含水率和附加荷載對(duì)北黑高速公路滑坡路段土體彈性模量影響研究

單 煒，張 維

（東北林業(yè)大學(xué)工程勘察設(shè)計(jì)院，哈爾濱 150040）

土體的彈性模量是土體的重要力學(xué)參數(shù)之一，當(dāng)土體受力超過(guò)屈服強(qiáng)度，土坡就會(huì)失穩(wěn)，土體彈性模量值直接影響邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性［1，5］。一些學(xué)者的研究證明，土的彈性模量隨其影響因素變化而變化［6－12］，主要影響因素有含水率、密度、附加荷載，除此之外還有土的液塑限、固結(jié)程度、土體結(jié)構(gòu)、土的礦物成分等。不同的地區(qū)不同種類的土的彈性模量隨影響因素變化規(guī)律是有區(qū)別的［6－8］，大小一般在10～200 MPa之間。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究證明，加荷頻率、加荷時(shí)間、加荷次數(shù)對(duì)土的彈性模量影響較小或可忽略不計(jì)［2］，只要不是產(chǎn)生較大不可恢復(fù)的形變，土的彈性模量變化不大［3］。同濟(jì)大學(xué)凌建明等人研究分析了應(yīng)力級(jí)位、含水率和壓實(shí)度對(duì)路基土回彈模量的影響，結(jié)果表明應(yīng)力級(jí)位、含水率和壓實(shí)度對(duì)路基土回彈模量均有明顯影響［4］。楊光、田堪良研究了上海地區(qū)飽和軟粘土的彈性模量在不同荷載下的變化特點(diǎn)［5］。目前，對(duì)于滑坡土體彈性模量的研究成果還比較少。

本文通過(guò)室內(nèi)全自動(dòng)三軸儀重復(fù)加荷試驗(yàn)，研究了含水率和附加荷載對(duì)北黑高速公路K178+530滑坡路段土體彈性模量的影響，建立了彈性模量與含水率、荷載的變化關(guān)系曲線，且比較了人工重塑土與原狀土試件所得到的彈性模量值的差異;根據(jù)所得結(jié)果對(duì)變化規(guī)律進(jìn)行討論，為該滑坡運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究提供了數(shù)值參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自北黑高速公路K178+530滑坡路段，此滑坡2010年7月末開(kāi)始發(fā)生滑動(dòng)，至今一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，取土位置如圖1所示，取土深度3.5m。為保證試驗(yàn)所用所有試件具有相同的物理力學(xué)指標(biāo)，所有試件均從同一鉆孔中取出。土的物理試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土的物理試驗(yàn)及換算指標(biāo)Tab.1 Physical experiment and conversion indicators of soil

圖1 取土位置Fig.1 Position of earth－fetching

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行公路工程路基土分類標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)比重計(jì)法得到的顆粒分析曲線（如圖2所示），可確定該土為細(xì)粒粉質(zhì)粘土（如圖3所示）。

圖2 土的顆粒分析曲線Fig.2 Particle analysis curve of soil

圖3 試驗(yàn)用土照片F(xiàn)ig.3 Image of the soil used in the test

1.2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JJGE40－2007），土體彈性模量試驗(yàn)采用室內(nèi)承載板法和強(qiáng)度儀法，在試驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有側(cè)向壓力，這與滑坡土體在天然狀態(tài)下受到的應(yīng)力狀態(tài)不符。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法（如貝克曼梁法）費(fèi)力費(fèi)時(shí)、操作繁瑣且受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響制約，結(jié)果誤差較大。所以重復(fù)加荷的室內(nèi)三軸試驗(yàn)測(cè)土的彈性模量仍是目前較好的方法［3］。本文試驗(yàn)儀器為TSZ全制動(dòng)三軸儀，試驗(yàn)開(kāi)始前將試件放入三軸儀的壓力室內(nèi)進(jìn)行加壓固結(jié)，固結(jié)壓力各向相等，其取值為現(xiàn)場(chǎng)條件下有效自重應(yīng)力，計(jì)算公式σ=γH（式中γ為土體重度，H為土樣深度），固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為最后1 h形變量不超過(guò)0.01 mm。按照極限平衡理論，估算土體抗破壞強(qiáng)度，根據(jù)抗破壞強(qiáng)度做加荷級(jí)選擇。試樣到達(dá)K0固結(jié)后在不排水的條件下施加軸向壓力σ，然后卸壓至零。這樣重復(fù)加荷和卸荷若干次，便可測(cè)得初始切線模量Ei，最后趨近于一個(gè)穩(wěn)定值后，再加荷模量Er。一般5～6個(gè)循環(huán)就可確定Er的值，Er即為土的彈性模量。

2 含水率對(duì)彈性模量影響試驗(yàn)

2.1 試件的制備與試驗(yàn)過(guò)程

選取滑坡現(xiàn)場(chǎng)原狀土，經(jīng)室內(nèi)人工切割制成土樣試件。利用真空飽和機(jī)將成形試件達(dá)到飽和，用烘箱低溫控制調(diào)整土樣含水率，也可烘干后在壓力室內(nèi)對(duì)試件注水控制含水率。試驗(yàn)后對(duì)試件含水率進(jìn)行測(cè)定，含水率誤差應(yīng)小于1%;另將天然狀態(tài)土人工粉碎過(guò)0.5 mm篩，按不同含水率拌合后，按照規(guī)范要求，在規(guī)格相同的模具內(nèi)分5～6層擊實(shí)制成與原狀土試件具有相同物理參數(shù)的試件。根據(jù)土樣的物理試驗(yàn)指標(biāo)，控制目標(biāo)含水率分別為11%、14%、17%、22%、25%、28%，17.5%為試驗(yàn)用土的塑限含水率，重塑土亦按此含水率配制。

試驗(yàn)開(kāi)始前，打開(kāi)儀器孔隙水壓力閥和排水閥，對(duì)孔隙水壓力系統(tǒng)及壓力室底座充水排氣后，關(guān)孔隙水壓力閥和排水閥。壓力室底座依次放上透水石、濾紙、試樣和試樣帽。試樣周圍貼侵濕的濾紙條，套上橡皮套，將橡皮套下端與底座扎緊。排除試樣與橡皮套之間的氣泡，降低排水管使管內(nèi)水面位于試樣以下，吸出多余的水，關(guān)閉排水閥。安裝壓力室罩充水至滿，排除壓力室內(nèi)氣泡。開(kāi)孔隙水閥，使孔隙水壓力值等于大氣壓強(qiáng)，關(guān)閥。將孔隙壓力調(diào)整至周圍，再打開(kāi)孔隙壓閥門，使孔隙壓消散，待孔隙壓穩(wěn)定以后，關(guān)閉閥門。估算土樣抗破壞強(qiáng)度為τ=200 KPa，因此取1/2τ=100 KPa為荷載級(jí)，重復(fù)加荷5次后再加荷破壞。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

原狀土的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，重塑土的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同含水率下原狀土應(yīng)力－軸向形變關(guān)系圖Fig.4 Relationship between undisturbed soil stress and axial deformation under different water content

圖5 不同含水率下重塑土應(yīng)力－軸向形變關(guān)系圖Fig.5 Relationship between remolded soil stress and axial deformation under different water content

從各個(gè)不同含水率試件的彈性模量的試驗(yàn)過(guò)程曲線中可以看出，在相同的重復(fù)荷載作用下，所有試件的塑性變形相差不大，也就是各個(gè)試件的變形范圍穩(wěn)定在1.5 mm以內(nèi)，這是因?yàn)樵嚰谠囼?yàn)開(kāi)始前，已經(jīng)預(yù)壓達(dá)到K0固結(jié)，土樣中孔隙率相對(duì)穩(wěn)定，在此荷載級(jí)下塑形變形的變化量趨于常數(shù)。對(duì)于同一種土來(lái)說(shuō)，這種壓縮特性是固定的。從變化過(guò)程來(lái)看，前期的幾次加荷所產(chǎn)生的滯回曲線的滯回面積隨著含水率的增加而逐漸減小，試驗(yàn)后期所有試件滯回曲線趨于密集，變化趨于穩(wěn)定。其原因在于，含水率越大，土體孔隙中的水占據(jù)土體內(nèi)孔隙體積越大，且試驗(yàn)假設(shè)孔隙水是不能被壓縮的，導(dǎo)致土中孔隙被壓縮的體積變化量越小。重塑土這種變化過(guò)程更為明顯。

在不考慮土顆粒大小的情況下，土體濕密度的大小實(shí)質(zhì)上取決于土體中孔隙所占體積，總體積不變，孔隙中水含量越大，濕密度越大，反之越小。因此土的密度對(duì)彈性模量的影響關(guān)系與含水率影響在本質(zhì)上相同。各個(gè)含水率對(duì)應(yīng)的彈性模量分別計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results

根據(jù)所得結(jié)果建立含水率與彈性模量的關(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 含水率與彈性模量關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between water content and modulus of elasticity

試驗(yàn)結(jié)果和回歸的關(guān)系曲線可知，含水率對(duì)土的彈性模量有著十分顯著的影響。圖中彈性模量的最大值出現(xiàn)在塑限含水率附近，當(dāng)含水率小于土的塑限含水率時(shí)，彈性模量隨含水率增加而變大，當(dāng)土中含水率超過(guò)塑限含水率時(shí)，隨著含水率增加而減小，并且減小幅度加快，直至達(dá)到土的液限含水率 （土體達(dá)到液限狀態(tài)以后，物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，本文未做研究），這種變化規(guī)律對(duì)滑坡的研究有著重要意義，為滑坡穩(wěn)定性分析提供合理的數(shù)值依據(jù)。

重塑土與原狀土就實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，重塑土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果略小于原狀土，總體相差7%，這是因?yàn)橹厮芡两?jīng)過(guò)人工擊實(shí)后較原狀土的密度分布相對(duì)均勻，土中孔隙分布較平均，但是兩種試件經(jīng)過(guò)預(yù)壓固結(jié)后，密度、孔隙比基本一致，應(yīng)力狀態(tài)從新分布，均到達(dá)此荷載下的穩(wěn)定狀態(tài)，加之試驗(yàn)時(shí)的重復(fù)荷載作用，因此最終結(jié)果相近。

3 附加荷載對(duì)彈性模量的影響試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)對(duì)具有相同物理參數(shù)的土樣施加不同的荷載級(jí)，求得不同荷載下土的彈性模量，找出其變化特點(diǎn)并分析原因。

試驗(yàn)土樣具有相同的物理試驗(yàn)指標(biāo)，所有試件均為同一地區(qū)同一鉆孔內(nèi)的原狀土樣，土樣物理參數(shù)見(jiàn)表1。如前文所述，試驗(yàn)前根據(jù)土體抗破壞強(qiáng)度，計(jì)算試驗(yàn)最大加荷級(jí)和最小加荷級(jí)，確定試驗(yàn)加荷級(jí)為50 KPa、65 KPa、85 KPa、110 KPa、150 KPa五個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)過(guò)程與含水率試驗(yàn)相似，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，對(duì)應(yīng)荷載級(jí)下的彈性模量如圖7所示;

表3 不同荷載下土的彈性模量測(cè)試結(jié)果Tab.3 Testing results of elastic modulus under different load

圖7 荷載與彈性模量變化關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between load and elastic modulus

由此可以得到荷載X與彈性模量Y的關(guān)系如下:

式中:b為敏感系數(shù)，反應(yīng)了彈性模量隨荷載變化的敏感程度，b值越大，彈性模量對(duì)壓力越敏感，變化越明顯，曲線越陡。

由關(guān)系曲線可以看出，彈性模量隨著荷載的增大而逐漸減小，荷載每增加30%，彈性模量減少原來(lái)的10%左右;變化幅度由土本身的物理性質(zhì)決定的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土體在受到荷載作用下，孔隙體積被壓縮，荷載越大，被壓縮的體積就越大，從而可恢復(fù)的體積量就越小，彈性模量就越小。這也是土體作為彈塑性體的一個(gè)基本特性，當(dāng)有荷載作用于滑坡土體上時(shí)，彈性模量就會(huì)隨之改變，滑坡體內(nèi)部應(yīng)力狀況重新分部，滑坡的穩(wěn)定性也會(huì)隨之改變。

4 結(jié)論

本文針對(duì)北黑高速公路K178+530路段滑坡土體，通過(guò)室內(nèi)全自動(dòng)三軸儀重復(fù)加荷試驗(yàn)研究含水率和荷載對(duì)該滑坡土體彈性模量的影響，得到如下結(jié)論:

（1）含水率對(duì)土體的彈性模量影響十分顯著，彈性模量的最大值出現(xiàn)在塑限含水率附近，當(dāng)含水率小于土的塑限含水率時(shí)，彈性模量隨含水率增加而變大，當(dāng)土中含水率超過(guò)塑限含水率時(shí)，隨著含水率增加而減小，并且減小幅度加快，直至達(dá)到土的液限含水率，其最大值與最小值相差3倍。

（2）附加荷載大小對(duì)彈性模量的變化影響較大，彈性模量隨著荷載的增大而逐漸減小;在實(shí)踐中計(jì)算滑坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布狀況時(shí)，應(yīng)按土層不同深度選擇彈性模量的取值。

（3）通過(guò)含水率試驗(yàn)證明:重塑土與原狀土彈性模量擬合曲線接近，總體相差約7%，但土體在加荷過(guò)程中內(nèi)部的受力狀態(tài)不同，用重塑土代替原狀土來(lái)研究滑坡不合適。

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