干濕循環巖體強度劣化效應及邊坡穩定性分析

周路寶，邵 杰，孫承坪，李志忠

(連云港市水利規劃設計院有限公司，江蘇 連云港 222006)

降水充沛也造成了巖土體經常遭受干濕循環，這種現象在夏季尤為常見，夏季暴雨頻發短期的強降雨和太陽暴曬，巖土體經歷著多次干濕循環。因此，對巖土體進行干濕循環實驗，研究其力學特性具有重要意義。許多專家學者對巖土體進行干濕循環力學實驗，研究巖土體在兩種情況下的力學特性變化。陳賓等[1]通過力學實驗和電鏡掃描技術，認為干濕循環對巖土體顆粒造成損傷是巖土體強度降低的主要原因。陳開圣[2]通過計算機技術和三軸試驗，認為干濕循環作用下，紅黏土的C值穩定值為未經循環值的54%～57%，φ值穩定值在未經循環值的45%～63%，可采用二項式來擬合。徐丹等[3]通過力學實驗研究了干濕循環次數對膨脹土的強度的影響。吳珺華等[4]通過力學實驗認為干濕循環對膨脹土C值的影響大于φ值，抗剪強度隨著基質吸力增大呈現非線性增加。傅晏等[5]通過多種實驗方法，認為當干濕循環次數大于3次時，砂巖微觀損傷速度降低。數值模擬是目前一種常用的邊坡穩定性和變形規律的研究手段，數值模擬可以重現斜坡變形過程中的應力變化情況，從而獲取邊坡的變形破壞機制[6- 9]。

本文在前人研究的基礎之上，通過干濕循環力學實驗，研究不同圍壓下的抗剪強度變化。研究干濕循環作用下邊坡穩定性變化特征。

1 實驗條件

實驗樣品取自現場。實驗所用設備為恒溫恒濕實驗箱。模擬項目所在地的環境氣候條件。對試樣進行干濕，凍融循環實驗。每種情況進行1、2、4、6、8次循環。具體實驗步驟如下。

(1)將實驗樣品放入實驗箱，模擬當地夏季氣候。設置溫度為25℃，濕度為75%的實驗箱環境對樣品進行干燥。當達到實驗樣品的縮限時，即可停止干燥。對樣品進行抽氣飽水，再次進行干燥，直至含水率變為20%。即完成1次干濕循環。

(2)將未進行處理的樣品、僅行干濕循環的樣品進行三軸實驗，參考前人研究確定試驗方案[10- 11]，確定圍壓分別為50、100、200和300kPa。

2 干濕循環作用下力學特性研究

2.1 應力-應變關系

通過對實驗數據進行整理，繪制不同圍壓下偏應力(最大與最小主應力的差值)與軸向應變的關系曲線，如圖1所示。天然試樣的偏應力-應力關系曲線較為穩定，呈現出應變穩定型的變形特征，未見明顯的應變軟化特征；在試樣剛開始產生軸向應變的時候，試樣中的剪應力產生劇烈變化，隨著應變的增加，剪應力變化速率逐漸減小最終趨于一個相對穩定的值。巖體進行干濕循環試驗后，偏應力-應變關系曲線表現出較為明顯的應變軟化特征，應變軟化現象與圍壓大小呈反比，圍壓越小，巖體應變軟化特征越明顯。巖體的峰值強度與循環次數呈反比，循環次數越多，巖體抗破壞能力越弱。

圖1 不同循環次數下試樣的偏應力與軸向應變之間的關系曲線

通過擬合分析獲取巖土體偏應力與循環次數的關系曲線如圖2所示。干濕循環為：

y=-38.41ln(x)+264.45 (R2=0.9925)

(1)

式中，x—循環次數；y—偏應力。

圖2 不同循環次數下試樣的偏應力與循環次數關系曲線(σ=50kPa)

2.2 抗剪強度

抗剪強度是巖土體一個重要的參數指標，也是影響巖土體穩定性的重要因素之一。在邊坡工程中，準確的獲取巖土體強度參數是十分重要的。天然狀態下，巖土體的抗剪強度參數為：內聚力(C值)為64.7kPa，內摩擦角(φ值)為24.6°。通過繪制不同循環次數不同圍壓下的巖土體抗剪強度曲線獲取巖土體的內摩擦角和內聚力的變化情況，研究不同循環次數下，巖土體抗剪強度的變化特征。通過應力-應變曲線可以看出，進行首次干濕循環后，巖土體強度參數變化最為明顯，隨著循環次數增加，巖土體強度參數最終趨于穩定值，經過4次干濕循環試驗后，巖土體強度變化已經趨于穩定，通過8次干濕循環試驗后，黏聚力與天然狀態相比降低了約43%，內摩擦角與天然狀態相比增大了7.0%。

3 邊坡穩定性研究

邊坡選取某庫岸邊坡，該處巖土體為膨脹巖，邊坡高15.7m，長約125.5m。邊坡上覆耕植土，厚度為0.5～1.0m。邊坡全貌如圖3所示。采用數值模擬方法，研究不同循環試驗下，邊坡穩定性的變化及變形趨勢。

圖3 邊坡全貌

3.1 數值模擬模型建立及參數選取

根據現場調查原型，建立該邊坡數值模擬模型，數值模擬參數根據干濕循環實驗結果選取，如圖4所示。

圖4 數值模擬計算模型

3.2 結果分析

(1)穩定性系數分析。將多次干濕循環次數下巖土體強度作為數值模擬計算的參數取值，分析不同循環次數下，邊坡的穩定性系數變化情況。繪制不同循環次數邊坡穩定性系數如圖5所示。根據圖5可以看出，隨著干濕循環次數的增加，巖土體強度參數減小后，斜坡的穩定性情況逐漸變差，當巖土體參數趨于穩定后，邊坡穩定性系數也逐漸趨于穩定。

根據試樣抗剪強度參數變化特征分析，該類型斜坡的穩定性對于黏聚力的敏感性大于內摩擦角。

圖5 循環試驗下邊坡穩定性系數變化

(2)變形破壞特征分析。針對試驗進行8次后的邊坡變形云圖，分析斜坡的變形特征對3種實驗的響應機制。

圖6為干濕循環變形云圖，可見最大變形為1.5cm，僅進行干濕循環時，邊坡穩定性情況較好。僅進行干濕循環時，邊坡穩定性變化較小且變形小于2cm。

圖6 邊坡變形云圖

4 結論

(1)天然狀態下，巖土體的應力-應變曲線屬于應變穩定型，進行了干濕循環試驗后，巖土體應力-應變曲線屬于較為明顯的應變軟化型。

(2)隨著干濕循環次數的增加，巖土體強度逐漸減小，強度變化速率與循環次數成反相關關系，最終巖體強度會趨于一個穩定值；干濕循環造成巖土體的黏聚力產生較為明顯的下降，8次循環后，黏聚力降為天然狀態的57%，內摩擦角出現小幅度的增大，增大約7%。

(3)通過數值模擬分析，研究每次循環后，邊坡的穩定性及變形破壞范圍。對于邊坡進行穩定性分析時，需同時考慮干濕作用的綜合的影響。