含水率的變化趨勢如后頁圖6所示,可見重塑黃土試樣的c值和φ值都隨著含水率的增大而減小。隨著含水率的增加,c值先迅速減小,再緩慢降低,變化幅度較大。而φ值在含水率從1.84%增大到7.33%時基本未變,還稍有增大,這可能是試驗誤差。忽略該異常點,可見隨著含水率的增加,φ值減小速率較為均勻,但減小范圍不大。試驗結果說明,隨著含水率的增加黃土的抗剪強度不斷降低,力學性能逐漸劣化。同時表明,粘聚力對含水率的變化更為敏感。

(a)應力-應變曲線

(a)應力-應變曲線

(a)應力-應變曲線

(a)應力-應變曲線

(a)應力-應變曲線

圖6 抗剪強度與含水率關系曲線圖

表3 不同含水率下壓實黃土的力學參數表

根據應力-應變曲線直線段的平均斜率計算獲得重塑黃土的變形模量,各含水率下壓實黃土的變形模量如表3所示,變形模量隨含水率的變化規律如圖7所示,可見其規律與c值的相似,隨著含水率的增加,變形模量先迅速減小,再緩慢降低,變化幅度較大。

圖7 變形模量與含水率關系曲線圖

2 浸水濕化對黃土路基邊坡穩定性的影響

2.1 基本參數

根據表2的力學參數取值,不同含水率條件下的重度按式(1)求得:

γ=(1+w)·γd=(1+w)×1.837×0.93×g

(1)

式中:w——含水率(%);

g——10 N/kg。

2.2 方案設計與模型

采用GeoStudio軟件進行模擬分析,計算黃土路基邊坡受浸水影響后,含水率由最初的1.84%逐步增大至21.84%(基本飽和)過程中的變形和穩定性。

選取三門峽地區浸水路堤的典型斷面建立有限元模型,模型如圖8所示,邊坡高度為10 m,坡率為1∶1.5,模型劃分為1 400個四邊形單元,模型左側和右側邊界施加水平約束,底部施加水平和豎向約束。

圖8 有限元模型圖

在SIGMA/W模塊中計算邊坡的應力和變形,在SLOPE/W模塊中定義剪入口和出口范圍,耦合SIGMA/W的應力結果搜索最危險滑動面,獲取邊坡的穩定系數。

2.3 路基濕化變形和穩定性分析

2.3.1 濕化變形分析

隨著水庫蓄水,水位升高,邊坡逐漸濕化,含水率不斷升高。含水率升高時邊坡變形過程如圖9所示。從圖9可見,隨著含水率的升高,邊坡的最大變形在逐漸增大,從含水率1.84%時的12.19 mm增大至含水率21.48%時的182.88 mm,變形增大14倍。這是由于隨著浸水濕化,路基土吸水后重度不斷增大,而抗剪強度和壓縮模量逐漸降低,導致路基產生濕化變形。

(a)含水率1.84%

2.3.2 邊坡穩定性分析

含水率升高過程中路基邊坡的最危險滑面與穩定系數如圖10、圖11所示。從圖10和圖11可見,隨著含水率的升高,邊坡的穩定性系數先迅速降低,后緩慢降低,從含水率1.84%時的15.659減小至含水率21.48%時的0.989,說明路基邊坡在浸水飽和后,由于抗剪強度的大幅減小,穩定性系數將大大降低,處于不穩定狀態,部分土體(如圖12所示)將處于塑性狀態,開始產生塑性變形,變形量將隨時間逐漸增大。結果表明,路基邊坡在高度10 m、坡比1∶1.5的條件下基本處于極限狀態,不能保持穩定,應采取防護措施或放緩坡率。

(a)含水率1.84%

圖11 穩定系數與含水率關系曲線圖

圖12 含水率21.48%時的塑性區云圖

3 結語

(1)壓實黃土隨著含水率的增加,力學性能產生劣化,抗剪強度和壓縮模量不斷降低,粘聚力c與變形模量隨含水率的增加先迅速降低,然后緩慢降低,變化范圍較大;而φ值減小速率較為均勻,且減小范圍不大。從試驗結果可看出,粘聚力c對含水率變化更為敏感。

(2)隨著水庫水位不斷升高,黃土路基含水率逐漸增加,土體抗剪強度逐漸下降,路基邊坡的變形逐漸增大,邊坡穩定性系數先迅速降低,后緩慢降低。對于高度為10 m、坡率為1∶1.5的黃土邊坡,隨著含水率不斷增加,邊坡變形區范圍不斷減小;當含水率達到21.48%時,邊坡達到極限狀態,產生塑性變形區。

(3)根據本文分析結果,在實際工程中,針對浸水黃土路基邊坡應盡量放緩坡率,坡腳浸水范圍內采用實體不透水護面墻、防水土工布等措施進行處理,或在坡腳采用抗滑支擋,確保黃土邊坡土體不被浸水,保持邊坡穩定。