黃土邊坡開挖后強度變化規(guī)律研究

劉 強，謝婉麗，溫篤武

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點試驗室，陜西 西安710069)

黃土邊坡開挖后強度變化規(guī)律研究

劉 強，謝婉麗，溫篤武

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點試驗室，陜西 西安710069)

在室內(nèi)對52個原狀土樣進行卸荷條件下的直剪試驗，測定不同先期固結(jié)壓力下卸荷土體在不同滯留時間的抗剪強度值，試驗結(jié)果表明:不同先期固結(jié)壓力下原狀土體卸荷后，在相同的卸荷滯留時間下卸荷后土體的抗剪強度隨著先期固結(jié)壓力的增大而增大;當(dāng)先期固結(jié)壓力為200 KPa時，土體的抗剪強度是隨著滯留時間的增加而減小的，在卸荷5～7 d后強度就不再明顯下降。利用試驗結(jié)果以某高速公路高邊坡為研究對象進行了穩(wěn)定性分析。

黃土;開挖;卸荷;強度;穩(wěn)定性

目前，隨著我國高速公路和高速鐵路的長足發(fā)展，黃土地區(qū)的邊坡工程愈來愈多;黃土邊坡工程的穩(wěn)定性多根據(jù)自然邊坡的各項強度指標(biāo)評價，但在工程實際中，邊坡大都需要開挖卸荷，一般的公路挖方邊坡卸荷荷載量級極小，路面在挖方后僅產(chǎn)生小變形;高邊坡的挖方量大，邊坡卸荷荷載量級也較大，從而影響邊坡體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)及其穩(wěn)定性。因此，挖方卸荷對邊坡穩(wěn)定性計算和工程施工的影響有必要深入探討。

對于卸荷問題，國內(nèi)外許多學(xué)者主要對軟土和巖體的卸荷問題進行了研究。Swanson等(1971)，Crouch(1972)利用常規(guī)三軸儀分別研究了卸圍壓對巖石強度的影響，他們認(rèn)為應(yīng)力路徑對巖石強度沒有影響。陳永福，曹名葆(1990)通過側(cè)限試驗和三軸試驗研究了對于卸荷－再加荷作用下土體的抗剪強度，分析了上海軟土在卸荷－再加荷時的變形特性;程相華(2000)從理論及試驗兩方面研究了卸荷土體抗剪強度的問題，分析了土體卸荷與加荷兩種受力狀態(tài)下的不同強度特征，建議以加卸荷強度路徑試驗曲線為依據(jù)進行卸荷計算;孟凡麗，樊良本，姚君等(2003)通過大量的室內(nèi)模擬試驗，對卸荷狀態(tài)下的軟粘土的抗剪強度進行研究，得到了不同先期固結(jié)壓力下卸荷土體的應(yīng)力關(guān)系曲線，并與加荷狀態(tài)的土體進行比較，得到了卸荷土體抗剪強度變化的一般規(guī)律;同時研究了卸荷土體的抗剪強度與卸荷比的關(guān)系、卸荷后滯留時間對卸荷土體抗剪強度的影響程度，發(fā)現(xiàn)卸荷土體的抗剪強度受卸荷比和卸荷后的滯留時間的影響很大。但是，對于黃土的卸荷強度和回彈變形的研究，在國內(nèi)外進行的并不廣泛，因此更有必要加強對其強度和回彈變形特性的研究，為黃土在卸荷作用下的強度和變形計算提供理論依據(jù)。本文將對黃土邊坡卸荷后剪切強度和穩(wěn)定性變化情況進行研究。

該研究內(nèi)容是黃土地區(qū)高速公路建設(shè)中亟待解決的關(guān)鍵問題，因此具有很強的工程應(yīng)用背景和工程實用價值，其研究成果不僅對公路工程具有很強的針對性和適用性，對其它類似工程也具有很強的參考價值。

1 室內(nèi)模擬試驗

黃土卸荷狀態(tài)下的土體的抗剪強度的研究主要通過室內(nèi)直剪試驗?zāi)M邊坡開挖等工程的土體卸荷過程，卸荷土體剪切破壞的室內(nèi)模擬試驗路徑和條件定為:預(yù)壓—卸荷—快剪。通過測定土體卸荷前后的抗剪強度指標(biāo)，研究黃土在卸荷應(yīng)力路徑下工程性狀以及卸荷狀態(tài)下土體抗剪強度的變化規(guī)律。

1.1 實驗方案

1.1.1 實驗內(nèi)容

試驗采用52個原狀樣，進行固結(jié)不排水快剪試驗，并同時對進行常規(guī)的物理力學(xué)試驗。

1.1.2 實驗步驟

①取4個原狀樣，進行不固結(jié)快剪試驗，測定原狀土樣的值;

②取16個原狀樣，每4個為一組分別施加50 KPa、100 KPa、200 KPa、300 KPa的先期軸向固結(jié)壓力，固結(jié)穩(wěn)定后，全部卸荷，卸荷后立即進行快剪，以得到土體在原始狀態(tài)下的值;另取16個原狀樣，按上述方法進行固結(jié)，但在卸荷24 h后，相同先期固結(jié)壓力下的每組試樣分別進行快剪，測定值，獲得不同先期固結(jié)壓力下卸荷土體的抗剪強度值對比;

③取剩余的16個原狀樣施加200 KPa的軸向先期固結(jié)壓力，固結(jié)穩(wěn)定后，全部卸荷，分別在 48、72、120、168 h后，取其中的四個樣進行快剪，測定值，獲得卸荷土體在卸荷后不同滯留時間的抗剪強度的變化規(guī)律。

1.2 實驗結(jié)果分析

(1)實驗測得原狀黃土的物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

(2)不同先期固結(jié)壓力(50 KPa、100 KPa、200 KPa、300 KPa)下原狀樣快速卸荷后的土體抗剪強度變化規(guī)律，見圖1和2:

表1 黃土的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 卸荷時間為0h時σ－τ關(guān)系曲線

圖2 卸荷時間為24h時σ－τ關(guān)系曲線

通過圖1和圖2可以看出，不同先期固結(jié)壓力(50 KPa、100 KPa、200 KPa、300 KPa)下的原狀土體卸荷后的強度和先期固結(jié)壓力的大小有著密切的關(guān)系，相同的卸荷滯留時間下隨著先期固結(jié)壓力的增大，土體卸荷后的抗剪強度也增大。

3)相同先期固結(jié)壓力為200 KPa時卸荷后不同滯留時間的土體抗剪強度變化規(guī)律，見圖3和表2和表3。

表2 先期固結(jié)壓力為200KPa卸荷后不同滯留時間直剪試驗結(jié)果統(tǒng)計表

表3 土樣的抗剪強度指標(biāo)

從表2、圖3中可以看出，先期固結(jié)壓力為200 KPa時，土體的抗剪強度是隨著滯留時間的增加而減小的，但是這種減小的變化率也是逐漸減小的，在卸荷5～7天以后強度就不再明顯降低，也就是說在這以后卸荷滯留時間對土樣的抗剪強度的影響不大，這說明土體在卸荷過程中抗剪強度的損失主要集中在卸荷的初期。由表3可以看出在這一過程中，粘聚力C明顯減小，而內(nèi)摩擦角φ的變化不大，所以卸荷土體的強度減小主要是由于粘聚力C的減小造成的。

圖3 不同滯留時間的σ－τ關(guān)系曲線

2 應(yīng)用實例

本節(jié)以某公路邊坡DK5+100處的黃土邊坡為研究對象(圖3－1)，通過野外實地勘察，該邊坡上部為Q3黃土，厚約17 m，下部為Q2黃土，厚約40 m;通過室內(nèi)試驗，獲得該邊坡土體在不同滯留時間下的抗剪強度指標(biāo)見表2－3。選用理正巖土系列軟件程序的邊坡穩(wěn)定分析模塊，采用瑞典條分法對該邊坡在不同放坡比(放坡1:0.5和1:0.75)情況下、不同滯留時間下(邊坡開挖后分別滯留 0、24、48、72、120、168小時后)卸荷邊坡的穩(wěn)定性進行模擬計算分析，結(jié)合室內(nèi)物理指標(biāo)及抗剪強度指標(biāo)測試數(shù)據(jù)，計算結(jié)果見表4和表5，不同滯留時間卸荷邊坡的穩(wěn)定性對比見圖5。

圖4 斷面K5+100及開挖圖

表4 不同滯留時間卸荷邊坡的穩(wěn)定性變化對比

從表4、5，圖5可以看出，卸荷后的邊坡在考慮和不考慮卸荷兩種情況下的穩(wěn)定性差異明顯，不考慮卸荷的穩(wěn)定性系數(shù)明顯高于考慮卸荷的穩(wěn)定性，考慮卸荷的邊坡在卸荷后5～7 d，就基本穩(wěn)定，穩(wěn)定性系上不再明顯下降，此時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)比不考慮卸荷情況下的穩(wěn)定性系數(shù)小0.2左右。

表5 不考慮卸荷的穩(wěn)定性系數(shù)

圖5 不同坡比卸荷穩(wěn)定性與隨卸荷時間關(guān)系曲線

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

通過直剪試驗，測定不同先期固結(jié)壓力、不同含水率下卸荷土體的抗剪強度值，獲得以下認(rèn)識:

1)不同先期固結(jié)壓力下的原狀土體卸荷后在相同的卸荷滯留時間下隨著先期固結(jié)壓力的增大，卸荷后的抗剪強度也增大。

2)先期固結(jié)壓力為200 KPa時，土體的抗剪強度是隨著滯留時間的增加而減小的，但是這種減小的變化率也是逐漸減小的，在卸荷5～7 d后強度就不再明顯降低，土體在卸荷過程中抗剪強度的損失主要集中在卸荷的初期。

3.2 建議

在黃土邊坡開挖過程中應(yīng)該考慮卸荷對邊坡強度的影響，尤其是在黃土高邊坡開挖是，由于挖方量大，卸荷后邊坡的強度參數(shù)與自然邊坡比會有明顯變化，應(yīng)予以充分的考慮和重視。

［1］Swanson S Retal，An Observation of Loading Path Independence of FractureRock［M］.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.1971，8(3):277～281.

［2］陳永福，曹名葆.上海地區(qū)軟粘土的卸荷 －再加荷變形特性［J］.巖土工程學(xué)報.1990，12(2):9 －17.

［3］程相華.有效應(yīng)力強度指標(biāo)與總應(yīng)力強度指標(biāo)之間的換算關(guān)系［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報.2001，(2).

［4］孟凡麗，樊良本，姚君.卸荷狀態(tài)下軟粘土抗剪強度的試驗研究［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2003，(04).

［5］裴肖鋒.黑河導(dǎo)流洞進出口邊坡處理［J］.地下水.2011，(03).

［6］魏汝龍.正常壓密粘土在開挖卸荷后的不排水抗剪強度［J］.水利水運科學(xué)研究.1984，6(4):39－43.

［7］李廣信，武世鋒.土的卸載體縮現(xiàn)象及其變形機理探討［J］.巖土工程學(xué)報.2002，(1):47－50.

Variation Regulation of Strength in the Loess Slope Excavation

LIU Qiang，XIE Wan － li，WEN Du － wu
(State key laboratory for Continental Dynamics/Department of Geology，Northwest University，Xi’an710068，Shaanxi)

Direct shear tests under unloading conditions are based on 52 undisturbed soil samples indoor，determination of the shear strength values at different retention time of the unloading soil at different pre－consolidation pressure，the result show that the different pre－consolidation pressure under the status quo－soil unloading，the residence time of the same unloading the shear strength of the soil mass with pre－consolidation pressure increases with increasing soil shear;preconsolidation pressure 200KPaintensity decreases with increasing residence time in the intensity of the 5－7 days of unloading no longer decreased.Test results to study the stability analysis to the high slope of a highway.

Loess;excavation;to unload;strength and stability

TU432

A

1004－1184(2012)03－0208－03

2012－03－12

陜西省教育廳專項科研計劃項目(09JK780);國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(40502028);長安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(開放基金:CHD2010JC142)

劉強(1988－)，男，陜西榆林人，在讀碩士研究生，主攻方向:巖土工程、鐵路路基工程。