含水率增長條件下路基邊坡的穩(wěn)定性研究

王志陽 崔宏環(huán) 馬玉濤

(河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000)

含水率增長條件下路基邊坡的穩(wěn)定性研究

王志陽 崔宏環(huán) 馬玉濤

(河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000)

針對河北省境內張家口、承德地區(qū)的山前沖洪積扇的粉質粘土路基在長期運營過程中由于裂縫而引起路基進水的現(xiàn)象，結合宣大公路養(yǎng)護大修工程，主要研究不同含水率條件下路基土強度及模量的變化情況，得出路基土粘聚力和內摩擦角及彈性模量隨著含水量增加的變化趨勢.結果表明：土的粘聚力和內摩擦角隨著含水量的逐漸增加而逐漸變小并趨于穩(wěn)定，剪切模量隨著含水率的增加逐漸減低.同時，利用里正巖土軟件，分析路基邊坡穩(wěn)定性在含水量增加的情況下的變化趨勢，提出路基邊坡在含水率增加的情況下的預防或處理辦法，對指導張家口、承德地區(qū)路基的設計以及施工以及延長道路的使用壽命有重要的意義.

交通荷載；含水率；強度指標；彈性模量

0 引 言

河北省境內張家口、承德地區(qū)很多是山前沖洪積扇的粉質粘土地基，土質穩(wěn)定性差，并具有強烈的毛細現(xiàn)象及水敏性特征，導致路基在長期運營過程中極易出現(xiàn)強度不足、不均勻沉降顯著等病害特征，造成此地區(qū)公路路面早期病害極為嚴重;同時，受降雨、車輛動載等因素的影響，填方路基還可能會發(fā)生側滑失穩(wěn)現(xiàn)象，造成人員傷亡、交通斷絕的嚴重后果.如下圖所示：

因此，結合宣大公路養(yǎng)護大修工程，針對粉質粘土路基的吸水特性進行試驗研究.本文通過直接剪切實驗，研究路基土在從起始最優(yōu)含水率由于地表水下滲直至達到飽和含水率的過程中，土的強度及模量變化指標.得出土體在含水量增加過程中的實際變化規(guī)律，進而研究張家口、承德地區(qū)土體的強度變化規(guī)律，提出路基土在含水量逐漸增加條件下的預防與處理辦法，對指導張家口、承德地區(qū)路基的設計以及施工以及延長道路的使用壽命有重要的意義.

1 實驗簡介

1.1 土樣、儀器以及實驗方案

路基在交通荷載作用下的研究是一個重要的問題，國內外學者對此做出了很多的研究.Larew和Leonards(1962)[1]最早提出飽和軟粘土存在臨界循環(huán)應力比的概念，最后定義為不導致土體破壞的最大循環(huán)應力比[2]；馮秀麗[3]利用粉土開展室內動三軸試驗，研究出動荷載作用下粉土的動應力與動應變的關系曲線，同時模擬出波浪荷載作用下粉土中孔壓的變化規(guī)律；周建[4]對土體在循環(huán)荷載下的孔隙水壓力進行了研究，她認為孔壓受到循環(huán)應力比、加荷周數(shù)、超固結比、加荷頻率等的影響，且影響應變的因素也很多，建議引入一個不隨各種影響因素變化的客觀基準量，即加荷周數(shù)來間接反映土體孔壓與應變的關系.

雖然對于交通荷載作用下的路基動力性能做出了眾多的研究，在動強度、動摩擦角、阻尼比等各種重要參數(shù)得研究中都取得了相當大的進步，但始終存在著一個致命性的問題就是學者們的研究成果始終不能統(tǒng)一化，例如有些研究針對特殊土壤、部分研究針對地區(qū)性土體等等.這些問題導致人們對于上述的研究并不能用于實際設計規(guī)范之中，并且在公路的設計與養(yǎng)護期間都不能使用上述實驗方法或者實驗手段所得到的實驗數(shù)據(jù)，所以這些研究對于公路的實際作用并不大.路基進水會直接導致路基強度的降低，從而引起粘聚力與內摩擦角的變化，所以通過對粘聚力與內摩擦角的變化情況，我們可以直觀的了解到路基進水之后的變化情況.針對以上情況，通過查閱《公路路基設計規(guī)范》并結合張家口地區(qū)實際情況，本實驗采取規(guī)范所要求的強度指標測定方法中的直剪快剪進行試驗，交通荷載擬靜力學分析，依托《公路路基設計規(guī)范》，所得研究可以直接用于公路路基設計與養(yǎng)護之中.

實驗所用為宣大公路K147+528標段路基旁的重塑土樣，各物理力學指標為WL=31%，WP=18，塑性指數(shù)IP=13，土粒密度ds=1.71.顆粒篩分曲線以及擊實試驗曲線如下圖所示.

本實驗采用應變控制式匣式直剪儀，分別對不同含水率相同壓實度條件下的土樣進行快剪實驗.查閱公路路基設計規(guī)范可知，高速公路上路堤的壓實度要求應大于等于94%，本實驗取壓實度為98%的壓實試件.根據(jù)擊實試驗結果可知當壓實度為98%時，干密度應為1.64 g/cm3.為了得到不同含水率條件下的試樣，我們采用自然條件下的風干土，通過計算配比出不同含水率的試樣，通過飽和罐采用真空飽和的方法飽和直剪試件.并對不同含水率的試件用保鮮膜包裹，放入封閉養(yǎng)護缸進行養(yǎng)護，同時在直剪前和直剪后對土樣進行含水率實驗，來保證實驗過程中含水率的穩(wěn)定.由于影響土強度的因素有很多，所以我們努力排出其他因素對土樣的干擾，以保證實驗結果的正確性.

圖1 粒徑分析曲線 圖2 含水率與干密度的關系曲線

根據(jù)圖1我們可知，路基土砂粒(2～0.074 mm)成分占到了22%，并且黏粒(<0.002 mm)成分占總粒徑的17%，綜合液塑限數(shù)據(jù)，根細粒土分類可知，定義土性為粉質輕亞粘土.根據(jù)圖2可以清晰的知道，土樣的干密度在含水率為17%之前隨含水量的增加而逐漸變大，在17%左右達到峰值.土樣的最大干密度為1.67 g/cm3，最優(yōu)含水率為為17.2%.根據(jù)飽和曲線可知，當干密度為1.64 g/cm3時，飽和含水率在24%附近.

1.2 實驗結果

表1 直剪實驗結果整理

1.3 實驗結果分析

首先，觀察峰值強度τf與含水量的關系，如下圖3所示，同時畫出不同含水率條件下強度包線圖如圖4所示：

圖3 抗剪強度與含水率關系曲線 圖4 垂直應力與剪應力的關系

由圖3可以看出，不同壓力下抗剪強度隨著含水量變化的規(guī)律.由圖我們可以清楚看到，在同一垂直壓力下土樣的抗剪強度峰值隨含水量的增大而減小.當壓力較小時比壓力較大時土樣峰值強度減小更為明顯，當壓力比較大時，含水量的變化對土樣峰值強度的影響就相對較小了.這可能是因為當壓力較大時，土樣在壓力作用下更為密實，此時土中水量的變化對土樣的影響相對較小了.根據(jù)圖我們可以清楚地認識到，當土樣含水率從最優(yōu)含水率增加時，峰值減小的很快，由此我們可以知道，當路基由于裂縫等原因而使地面水進入時，即使水量變化很小，但是強度會降低很多，所以通過實驗我們也可以知道含水量的變化是對于路基影響很大的一個原因.

同時給出不同垂直壓力下抗剪強度與含水量的公式：當垂直壓力P=50 KPa時，τf=3473.e-0.14ω；當垂直壓力P=100 KPa，τf=1990.e-0.13ω；當垂直壓力P=200 KPa時，τf=1209.e-0.13ω.

由圖4我們可以比較清楚的看出抗剪強度包線表現(xiàn)出很好的線性關系.強度包線的截距與傾角都隨著含水率的增加而逐漸減小，也就是說，土的粘聚力c和內摩擦φ都隨著含水率的增加而出現(xiàn)減小的趨勢，但值得注意的是，通過表1里的數(shù)據(jù)以及圖4的曲線變化情況，我們知道，土的粘聚力c和內摩擦φ當含水率增加到一定的范圍內，粘聚力和內摩擦減小的速度會越來越低，說明此時會逐漸趨于一個穩(wěn)定狀態(tài).這個結論同時證明了，我們要在路基進水的初始階段就對路基進行處理，因為隨著含水量的增加，路基的強度會逐漸降低，但是在初始階段的處理是最為有效的處理方式.

由圖5我們可以知道，粘聚力隨含水量的增加逐漸減小，并近似呈現(xiàn)一種線性關系.對粘聚力進行微觀分析我們可知，粘聚力是粘土強度的主要組成部分，由于粘土顆粒小，比表面積相對較大，顆粒之間彼此吸引，具有一定粘滯性的結合水存在可使顆粒形成水膠聯(lián)結，從而為土體提供較大的剪切阻力.粘聚力主要跟土的結構強度有關，與垂直壓力的關系并不明顯.土的結構強度跟含水量有很大的關系，含水量越大，顆粒之間的聯(lián)結力相對就越小，而因為粘聚力是粘土抗剪強度的主要組成部分，所以當含水量增加時，抗剪強度就會明顯減小.通過實驗數(shù)據(jù)我們可以明顯知道，粘聚力隨含水量增加減小近似呈現(xiàn)一種線性關系.這種情況給予我們充分的認識，對于公路的養(yǎng)護來說，含水量的逐漸增加會一直破壞路基土的強度，這是一個逐漸增長的過程，對于路基進水情況處理不充分，就會使其強度越來越低，直至破壞.

圖5 粘聚力與含水率關系曲線 圖6 內摩擦角與含水率關系曲線

圖7 剪切模量與垂直應力關系曲線 圖8 剪切模量與含水率關系曲線

同時給出粘聚力和內摩擦角與含水率的關系式：

c=709.2e-0.12ω.

φ=383.5e-0.12ω.

根據(jù)圖6，我們可以看出，內摩擦角由含水率逐漸增加而減小，但減小趨勢逐漸變緩，在飽和含水率周圍趨于穩(wěn)定.由微觀機理我們可以知道，對于粘性土來說，在烘干狀態(tài)下表面離子并非完全水化，當加入水后，水合離子對顆粒表面起較弱的接觸，水分在土粒表面形成潤滑劑，使內摩擦角φ變小.所以根據(jù)實驗結果，結合宣大公路養(yǎng)護工程，從內摩擦角的方面考慮公路養(yǎng)護，我們也應在路面裂縫初期，對公路路面進行養(yǎng)護，防止水分進入路基土中.

查閱公路路基設計規(guī)范可知，路堤和地基的整體穩(wěn)定性分析采用簡化Bishop法，穩(wěn)定安全系數(shù)FS按下式計算

(1)

式中：Wi——第i土條重力；

αi——第i土低劃面的傾角；

Qi——第i土垂直方向外力；

Ki——系數(shù)，由于土條所在位置分別計算.

當土條i滑弧位于地基中時

(2)

Wdi——第i土條地基部分的重力；

Wti——第i土條路堤部分的重力；

bi——第i土條寬度；

U——地基平均固結度；

cdiφdi——第i土條滑弧所在地基土層的粘接力和內摩擦角；

mαi——系數(shù)，由(3)式決定；

(3)

φi——第i土條滑弧所在土層的內摩擦角，滑弧位于地基中時取地基土的內摩擦角，位于路堤中時取路堤土的內摩擦角；

其余符號意義同前.

通過Bishop法公式可知，由于地下水的變動滲入路基或由于地表水受阻塞或路基排水系統(tǒng)排水不良滯留在路基兩旁，隨著時間的延長滲入路基而導致路基的含水量增加，進而導致粘聚力與內摩擦角都逐漸減小，相應的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs會逐漸減低，路堤和地基的整體穩(wěn)定性減小，發(fā)生路基邊坡失穩(wěn)破壞.

圖7和圖8可知，剪切模量隨含水率的增加而減小最后趨于穩(wěn)定，隨垂直應力的增加而逐漸增大，根據(jù)剪切模量的意義，圖7與圖8從另一方面證實了上述的結論.

2 穩(wěn)定性分析

通過理正巖土中的邊坡穩(wěn)定性分析，通過對同一邊坡改變實驗所得的參數(shù)值，分別分析四種含水率條件下的最不利條件下的滑動圓心與滑動半徑，同時計算出滑動安全系數(shù).

最不利 滑動面: 最不利 滑動面:

滑動圓心 =(3.514,7.714)(m) 滑動圓心 =(3.514,7.714)(m)

滑動半徑 =11.489(m) 滑動半徑 =11.489(m)

滑動安全系數(shù)=1.751 滑動安全系數(shù)=1.581

圖9 W=17.2邊坡穩(wěn)定情況 圖9 W=20.3邊坡穩(wěn)定情況

最不利滑動面: 最不利滑動面:

滑動圓心 =(3.514,7.714)(m) 滑動圓心 =(3.143,8.642)(m)

滑動半徑 =11.489(m) 滑動半徑 =11.874(m)

滑動安全系數(shù)=1.299 滑動安全系數(shù)=1.105

圖9 W=22.4邊坡穩(wěn)定情況 圖9 W=24.2邊坡穩(wěn)定情況

圖9 邊坡穩(wěn)定系數(shù)與含水率的關系

通過左側圖9我們可知知道，路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著含水率的增加而減小，同時減小速度逐漸增加.這一理論同時從側面反映出了粘聚力與內摩擦角隨著含水率的變化情況.這個理論更加證明了我們要預防路基以及邊坡滲水，同時對于已經滲水的路基及邊坡要及時進行處理，避免引發(fā)更大的路基邊坡破壞，進而避免交通事故的發(fā)生.

3 路基防水方法

路基排水設計的目的就是把影響路基強度和穩(wěn)定性的地下水及地面水及時的排出公路范圍，在路基的使用過程中保持路基的干燥、穩(wěn)定的狀態(tài).對于山區(qū)公路路基的排水一般采用的是“攔，截，疏，排”這四種處理方法.對于張家口地區(qū)山前沖洪積扇的粉質粘土地基，查閱相關文獻，提出以下防治方法.

3.1 地面排水

對于張家口地區(qū)的路基來說，地表水受阻塞或路基排水系統(tǒng)排水不良而滯留在路基兩旁，隨時間的延長，滲入路基.同時，雨水通過破損破損的路面、中央分隔帶、綠化帶、土路肩和邊溝侵入路基.已有研究表明，降雨入滲主要分布于路基邊坡的淺層區(qū)域，雨水滲入量的多少與降雨量、降雨歷時和滲透系數(shù)密切相關，強降雨能夠造成路基邊坡沖刷嚴重，使路基發(fā)生淺層滑坡.所以，對于張家口山區(qū)來說，地面水的影響最為主要，針對張家口等山區(qū)特點，提出以下幾點建議.

(1)截水溝：對于路基坡面來說，應將各種排水措施綜合起來，根據(jù)實際情況合理安排，使積水可以迅速排出公路路界以外.對于山區(qū)公路來講，截水溝是重要的排水措施.首先，我們要實際考慮邊坡的水流方向，精確計算邊坡的匯水面積，為截水溝的結構設計提供精準可靠的依據(jù)；其次，我們要充分考慮雨水對坡面沖刷的影響程度，在匯水量較大或邊坡教陡的地方適當增加截水溝數(shù)量，盡可能攔截所有流向路基的水；最后，我們要布置合理的急流槽位置，使截水溝的水可以迅速有效的排出，以防給水對路基邊坡的影響.

(2)坡面防護：破面的防護措施可以分為綠化防護，支擋防護和抹面防護.綠化防護可以在邊坡上種草及植樹，可以防止邊坡表面水土流失，固結表面土體，同時，對于滲入路基中的水可以充分吸收，增強路基的穩(wěn)定性；同時可以降低水流流速，防治水流對路基的沖刷.種草應選擇易成活、根系發(fā)達、生長迅速或者匍匐莖的種類，樹木應選擇張家口地區(qū)當?shù)厝菀壮苫钋腋钪γ艿钠贩N.抹面防護可以減輕雨水對于路基邊坡的沖刷，避免坡面的風化，支擋結構可以保護路基邊坡穩(wěn)定且是邊坡免受雨水的侵害.

3.2 地下排水

對于張家口地區(qū)來說，地下水帶來的影響雖然沒有地表水的危害較大，但是也是不容忽略的因素.路基中如果存在地下水，會使得路基變軟、塌陷、并嚴重影響路面結構的安全.針對張家口地區(qū)的公路路基，地下排水主要給出一下幾條建議：

(1)當路基的基底層在局部范圍內有泉水時，設置路基的橫向盲溝，把水引排至路邊縱向盲溝中或者路塹邊溝內.橫向盲溝應采用矩形級配碎石集水溝，同時下部埋設軟式透水管.

(2)以防路塹處含水層的水像公路路基滲入，在路基邊緣兩側設置縱向盲溝，同時應根據(jù)實際情況與山區(qū)特點設置不同走向或形式的排水系統(tǒng).

(3)當設置管式或者盲溝時，埋置深度應根據(jù)地下水位以及地下水高程等因素綜合確定，尺寸設計應考慮山體水位的高低、盲溝的坡度及坡長、抽口情況以及其他因素.對于山區(qū)路基地下排水的設計，我們要考慮基本設計因素的前提下，同時兼顧山區(qū)走勢以及山區(qū)地基的實際情況，綜合設計及施工排水系統(tǒng).做到理論與實際相結合，更好的處理張家口地區(qū)山區(qū)路基的地下排水工作.

slope stability research under the conditions of increased moisture

WANGZhi-yang,CUIHong-huan,MAYu-tao

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering Hebei Zhangjiakou,07500,China)

Directed at the phenomenon that silty clay roadbed in the piedmont alluvial-pluvial fan caused the roadbed to be watered due to cracks in the long-term operation in Zhangjiakou and Chengde in Hebei Province,combined with XUAN-DA road maintenance project,the changes in soil strength and modulus because of the different moisture content are mainly study,and the trend of the soil cohesion and internal friction angle under conditions of increasing moisture is obtained. Results shows that soil cohesion and internal friction angle reduces and gradually comes to a stability as the moisture content increases.Modulus reduces as the moisture content increases.At the same time,by using the software of Lizheng geological structure,the trend of the slope stability under conditions of increased moisture is analyzed,and the approaches are proposed to prevent or deal with the roadbed slope under condition of increasing moisture.For the roadbed of design and construction as well as extending the life of the road,it has important guiding significance.

traffic loads;moisture content；strength index;modulus

2015-06-13

河北建筑工程學院科研基金項目：交通荷載作用下路基路面結構的動靜力穩(wěn)定性研(Z-2013080)

王志陽(1992-)，男，碩士研究生.

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