干濕循環對路基邊坡土體力學特性的影響

馬江平

（張家口路緣公路工程有限責任公司，河北 張家口 075000）

路基邊坡土體常年經歷蒸發降雨、地下水位升降等引起的干濕循環，其內部結構發生變化，導致土體物理性質劣化。大部分時期路基邊坡土體處于非飽和土狀態，具有一定承載力。一旦經歷強降雨，邊坡土體充分浸水，在干濕循環的劣化作用及水的潤滑作用下，路基邊坡極有可能發生淺層滑塌。因此，研究干濕循環作用后飽和狀態的路基邊坡土體的力學特性具有重要理論和工程意義，可為公路路基邊坡穩定性評價提供參考。

一、試驗材料及試驗方案

（一）土樣制備

試驗土樣取某公路路基施工場地，原始土樣經碾碎烘干過2mm篩，依據《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）[1]開展室內基礎試驗測試其基本物理性質，物理性質指標如表1所示。根據其塑性指數可判斷為粉質黏土。依據土體最優含水率與最大干密度，采用95%的壓實度完成土料配置與試件制作，試件尺寸為直徑61.8mm、高20mm。

表1 土樣的物理性質指標

（二）試驗方案

干濕循環試驗方案如下：干燥過程，將制備完成的試件放在103℃（±5℃）的烘箱中，干燥至含水率為0；補水過程，將試樣裝入飽和器中抽真空2h，之后浸水10h使試樣充分飽和，以期模擬最極端氣候情況；完成上述兩步即為一個完整的干濕循環，試驗設計分為0、1、3、5、9、15次6個干濕循環等級。干濕循環完成后，將試件飽和處理后做直剪試驗。直剪試驗采用豎向壓力：50kPa、100kPa和150kPa；加載速率設置：0.8mm/min。

二、試驗結果整理分析

（一）剪應力-剪應變關系曲線特征

各干濕循環次數下飽和路基土直剪試驗的剪應力-剪應變關系曲線如圖1所示。由圖可見，干濕循環次數對剪應力-剪應變曲線形態影響并不明顯，主要引起剪應力降低，未經歷干濕循環的試件其剪應力明顯高于經歷干濕循環的試件，隨著干濕循環次數增加剪應力降低愈加不明顯。在干濕循環的過程中，經水流對土體的沖刷作用，造成細顆粒流失，土體骨架結構受損。干濕循環初期沖刷作用明顯，土體骨架結構受損顯著，剪應力降低明顯，后期骨架結構逐漸穩定，剪應力降低趨勢趨于平緩。

圖1 不同干濕循環條件下剪應力-剪應變關系曲線

（二）抗剪強度及其指標變化特征

《土工試驗方法標準》（GBT 50123-2019）中規定了直剪試驗抗剪強度取值標準：對于存在明顯峰值點的剪應力-剪切位移曲線，抗剪強度取峰值點處剪應力；對于沒有明顯峰值點的剪應力-剪切位移曲線，抗剪強度取剪切位移?L=4mm（剪應變ε=0.065）處對應剪應力。抗剪強度隨干濕循環變化曲線如圖2所示。隨著干濕循環次數增加，抗剪強度逐漸減小并趨于穩定。干濕循環前期結構劣化嚴重，后期骨架結構穩定，并隨干濕循環次數的增加劣化逐漸趨于穩定。

圖2 抗剪強度與干濕循環次數關系曲線

不同干濕循環次數條件下，對抗剪強度與豎向壓力做線性擬合，如圖3所示。根據庫倫定律得到抗剪強度指標黏聚力c和內摩擦角φ，二者受干濕循環影響的關系曲線如圖4所示。受干濕循環影響，黏聚力逐漸減小并趨于穩定，內摩擦角基本保持不變。干濕循環過程中土樣的吸附結合水不斷經歷形成-失去。補水過程中，自由水中的氫氧團會破壞吸附結合水表層不穩定的范德華力和氫鍵，使黏土表面的正、負電荷趨于平衡，降低土粒的電勢能，導致吸附結合水含量減少。因此飽和土中，失去的弱結合水由不具有固相性的自由水代替，土粒之間的吸引力變差，導致黏聚力變弱。

圖3 抗剪強度與豎向應力關系曲線

圖4 抗剪強度指標與干濕循環次數關系曲線

三、鄧肯-張模型的應用

鄧肯-張雙曲線模型因其概念清晰，簡單易于理解，且能較好地反映土體的非線性形態，在巖土工程中應用非常廣泛。鄧肯-張模型最初是用于土體三軸試驗應力-應變關系的擬合，以Clough和Duncan為代表的部分學者嘗試將該模型運用在直剪試驗上，發現土和混凝土接觸面處的剪應力和相對剪切位移也符合雙曲線關系[3]。因此，利用鄧肯-張雙曲線模型分析路基邊坡飽和土體在豎向壓力σn=150kPa時的剪應力-應變關系。

三軸試驗中根據應力-應變關系得到的雙曲線函數，推廣至直剪試驗，則不同法向壓力下剪應力與剪應變間關系可以表示為：

式中：τ為剪應力；ε為剪應變；Esi為初始切線剪切模量；τult為應變趨于無窮大時的極限剪應力。

初始切線剪切模量Esi與法向應力σn也存在如下關系，根據直剪試驗結果，對lg(Esi/pa)和lg(σn/pa)做線性擬合即可得到參數k、n的值。

式中：k為剪切模量系數；n為剪切模量指數系數；pa為標準大氣壓值，取101.4kPa。

定義破壞比Rf，表達式為

式中：τf為破壞剪應力，取剪切位移?L=4mm（剪應變ε=0.065）對應的剪應力；τult為極限剪應力，取剪切位移?L=6mm（剪應變ε=0.097）對應的剪應力。

依據上述公式可得到豎向壓力σn=150kPa時不同干濕循環次數條件下k、n、c、φ、Rf等參數的具體值，如表2所示，根據Mohr-Coulomb強度準則，并結合式(1)式(2)可得到切線模量計算公式如下：

表2 不同凍干濕循環次數條件下鄧肯-張雙曲線模型參數

通過上述鄧肯-張模型公式模擬應力-應變曲線對比相同試驗條件下測得的應力-應變曲線，結果如圖5所示，二者變形特性基本一致，說明鄧肯-張模型運用到飽和土直剪試驗的剪應力-剪應變分析具有可行性。但由于雙曲線函數關系的限制性，對于豎向壓力較小、剪應力-剪應變呈現軟化性破壞的土體模型并不適用，存在一定缺憾。

圖5 剪應力-剪應變關系曲線實測值與模型擬合曲線對比

四、結語

豎向壓力對剪應力-剪應變關系曲線影響顯著，豎向壓力越大剪應力-剪應變關系曲線越趨向于應變硬化型破壞；干濕循環會引起抗剪強度劣化，前期劣化顯著，隨著干濕循環次數的增加劣化趨于穩定；干濕循環的劣化作用，主要表現在對于黏聚力的劣化，經歷干濕循環的飽和土內部結合水含量減少，黏聚力降低；利用鄧肯-張雙曲線模型對豎向壓力σn=150kPa時的剪應力-應變關系做數據擬合，擬合效果良好，對于剪應力-剪應變關系滿足雙曲線函數關系的直剪試驗，鄧肯-張雙曲線模型具有適用性。