黄土边坡开挖卸荷力学响应研究分析

王少刚，吉倩 （陕西恒泰工程勘察有限公司，陕西 西安 710018）

1 引言

对坡体进行开挖会对土体产生扰动，从而影响其力学性能和稳定性，导致边坡发生破坏。对开挖边坡变形规律及破坏机理的相关研究已成为当下的热点话题。贾新昆等[1]利用LS-DYNA软件，分析边坡力学响应规律。陈旺盛等[2]利用有限元软件，分析加筋土边坡变形规律及力学特征。徐康等[3]以某地区边坡为研究对象，利用有限元软件，分析边坡在地震作用下的变形情况。李聪等[4]通过模型试验，分析开挖地点对边坡力学性能的影响。李龙起等[5]开展模型试验，研究降雨条件对边坡力学响应的影响。

本研究通过开展常规三轴试验和卸载三轴试验，研究边坡力学响应特征。

2 载荷条件下边坡力学响应

2.1 开挖卸载土体变形规律分析

试验采用的土样从现场滑坡取得。从坡体的顶部、中部、底部分别取样，并计算其干密度。对其开展三轴试验，研究土体深度对抗剪强度的影响。采用常规三轴试验模拟未开挖边坡，采用卸载三轴试验模拟开挖后边坡。

进行常规三轴试验时，设置剪切速率为0.15mm·min-1。首先将试样浸泡，使其饱和，然后分别设置围压为100kPa、200kPa、300kPa，对其进行剪切。当进行卸载试验时，设置剪切速率为-2kPa·min-1，最大应变为 18%，围压为300kPa、400kPa、500kPa，进行剪切。常规三轴试验应力应变曲线如图1所示。

图1 常规三轴试验应力应变曲线图

由图可知，在三种干密度下，土体的应力应变曲线均呈先增大后减小，最后趋于平稳的趋势。受剪切的前期，土体主要为强化阶段，随时间的增大，土体为软化阶段。当围压为100kPa时，有σ1-σ3最大峰值。当围压为300kPa时，有σ 1-σ3最小峰值。不同干密度土体的σ 1-σ3最大峰值均集中于应变为1%～3%时，此时试验试样发生破坏，发生失稳现象。

卸载三轴试验应力应变曲线如图2所示。

图2 卸载三轴试验应力应变曲线图

由图可知，在三种干密度下，土体的应力应变曲线均呈先增大后减小，最后趋于平稳的趋势。受剪切的前期，土体主要为强化阶段，随时间的增加，土体为软化阶段。σ1-σ3与围压的关系与常规三轴试验保持一致。不同干密度土体的σ1-σ3最大峰值均集中于应变为1%～2%时，此时试验试样发生破坏，发生失稳现象。卸载三轴试验的σ1-σ3最大峰值对应的应变值小于常规三轴试验，说明卸载过程对试验试样的稳定性有一定的影响。卸载后，土体比一般情况下的土体更容易失稳，并发生破坏。对开挖后的边坡而言，即使发生极小的土体变形，也容易使边坡发生失稳，导致其发生破坏。当干密度最小时，土体在达到σ1-σ3最大峰值后，存在强度恢复情况。当干密度适中时，土体在达到σ 1-σ3最大峰值后，其应力趋势稳定，存在残余强度。当干密度最大时，土体在达到σ1-σ3最大峰值后，不存在残余强度，σ1-σ3逐渐减小。

当进行常规三轴试验时，σ1-σ3最大值受干密度与围压影响较小。当进行卸载三轴试验时，其σ1-σ3最大值与干密度和围压存在相关关系。通过对其拟合可以得出，二者之间存在线性关系。σ1-σ3最大峰值与围压呈正相关关系。

在三轴试验中，可引入脆性指数来描述土体的强度情况。当进行常规三轴试验时，脆性指数与试验测得的数据无相关关系。当进行卸载三轴试验时，围压与脆性指数呈负相关关系，干密度与脆性指数呈正相关关系。由于脆性指数用于表示土体的强度，通过上述分析可得，土体的强度与围压及干密度有关。

综合以上分析可得，卸载三轴试验的σ1-σ3最大峰值对应的应变值小于常规三轴试验，说明卸载过程对试验试样的稳定性有一定的影响。卸载后，土体比一般情况下的土体更容易失稳，并发生破坏。对开挖后的边坡而言，即使发生极小的土体变形，也容易使边坡发生失稳，导致其发生破坏。在达到σ1-σ 3最大峰值后，土体发生破坏后应力变化趋势稳定，且干密度较小，使其坡体破坏面和破坏规模较小。当干密度适中时，土体在达到σ1-σ3最大峰值后，其应力趋势稳定，存在残余强度。当干密度最大时，土体在达到σ1-σ3最大峰值后，不存在残余强度，σ1-σ3逐渐减小，使坡体变形较大，且滑动面变形显著。

2.2 开挖卸载土体力学性能

本节利用前文试验测得应力应变曲线，得出土体的干密度。常规三轴试验与卸载三轴试验黏聚力与内摩擦角对比图如图3所示。

图3 不同三轴试验黏聚力与内摩擦角

由图可知，常规三轴试验与卸载三轴试验的内摩擦角和黏聚力存在明显的差异性。随干密度的增长，常规三轴试验的黏聚力增长趋势显著，卸载三轴试验增长趋势较为平缓。当干密度为1.55g·cm-3时，有最大差距，为76.85%；当干密度为1.35g·cm-3时有最小差距，为29.52%。常规三轴试验的内摩擦角小于卸载三轴试验的内摩擦角，两种试验情况下，随干密度的增大，内摩擦角差值较为稳定，均在25%左右。通过以上分析可得，不同试验对于土体内摩擦角和黏聚力的影响具有差异性。对于黏聚力的影响较大，对于内摩擦角的影响较小。

2.3 开挖卸载土体应力路径

图 4 为当干密度为 1.55g·cm-3，围压为300kPa时的孔压-应变关系图。孔压与应变呈正相关关系。随应变的增大，孔压逐渐增大。常规三轴试验的孔压整体大于卸载三轴试验的孔压。常规三轴试验达到孔压最大值的应变值小于卸载三轴试验。且常规三轴试验达到孔压最大值后，其孔压增长趋势稳定，而卸载三轴试验孔压仍继续增大。根据相关力学理论可得，卸载三轴试验的土体稳定性较差，容易发生破坏。

图4 孔压-应变关系图

图5为孔压比-应变关系曲线。由图可知，当应变小于4%时，常规三轴试验孔压比大于卸载三轴试验。当应变大于4%时，常规三轴试验孔压比小于卸载三轴试验。常规三轴试验在孔压比达到最大值后，其增长趋势较为平稳。卸载三轴试验无明显孔压比最大值，随应变增大，其孔压比仍呈缓慢增大趋势。

图5 孔压比-应变关系曲线

通过以上分析可得，不同试验条件下，孔压比随应变变化趋势与孔压随应变变化趋势类似。卸载三轴试验条件下，土体的稳定性和有效应力较低，坡体容易发生破坏。

3 结论

本研究通过开展常规三轴试验和卸载三轴试验，研究边坡力学响应特征，结论如下。

①在三种干密度下，土体的应力应变曲线均呈先增大后减小，最后趋于平稳的趋势。受剪切的前期，土体主要为强化阶段，随时间的增大，土体为软化阶段。当围压为100kPa时，有σ1-σ3最大峰值。当围压为300kPa时，有σ1-σ 3最小峰值。不同干密度土体的σ1-σ3最大峰值均集中于应变为1%～3%时，此时试验试样发生破坏，发生失稳现象。

②不同干密度土体的σ1-σ3最大峰值均集中于应变为1%～2%时，此时试验试样发生破坏，发生失稳现象。卸载三轴试验的σ1-σ3最大峰值对应的应变值小于常规三轴试验，说明卸载过程对试验试样的稳定性有一定的影响。卸载后，土体比一般情况下的土体更容易失稳，并发生破坏。

③当进行常规三轴试验时，σ1-σ3最大值受干密度与围压影响较小。当进行卸载三轴试验时，其σ1-σ3最大值与干密度和围压存在相关关系。通过对其拟合可以得出，二者之间存在线性关系。σ1-σ3最大峰值与围压呈正相关关系。

④干密度与内摩擦角和黏聚力均呈正相关关系。常规三轴试验的黏聚力大于卸载三轴试验的黏聚力。当干密度为1.55g·cm-3时，有最大差距，为76.85%；当干密度为1.35g·cm-3时有最小差距，为29.52%。

⑤孔压与应变呈正相关关系。常规三轴试验的孔压整体大于卸载三轴试验的孔压。常规三轴试验达到孔压最大值的应变值小于卸载三轴试验。且常规三轴试验达到孔压最大值后，其孔压增长趋势稳定，而卸载三轴试验孔压仍继续增大

⑥常规三轴试验在孔压比达到最大值后，其增长趋势较为平稳。卸载三轴试验无明显孔压比最大值，随应变增大，其孔压比仍呈缓慢增大趋势。