寒區(qū)庫岸邊坡巖體凍融劣化及穩(wěn)定性研究

李 亮

(山東省臨沂市水利勘測設(shè)計院，山東 臨沂 276800)

1 概 述

工程建設(shè)中經(jīng)常遇到巖土體凍融問題，凍融將造成巖土體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，這是工程建設(shè)急需解決的問題，也是困擾工程建設(shè)的重大問題。因此，對巖土體進行凍融循環(huán)實驗，研究其力學(xué)特性具有重要意義。

許多專家學(xué)者對巖土體進行凍融循環(huán)力學(xué)實驗，研究巖土體的力學(xué)特性變化。石長安[1]利用凍融循環(huán)研究黃土力學(xué)性質(zhì)的變化；李建華[2]研究凍融循環(huán)作用下，路基的沉降特性；孟祥振[3]研究凍融和荷載耦合作用下，巖體的損傷本構(gòu)模型；劉澤群[4]利用凍融試驗，研究黃土的動力演化特性；錢程[5]利用凍融實驗，對黑方臺地區(qū)黃土結(jié)構(gòu)在凍融作用下的結(jié)構(gòu)變化進行研究。常丹等[6]采用常規(guī)三軸試驗，研究凍融溫度、循環(huán)系數(shù)、圍壓等條件對粉砂土強度的影響，結(jié)果表明7～9次循環(huán)后，巖土體強度達到最小值。倪萬魁等[7]通過反復(fù)凍融和電鏡掃描研究洛川黃土的結(jié)構(gòu)和強度變化，結(jié)果表明隨著凍融次數(shù)增加，黃土結(jié)構(gòu)變得疏松，50次后天然膠結(jié)完全破壞。肖東輝等[8]通過實驗研究凍融次數(shù)和黃土孔隙率變化的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)的增多，大孔隙孔隙率先減小后增大，小孔隙孔隙率先增大后減小。

本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，通過凍融循環(huán)力學(xué)實驗，研究多次凍融循環(huán)作用下的巖土強度變化，依據(jù)強度參數(shù)變化，使用折減后的參數(shù)進行邊坡穩(wěn)定性驗算。

2 凍融循環(huán)實驗條件

2.1 實驗材料和設(shè)備

通過現(xiàn)場對庫岸邊坡的實地調(diào)查，獲取邊坡的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造條件。同時，在現(xiàn)場獲取原狀樣，進行室內(nèi)凍融循環(huán)試驗。

2.2 實驗方案設(shè)計

目前，凍融循環(huán)常用的設(shè)備為恒溫恒濕箱。為了模擬當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，在-15℃條件下對樣品進行凍結(jié)，在15℃條件下對樣品進行解凍。凍結(jié)時間為24h，消融時間為24h，完成一次凍結(jié)—消融即完成一次凍融實驗。在進行1、2、4、6、8次凍融循環(huán)后，進行三軸試驗獲取強度變化特征。圍壓分別為50、100、200和300 kPa。實驗過程中，剪切速率控制為0.015 mm/min，設(shè)置軸向應(yīng)變速率為0.012%/min，當(dāng)軸向應(yīng)變大于20%時，可停止加載。

3 凍融循環(huán)作用下力學(xué)特性研究

3.1 應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系

不同情況下，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之差和軸向應(yīng)變的關(guān)系見圖1。原始試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線變化較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)出較弱的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。剪應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為:加載初期，剪應(yīng)力急劇增大，隨著應(yīng)變的增加剪應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。凍融循環(huán)應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，且圍壓越小，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯，應(yīng)變軟化程度越高。隨著循環(huán)次數(shù)增加，巖體強度逐漸降低。在圍壓相同的情況下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，巖體強度逐漸減小。通過擬合分析，獲取巖土體偏應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(圖2)：y=-31.86ln(x)+269.11，其中x為循環(huán)次數(shù)，y為偏應(yīng)力。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的偏應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線(σ=50 kPa)

3.2 抗剪強度

抗剪強度是巖土體的一個重要力學(xué)特性，其大小對巖土體穩(wěn)定性具有重要的影響作用。試驗樣品原始C值為64.5 kPa，φ值為24.5°。使用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，對試樣的實驗結(jié)果進行分析，獲取黏聚力和內(nèi)摩擦角在進行凍融循環(huán)后的變化特征。通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，樣品強度參數(shù)(C，φ值)在完成首次實驗后產(chǎn)生最大幅度的降低。在應(yīng)力相同的情況下，進行8次凍融循環(huán)后C值降低約31.8%，φ值增大約4.8%(與天然狀態(tài)數(shù)據(jù)對比)；巖土樣凍融循環(huán)次數(shù)的增加，C值逐漸減小，φ值逐漸增大，但兩者的減小和增大速率逐漸降低。在循環(huán)實驗環(huán)境下，樣品強度參數(shù)將趨于一個穩(wěn)定值。可以發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)6次后巖土體強度變化趨于穩(wěn)定。常丹、Yu等[9-10]認(rèn)為巖土體顆粒間的膠結(jié)作用強度決定其內(nèi)聚力C值，顆粒間的粗糙度決定巖土體的內(nèi)摩擦角。在凍融循環(huán)作用下，巖土體間產(chǎn)生干縮裂隙和凍脹裂隙，導(dǎo)致巖土體顆粒間膠結(jié)程度降低，巖土體內(nèi)聚力明顯減小。在凍融循環(huán)作用下，顆粒間孔隙減小，顆粒間相互位移的摩阻力增大，這也導(dǎo)致了隨著凍融循環(huán)的進行，巖土體內(nèi)摩擦角不斷增大。

4 邊坡穩(wěn)定性研究

邊坡選取遼寧一處庫岸邊坡，該處巖土體為膨脹巖，邊坡高15.7 m，長約125.5 m。邊坡上覆耕植土，厚度為0.5～1.0 m。邊坡全貌見圖3。采用數(shù)值模擬方法，研究不同循環(huán)試驗下，邊坡穩(wěn)定性的變化及變形趨勢。

4.1 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查原型，建立該邊坡數(shù)值模擬模型，數(shù)值模擬參數(shù)根據(jù)凍融循環(huán)實驗結(jié)果選取。見圖4。

圖3 庫岸邊坡全貌圖

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 穩(wěn)定性系數(shù)分析

將凍融循環(huán)條件下巖土體強度作為數(shù)值模擬計算的參數(shù)取值，分析不同試驗條件下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化見圖5。由圖5可知，凍融循環(huán)穩(wěn)定性系數(shù)變化相對較小。

根據(jù)凍融循環(huán)后巖土體抗剪強度變化特征分析，該類型斜坡的穩(wěn)定性對于內(nèi)聚力的敏感性大于內(nèi)摩擦角。

圖5 循環(huán)試驗下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化

4.2.2 變形破壞特征分析

針對試驗進行8次后的邊坡變形云圖，分析斜坡的變形特征凍融循環(huán)實驗的響應(yīng)機制。

圖6(a)為天然強度條件下邊坡的變形云圖，最大變形為1.2 cm，變形相對較?。粓D6(b)為8次凍融循環(huán)試驗后邊坡的變形云圖，最大變形為1.5 cm。因此，對于寒區(qū)邊坡穩(wěn)定性支護措施設(shè)計分析時，應(yīng)考慮凍融循環(huán)的作用。

圖6 不同條件下邊坡變形云圖

5 結(jié) 論

1) 進行凍融循環(huán)試驗后，巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線由穩(wěn)定型變?yōu)閼?yīng)變軟化型；巖體強度參數(shù)也產(chǎn)生一定的變化，C值減小，φ值增大。

2) 使用強度折減后的參數(shù)進行邊坡穩(wěn)定性分析，參數(shù)的折減將增大邊坡的位移，因此在寒區(qū)邊坡支護時應(yīng)考慮凍融作用的影響。

3) 庫岸邊坡庫水位是一個動態(tài)變化過程。因此，對于坡腳的巖土體，需要同時考慮凍融-干濕循環(huán)作用，可進行更加深入的研究。