浸水湿化对黄土强度及路基边坡稳定性的影响研究

秦 龙,张 晶,张静波

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550081;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430056)

0 引言

沿河沿库的路基边坡在水位上涨时将面临浸水湿化问题[1]。研究表明,浸水湿化对岩土体产生软化和润滑作用,导致土体强度降低,引起路基变形,进而影响路基边坡的稳定性,因此浸水常常引起大量路基病害,严重威胁公路运营安全[2]。

河南西部属黄土地区,存在大量黄土路基,部分公路边坡临近河、湖、水库,相关研究表明压实黄土同样存在浸水湿化后变形增大的问题[3-5]。因此本文以三门峡地区的黄土为研究对象,通过不同含水率下重塑土的三轴剪切试验,测试黄土的抗剪强度,并根据试验结果进行数值模拟,研究浸水湿化条件下路基边坡的变形与稳定性变化规律。

1 浸水湿化对黄土强度的影响

1.1 试验概况

1.1.1 试验材料与仪器

试验所用土样取自三门峡至淅川高速公路豫晋省界至灵宝段K4+800的挖方处,地层岩性为上更新统(Q3)新黄土,主要以马兰黄土,灰黄色、黄色钙质粉土为主,具大孔隙,见少量螺壳碎片及钙质结核。其基本物理参数如表1所示。

表1 土样基本物理参数表

1.1.2 试样制备

制备压实度相同、含水率不同的试样进行试验,压实度设计为93%。以最佳含水率Wopt(12.7%)为基准,设计5个不同的含水率,分别为Wopt-8%、Wopt-4%、Wopt、Wopt+4% 、Wopt+8%。其中Wopt+8%接近饱和含水率。根据大击实筒容积、最大干密度、压实度、计算出所需干土的质量,再根据设计含水率计算得到所需加水量。将土样过2 mm的细筛后烘干,加水并充分拌和后将配好的土料装入保鲜袋中闷料48 h。采用静压法分3层将土全部压入大击实筒,最后一层时土顶面放置一个与击实筒套筒高度一致的垫块,然后静压至垫块顶面与套筒顶面平齐为止。每个含水率制备4个试样备用。

1.1.3 试验方法

三轴试验采用TSZ-1A全自动三轴仪,试验尺寸为φ39.1 mm×H80 mm,最大围压为2 MPa,最大轴向应力为10 kN。将试样切成φ39.1 mm×H80 mm的4个圆柱形试样。4个围压分别取50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa,采用不固结不排水(UU)剪切试验方法,剪切速率均为1 mm/min。三轴试验完成后,从破坏后的试样上取样,复测含水率,复测结果见表2。根据不同围压条件下的应力-应变曲线,绘制相应的摩尔应力圆,做诸圆的包络线,求得土样的粘聚力c和摩擦角φ。

表2 三轴试验后含水率复测结果表

1.2 试验结果与分析

不同含水率条件下土样的应力-应变曲线和摩尔应力圆如下页图1～5所示,其粘聚力c和内摩擦角φ结果如后页表3所示。抗剪强度随含水率的变化趋势如后页图6所示,可见重塑黄土试样的c值和φ值都随着含水率的增大而减小。随着含水率的增加,c值先迅速减小,再缓慢降低,变化幅度较大。而φ值在含水率从1.84%增大到7.33%时基本未变,还稍有增大,这可能是试验误差。忽略该异常点,可见随着含水率的增加,φ值减小速率较为均匀,但减小范围不大。试验结果说明,随着含水率的增加黄土的抗剪强度不断降低,力学性能逐渐劣化。同时表明,粘聚力对含水率的变化更为敏感。

(a)应力-应变曲线

(a)应力-应变曲线

(a)应力-应变曲线

(a)应力-应变曲线

(a)应力-应变曲线

图6 抗剪强度与含水率关系曲线图

表3 不同含水率下压实黄土的力学参数表

根据应力-应变曲线直线段的平均斜率计算获得重塑黄土的变形模量,各含水率下压实黄土的变形模量如表3所示,变形模量随含水率的变化规律如图7所示,可见其规律与c值的相似,随着含水率的增加,变形模量先迅速减小,再缓慢降低,变化幅度较大。

图7 变形模量与含水率关系曲线图

2 浸水湿化对黄土路基边坡稳定性的影响

2.1 基本参数

根据表2的力学参数取值,不同含水率条件下的重度按式(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 方案设计与模型

采用GeoStudio软件进行模拟分析,计算黄土路基边坡受浸水影响后,含水率由最初的1.84%逐步增大至21.84%(基本饱和)过程中的变形和稳定性。

选取三门峡地区浸水路堤的典型断面建立有限元模型,模型如图8所示,边坡高度为10 m,坡率为1∶1.5,模型划分为1 400个四边形单元,模型左侧和右侧边界施加水平约束,底部施加水平和竖向约束。

图8 有限元模型图

在SIGMA/W模块中计算边坡的应力和变形,在SLOPE/W模块中定义剪入口和出口范围,耦合SIGMA/W的应力结果搜索最危险滑动面,获取边坡的稳定系数。

2.3 路基湿化变形和稳定性分析

2.3.1 湿化变形分析

随着水库蓄水,水位升高,边坡逐渐湿化,含水率不断升高。含水率升高时边坡变形过程如图9所示。从图9可见,随着含水率的升高,边坡的最大变形在逐渐增大,从含水率1.84%时的12.19 mm增大至含水率21.48%时的182.88 mm,变形增大14倍。这是由于随着浸水湿化,路基土吸水后重度不断增大,而抗剪强度和压缩模量逐渐降低,导致路基产生湿化变形。

(a)含水率1.84%

2.3.2 边坡稳定性分析

含水率升高过程中路基边坡的最危险滑面与稳定系数如图10、图11所示。从图10和图11可见,随着含水率的升高,边坡的稳定性系数先迅速降低,后缓慢降低,从含水率1.84%时的15.659减小至含水率21.48%时的0.989,说明路基边坡在浸水饱和后,由于抗剪强度的大幅减小,稳定性系数将大大降低,处于不稳定状态,部分土体(如图12所示)将处于塑性状态,开始产生塑性变形,变形量将随时间逐渐增大。结果表明,路基边坡在高度10 m、坡比1∶1.5的条件下基本处于极限状态,不能保持稳定,应采取防护措施或放缓坡率。

(a)含水率1.84%

图11 稳定系数与含水率关系曲线图

图12 含水率21.48%时的塑性区云图

3 结语

(1)压实黄土随着含水率的增加,力学性能产生劣化,抗剪强度和压缩模量不断降低,粘聚力c与变形模量随含水率的增加先迅速降低,然后缓慢降低,变化范围较大;而φ值减小速率较为均匀,且减小范围不大。从试验结果可看出,粘聚力c对含水率变化更为敏感。

(2)随着水库水位不断升高,黄土路基含水率逐渐增加,土体抗剪强度逐渐下降,路基边坡的变形逐渐增大,边坡稳定性系数先迅速降低,后缓慢降低。对于高度为10 m、坡率为1∶1.5的黄土边坡,随着含水率不断增加,边坡变形区范围不断减小;当含水率达到21.48%时,边坡达到极限状态,产生塑性变形区。

(3)根据本文分析结果,在实际工程中,针对浸水黄土路基边坡应尽量放缓坡率,坡脚浸水范围内采用实体不透水护面墙、防水土工布等措施进行处理,或在坡脚采用抗滑支挡,确保黄土边坡土体不被浸水,保持边坡稳定。