皖江地區灰白色裂紋黏土邊坡裂隙發展研究

許 魁， 王滬生

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，皖江地區高速公路建設和營運過程中出現相當數量的路塹邊坡滑塌，尤其是受持續強降雨的影響，甚至部分支擋工程出現剪切變形破壞現象，不僅增加了建設費用和養護成本，同時也帶來了極大的安全隱患。

調查研究發現，破壞的邊坡中廣泛發育一種灰白色、裂紋較發育的黏土。該類黏土礦物成分中，伊利石含量為40%～49%，高嶺石含量為4%～12%，自由膨脹率為42.5%，具有弱膨脹性。邊坡黏土初期呈堅硬狀態，但裂隙發育。遇水作用時，土體強度折損顯著，邊坡出現不同程度變形破壞現象。由于裂隙的存在大幅度減小了土體強度，降低了邊坡穩定性，是邊坡失穩破壞的主要原因，為了加強研究對象認識，研究人員將皖江區域特有特性的該類土命名為裂紋黏土。

由于對裂紋黏土力學、水理、膨脹等工程特性缺乏深入認識，邊坡破壞機制和破壞模式分析不明，常常按弱膨脹土進行處理，未能引起足夠重視，導致工程建設變更較多，成本加大。本文在易順明、劉華強、徐彬、馬佳、唐朝生等人研究的基礎上，通過干濕循環裂隙演化試驗，對裂紋黏土的發展規律進行研究，借此為皖江地區公路路塹邊坡治理提供參考。

1 干濕循環裂隙演化試驗

皖江某高速公路邊坡高9.5 m，邊坡剛施工開挖至坡頂以下3 m時揭露灰白色裂紋黏土層，3個月后，坡面產生張拉裂縫，裂縫長度約5 m，深度為15～35 cm，現場隨即停止繼續向下開挖，并對邊坡坡腳采用擋墻加固處理。在施工擋墻基礎過程中，邊坡發生整體垮塌，局部邊坡滑塌深度3～4 m，滑坡長度約150 m。

1.1 試驗結果

試驗取上述邊坡裂紋土，在風干條件下進行，設置了5次干濕循環，采用圖像矢量化及IPP專業圖像處理技術，得到試樣面積S、裂隙面積率I、裂隙條數N、裂隙總長度L等度量參數，分析裂隙的演化程度。

本次試驗共得圖片1 256張，選取代表性圖片100張進行處理，如圖1所示，結果見表1。

圖1 試件干濕循環裂隙演化過程

表1 收縮縫產生階段所得參數

1.2 試驗分析

1.2.1 體縮階段

在第一次脫濕過程中，由上表可見含水率不斷降低，試樣出現了體縮現象，但未有裂隙產生，選取試樣整體為研究對象，測量其在過程中面積隨時間、含水率的變化。拍攝、稱重時間間隔分別20 min、1 h，第一次脫濕過程歷時96 h，以2 h間隔取對應的試樣面積S及試樣質量m。濕度、溫度基本保持，水分蒸發，試樣產生收縮，試樣面積S隨時間變化而逐漸減小。前20 h，土體表面水分蒸發較快，試樣面積陡降。隨含水量減小，土體基質吸力增大，使存在于土體表面及內部的微孔隙閉合，試樣水分蒸發路徑受阻，因此，后80 h內試樣面積減小較慢，直至穩定不變。同時試樣含水量達到縮限時，結構處于最密實的狀態，土顆粒相互接觸，體積和孔隙不再隨含水量減小而變化，試樣表面不再收縮。試樣面積脫濕穩定后面積減小約5.73%。試樣初始狀態，含水率較高，黏土顆粒外包裹一層水化膜，使顆粒之間存在間距。脫濕過程中，水分逐漸被蒸發，水化膜變薄，在基質吸力作用下，土顆粒重新排列而逐漸靠攏，孔隙不斷減小，宏觀上表現為試樣的整體收縮。

1.2.2 裂隙產生階段

第一次脫濕結束后，添水至試樣含水率初始狀態，然后記錄試樣表面變化過程。第一次加水后，試樣部分邊緣由于存在收縮縫，形成側向臨空面，水的浸入一方面致使土體沿邊緣產生崩解，另一方面引起土體膨脹，試樣邊緣的微小收縮縫閉合。

此外，含水量的增加使土體基質吸力逐漸減小，此前因土體干縮而儲備的拉應力勢能逐漸釋放，使試樣整體性變差，內部產生結構破壞面。當水分再次開始蒸發時，試樣再次收縮，土體將沿內部結構破壞面產生張拉裂隙，由于試樣邊緣特殊的應力條件，裂隙將向試樣邊緣處發育。邊緣裂隙形成后，水分蒸發通道增加，裂隙將進一步發展，成為試樣表面的優勢裂隙。隨著干濕循環次數的增加，裂隙反復開合，試樣整體性進一步被破壞，土體表面的裂隙條數、裂隙面積、裂隙長度逐步增加，裂隙的貫通度也逐漸增大。裂隙圖片矢量化后，采用IPP圖像處理技術提取相關參數，得到試樣在每次干濕循環過程中裂隙面積率I隨含水率的變化關系圖(圖2)。

圖2 干濕循環過程中裂隙面積率隨含水率變化曲線

2 不同正應力條件下的應力-應變關系曲線

上述試驗結束后，用小環刀(61.8 mm×20 mm)取出試樣開展快剪試驗，得其應力應變關系曲線。

直剪試驗分別按四種正應力梯度進行，分別設置為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，獲取不同正應力下的土樣應力-應變關系曲線，如圖6所示。

圖3 不同正應力應力-應變曲線

由圖3分析可得，不同正應力下試樣的應力-應變關系曲線均包含3個變化階段：①剪應力緩增階段。該階段應力-應變關系曲線緩傾，剪應力增長幅度較小，此時土體主要表現為側向壓縮，抗剪強度未得到充分發揮；②剪應力陡增階段。該階段應力-應變關系曲線陡傾，剪應力隨剪切位移的增加而快速增大，此時土體側向壓縮基本結束，上剪切盒的土樣開始產生滑移，剪切面的強度逐步得到發揮，最后達到峰值抗剪強度。應力-應變關系曲線在該階段并非線性增長，表現出土體典型的塑性變形特征；③剪應力減小階段。該階段剪應力隨剪切位移的增加而緩慢減小，試樣的破壞呈現出塑性破壞的特征。

灰白色裂紋土的破壞包絡線如圖4所示，可得總應力抗剪強度參數：c=34.86 kPa、φ=16.97°。

圖4 灰白色土樣的破壞包絡線

3 結 論

(1)研究對象在首次脫濕過程中只產生體積收縮，不產生裂隙，這與土體的初始含水率狀態及試樣尺寸有關。

(2)裂隙在單次干濕循環的過程中會逐步發育，主要體現在裂隙面積率及裂隙總長度的增加，但隨著土體拉應力勢能的釋放，裂隙發育到一定程度后便會停止。

(3)裂隙面積率、裂隙的平均寬度及裂隙的總長度隨干濕循環次數的增加呈現先增加后趨于定值的趨勢，研究對象的穩定含水率隨干濕循環次數的增加而減小，裂隙條數隨干濕循環次數增加而線性增加。

(4)快剪試驗所得的總應力抗剪強度參數為c=34.86 kPa、φ=16.97°，可供該類邊坡穩定計算參數提供選取參考。