凍融循環(huán)對高速公路路基邊坡穩(wěn)定性影響研究

摘要：為研究凍融循環(huán)對高速公路路基邊坡穩(wěn)定性影響，依托實(shí)際工程，通過對土體塑液液限、含水率進(jìn)行試驗(yàn)檢測，得出隨著凍融循環(huán)時間增加，土體的塑性系數(shù)和液限穩(wěn)步提升，塑限維持穩(wěn)定。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，含水率逐漸降低，碎石粘土含水率不受凍融循環(huán)影響。通過UC剪切試驗(yàn)得出，凍融循環(huán)作用破壞了土體自身的結(jié)構(gòu)平衡，降低了土體安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞：路基工程；邊坡穩(wěn)定；凍融循環(huán)；碎石粘土

0" "引言

近年來，高速公路建設(shè)開始從中部向北部地區(qū)轉(zhuǎn)移，然而我國北部地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)，在凍土區(qū)建修路基、削坡減載等工程會使土體遭受凍融作用影響。我國季凍區(qū)深大于50cm的地方約占了全國土地面積的46.3%，這部分地方對工程環(huán)境危害較大，再加上近年來氣候變暖造成部分地區(qū)多年凍土退化，導(dǎo)致季節(jié)性凍土分布區(qū)不斷增加。同時凍融效應(yīng)也會使道路邊坡抗剪強(qiáng)度下降，從而造成塌方等地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)[1-2]。

本文依托某高速公路工程，選擇該地碎石粘土作為實(shí)驗(yàn)材料，對土樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，采用常規(guī)土力學(xué)試驗(yàn)對經(jīng)歷凍融作用的土體進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。通過研究土體各輪每次改變剪切強(qiáng)度參數(shù)后的循環(huán)次數(shù)，對相應(yīng)條件下的邊坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，分析其穩(wěn)定性條件，總結(jié)混凝土體凍融時對物理力學(xué)特性所產(chǎn)生的影響。采用有限元軟件，用ABAQUS和Bishop算法得到理論安全系數(shù)，將其進(jìn)行比較，得出凍融循環(huán)次數(shù)對邊坡安全性的影響，可為研究該地區(qū)的凍融滑坡機(jī)理提供參考。

1" "工程概況

某公路工程所在區(qū)域溫度酷熱干燥，晝夜溫度很大，夏季高溫多雨，冬天嚴(yán)寒干燥，年均最低氣溫在1月份，年均約為-12℃，其最大凍土分布期從11月至次年3月，最大凍土分布深度達(dá)到1m。該區(qū)域的地形類型大多為剝蝕地貌，大部分受風(fēng)化剝蝕和地表水的腐蝕影響，溝谷呈現(xiàn)“V”型或“U”型。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，該區(qū)域沒有凍融作用的新鮮粘土，取土深為3～4m。用刻槽法慢慢挖開土樣周圍的土樣，將其切成尺寸約為30cm×30cm×30cm的立方體完整土樣，標(biāo)明土樣的上下方向。將出土的土樣從輕輕放在棉被中取出后放到安全地方，并進(jìn)行密封包裝，貼上標(biāo)簽，并用膠帶覆蓋以防水分流失。通過對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)氣候進(jìn)行檢測，經(jīng)研究決定采用如表1的路面結(jié)構(gòu)。

2" "實(shí)驗(yàn)研究

2.1" " 凍融循環(huán)作用對土物理力學(xué)性質(zhì)的影響

2.1.1" "土的液塑限

土的液塑限是碎石粘土重要技術(shù)指標(biāo)之一。本文液、塑限聯(lián)合測定法，對經(jīng)過0、1、10、20次凍融后土樣進(jìn)行液限、塑限和塑性指數(shù)的檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表2及圖1所示。

由表2及圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，土體的塑性系數(shù)和液限穩(wěn)步提升，塑限維持穩(wěn)定。塑性指數(shù)是評價顆粒中粘粒含量的重要指標(biāo)，塑性指數(shù)越大，說明顆粒中粘粒含量越多。隨著凍融次數(shù)增加，塑性指數(shù)上升趨勢隨之減小。由此說明，在反復(fù)凍融作用過程中，凍脹作用對土體結(jié)構(gòu)的破壞程度逐漸降低。

2.1.2" "含水率

含水率是粘土的重要物性特征之一，是出現(xiàn)凍脹、融沉和強(qiáng)度劣化等特性的基礎(chǔ)[3]。經(jīng)過凍融循環(huán)試驗(yàn)之后的含水率如表3所示。依照表3測得的數(shù)據(jù)，得到含水率與凍融次數(shù)的關(guān)系見圖2。

由圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，含水率逐漸降低，超過15次循環(huán)之后，其仍在下降但下降幅度小。分析認(rèn)為，由于凍融循環(huán)次數(shù)增加的同時，凍融時間持續(xù)增加，樣土中水分隨著凍融而被蒸發(fā)，故含水率降低出現(xiàn)在凍融循環(huán)之后。檢查凍融循環(huán)過后試樣塑料薄膜，可觀察到塑料薄膜上有水珠形成，土樣含水率也會受小滴影響略微下降。含水率在整個凍融循環(huán)期間沒有太大變化，在密封情況下碎石粘土含水率不受凍融循環(huán)影響。

2.2" " 凍融作用下碎石粘土力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究

為了探索凍融循環(huán)次數(shù)對土體抗剪強(qiáng)度影響，對0次、1次、10次、20次凍融循環(huán)下碎石粘土進(jìn)行不排水三軸剪切試驗(yàn)（UU試驗(yàn)）。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）[4]，選取和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，得到在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用下，4組試件應(yīng)力應(yīng)變曲線特征曲線如圖3所示。

由圖3可以得知，隨著圍壓厚度和軸向變形的增加，各組松鋪厚度與凍融循環(huán)次數(shù)所對應(yīng)的偏應(yīng)力值也逐漸提高。在1%～2%的應(yīng)變范圍內(nèi)，土體呈現(xiàn)彈性形變，此時偏應(yīng)力變化幅度較大。在超過2%的應(yīng)變范圍之后，土體整體開始硬化，在此過程中土體主要變現(xiàn)為塑性形變，偏應(yīng)力增長逐漸變緩。這是因?yàn)樵谑芰Τ跗?，對土顆粒間較大縫隙進(jìn)行急速擠壓，在顆粒與顆粒緊密接觸之后，咬合力隨之變大，導(dǎo)致偏應(yīng)力變化幅度先增大再減小。隨著新設(shè)圍壓的增加，曲線長度斜率變陡。這是因?yàn)槠珣?yīng)力攀升的速率越來越大，使得土的彈性模量在增大。

2.3" " 在凍融循環(huán)作用下土體邊坡穩(wěn)定性分析

為研究凍融作用下土體邊坡穩(wěn)定性，本文以取土區(qū)為原型進(jìn)行模擬，通過對當(dāng)?shù)貧夂颉⒌刭|(zhì)，車轍荷載等環(huán)境進(jìn)行考察，根據(jù)當(dāng)?shù)靥卣鹘⒛Ｐ?。在進(jìn)行模擬時，為獲得更加精確的計(jì)算結(jié)果，需選取合理建模方法。本文采取CU剪切試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，以抗剪強(qiáng)度作為平均指標(biāo)。邊坡材料參數(shù)如表4所示，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

經(jīng)過分析數(shù)值模擬及位移云圖的結(jié)果可以得出，在0、1、10、20次凍融循環(huán)下安全系數(shù)分別為 3.27、3.23、3.26、3.22。變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知：伴隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，邊坡安全系數(shù)在0～1時逐漸降低；在1～10時邊坡整體安全系數(shù)在升高，但并沒有超過0次循環(huán)次數(shù)；10～20次凍融循環(huán)時土坡整體安全系數(shù)再次下降，并達(dá)到最低值3.22。

由此說明，在進(jìn)行凍融循環(huán)之前，邊坡整體處于穩(wěn)定平穩(wěn)狀態(tài)。隨著凍融次數(shù)逐漸增加，邊坡的安全系數(shù)明顯降低，但下降程度不會導(dǎo)致滑坡現(xiàn)象。通過模擬結(jié)果可得出，凍融循環(huán)作用破壞土體自身的結(jié)構(gòu)平衡，導(dǎo)致邊坡內(nèi)應(yīng)力分配規(guī)律和原有平衡被打破，使土體的粘聚力減少，土體及表層結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，從而使安全系數(shù)降低。

4" "結(jié)語

本文以該公路工程項(xiàng)目為依托，總結(jié)了混凝土體凍融時對物理力學(xué)特性所產(chǎn)生的影響，并分析了凍融循環(huán)次數(shù)對邊坡安全性的影響，得出以下結(jié)論：

土體正常情況下，通過對土體進(jìn)行相同次數(shù)凍融循環(huán)，孔隙率與含水率之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系，含水率增加空隙率隨著增加。含水率較小時，凍融循環(huán)次數(shù)增加，孔隙率呈現(xiàn)上升現(xiàn)象。含水率相同時，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，干容重呈現(xiàn)出減小趨勢。在凍融循環(huán)次數(shù)相同下，液限一直逐漸上升趨勢，塑性指數(shù)增加幅度逐漸減小而塑限基本穩(wěn)定。

隨著圍壓和軸向變形的增大，偏應(yīng)力值也隨之增加。在1%～2%的應(yīng)變范圍內(nèi)，土體呈現(xiàn)彈性形變，此時偏應(yīng)力變化幅度較大。在超過2%的應(yīng)變范圍之后，土體整體開始硬化，在此過程中土體主要變現(xiàn)為塑性形變，偏應(yīng)力增長逐漸變緩。

凍融循環(huán)過程中，邊坡整體穩(wěn)定性在凍融作用影響下會產(chǎn)生不同變化，同時其還會受到土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化的影響。這充分證明凍融循環(huán)作用可有效降低土體邊坡穩(wěn)定性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唐建鋒，楊藝，莫俊杰.凍融循環(huán)下改性瀝青混合料的孔隙結(jié)"構(gòu)研究[J].公路， 2022，67（6）：42-45.

[2] 趙軍林.凍融循環(huán)作用下瀝青混合料低溫性能及力學(xué)特性研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)， 2021.

[3] 張?jiān)讫?，劉琳，王靜，等.凍融循環(huán)對高含水率路基邊坡穩(wěn)定性影響分析[J].四川水泥， 2018（8）：43.

[4] 林卓棟.西藏那曲多年凍土區(qū)公路邊坡凍融穩(wěn)定性及影響因素研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2020.