干濕循環(huán)作用下膨脹巖力學(xué)性質(zhì)及岸坡穩(wěn)定性分析

王啟凡，安琳琳，蔣曉艷，劉菲菲

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司常州分公司，213000；2.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 徐州 221000；3.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

巖土體干濕循環(huán)是導(dǎo)致巖土體工程力學(xué)特性發(fā)生變化的一個(gè)重要因素。一般情況下，隨著巖土體干濕循環(huán)次數(shù)的增多，巖土體力學(xué)參數(shù)將不斷發(fā)生劣化，從而對邊坡工程的安全帶來不利影響。因此，研究巖土體干濕循環(huán)作用下的力學(xué)變化特性是非常必要的，可為邊坡工程穩(wěn)定性分析提供參考。

目前，有較多的專家、學(xué)者對巖土體干濕循環(huán)進(jìn)行了較為深入的研究，取得了豐碩的成果。根據(jù)前人研究成果可以得知，干濕循環(huán)不但可以造成巖土體在微觀層面上發(fā)生變化，在宏觀層面上也將對巖土體的強(qiáng)度參數(shù)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等不利現(xiàn)象[1-4]。

通過對膨脹土進(jìn)行干濕循環(huán)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究不同圍壓條件下膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化情況，分析干濕循環(huán)作用對膨脹土強(qiáng)度變化的影響，采用FLAC有限元數(shù)數(shù)值模擬方法對干濕循環(huán)作用下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性變化進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料通過在膨脹土邊坡現(xiàn)場人工采集的方式獲得。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采用恒溫恒濕箱體提供干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以模擬試樣在自然環(huán)境中的干濕變化過程。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬邊坡所在區(qū)域的實(shí)際環(huán)境條件，干濕循環(huán)分別進(jìn)行1、2、4、6、8次循環(huán)。具體的實(shí)驗(yàn)步驟已有較多人進(jìn)行了詳細(xì)的論述，此處不再贅述[5-7]。

將未進(jìn)行處理的樣品、進(jìn)行干濕循環(huán)的樣品進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)。圍壓分別設(shè)置為50、100、200、300kPa。在不同圍壓條件下實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行固結(jié)，并保持圍壓不變的條件下進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)。

2 干濕循環(huán)作用下膨脹土力學(xué)特性研究

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

繪制不同實(shí)驗(yàn)條件下，試樣最大、最小主應(yīng)力之差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得知，未經(jīng)處理的試樣應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線呈穩(wěn)定變化過程，應(yīng)變軟化現(xiàn)象并不顯著。在剪切試驗(yàn)的初期階段，試樣的剪應(yīng)力增速明顯，試樣內(nèi)部剪應(yīng)力迅速增大；隨著試樣應(yīng)變不斷增大，試樣的剪應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。利用恒溫恒濕箱進(jìn)行干濕循環(huán)后，試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)變軟化情況，隨著試驗(yàn)圍壓的增大，應(yīng)變軟化現(xiàn)象逐漸減弱。干濕循環(huán)次數(shù)的增多將導(dǎo)致試樣抗剪能力降低。

圖1 偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)數(shù)據(jù)擬合分析，干濕循環(huán)次數(shù)與巖土體偏應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖2所示，從圖中數(shù)據(jù)可以得知：y=-40.02ln(x)+268.21，其中x為循環(huán)系數(shù)，y為巖土體的偏應(yīng)力。

圖2 偏應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線(σ=50kPa)

圖3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

2.2 抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度參數(shù)是巖土體的力學(xué)參數(shù)之一，對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。因此，分析抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化特性與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系是非常必要的。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，基于摩爾-庫倫準(zhǔn)則獲取巖土體強(qiáng)度參數(shù)同干濕循環(huán)試驗(yàn)的關(guān)系。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的內(nèi)摩擦角具有下降趨勢，但是隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，內(nèi)摩擦角參數(shù)下降速率不斷降低。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在首次干濕循環(huán)后，巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)下降最為嚴(yán)重，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到6次時(shí)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，巖土體內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系如下：y=-8.144ln(x)+53.3330(R2=0.9038)；巖土體內(nèi)聚力與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系為：y=0.3825ln(x)+25.545(R2=0.9082)。出現(xiàn)上述變化的主要原因如下：在干濕循環(huán)作用下，巖土體顆粒間的膠結(jié)程度出現(xiàn)破壞，導(dǎo)致巖土體的內(nèi)聚力受到較大的影響，出現(xiàn)強(qiáng)度衰減，與初始內(nèi)聚力相比，8次循環(huán)后內(nèi)聚力衰減約40%；而在干濕循環(huán)影響下，巖土體顆粒間的孔隙減小，摩擦力增大，從而導(dǎo)致巖土體的內(nèi)摩擦角增大，與初始內(nèi)摩擦角相比，增大約7.6%。

3 邊坡穩(wěn)定性研究

邊坡穩(wěn)定性巖土工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題之一。除邊坡自身破壞導(dǎo)致的不良影響外，邊坡破壞亦將對周邊擬建物帶來不利影響。

數(shù)值模擬方法是巖土工程中常用的研究方法，通過建立數(shù)值模擬模型，可以分析邊坡的變形破壞機(jī)制，計(jì)算速度快、結(jié)果準(zhǔn)確，在諸多工程中得到了使用，取得了良好的成果。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，邊坡土體主要為膨脹土，結(jié)合前述巖土體干濕循環(huán)作用下的力學(xué)特性，分析不同干濕循環(huán)次數(shù)下，邊坡的穩(wěn)定性情況，為下一步工作提供參考。

3.1 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

邊坡數(shù)值模擬采用FLAC 3D計(jì)算軟件[8-10]，選取邊坡最不利斷面進(jìn)行分析計(jì)算。數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)采用干濕循環(huán)試驗(yàn)成果，如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算模型

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 穩(wěn)定性系數(shù)分析

根據(jù)不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下邊坡的穩(wěn)定性情況，繪制穩(wěn)定性系數(shù)和干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，由下圖可以得知，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小。表明干濕循環(huán)導(dǎo)致邊坡巖土體力學(xué)特性發(fā)生劣化，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降，如圖5所示。

圖5 循環(huán)試驗(yàn)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化

3.2.2 變形破壞特征分析

針對試驗(yàn)進(jìn)行8次后的邊坡變形云圖，分析斜坡的變形響應(yīng)機(jī)制。

進(jìn)行干濕循環(huán)條件時(shí)，邊坡穩(wěn)定性整體處于相對較好的水平，邊坡穩(wěn)定性變化較小且變形小于2cm，如圖6所示。

圖6 干濕循環(huán)變形云圖

4 結(jié)語

(1)未進(jìn)行干濕循環(huán)試樣的應(yīng)力—應(yīng)變?yōu)榉€(wěn)定性或軟化型，干濕循環(huán)后試樣呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特性。隨循環(huán)次數(shù)增加，軟化效果越明顯。

(2)通過干濕循環(huán)的進(jìn)行，巖土體強(qiáng)度變化速率呈現(xiàn)較為明顯的減慢現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明在進(jìn)行第6次循環(huán)后，巖土體強(qiáng)度變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)通過數(shù)值模擬分析巖土體干濕循環(huán)次數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響結(jié)果可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增大，邊坡穩(wěn)定性降低，變形影響范圍增大。在工程實(shí)踐中不可忽略巖土體干濕循環(huán)作用對邊坡的影響，尤其是涉水工程、干濕循環(huán)作用強(qiáng)烈的工程。