凍融+干濕耦合作用下黃土庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究

賈振江

(臨汾市悅海水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，山西 臨汾 041000)

北方季節(jié)性凍土區(qū)分布著大量的非飽和黃土，這些非飽和黃土多位于淺層地帶，暴露在環(huán)境中，受氣候的擾動(dòng)影響很大，尤其是在反復(fù)的凍融循環(huán)和干濕循環(huán)下[1]，土體微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致物理力學(xué)性質(zhì)改變，最終引發(fā)路基、邊坡等產(chǎn)生病害[2- 4]。水庫(kù)一般兼具防洪、灌溉、供水、發(fā)電、漁業(yè)等多項(xiàng)功能，一旦邊坡發(fā)生大規(guī)?；?、坍塌，就會(huì)危及大壩及庫(kù)區(qū)兩岸人民的安全，同時(shí)還會(huì)影響水庫(kù)發(fā)電、供水等功能的發(fā)揮，帶來(lái)不可估量的損失。黃土是一種對(duì)環(huán)境十分敏感的土體，在氣候變化情況下，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此有必要對(duì)庫(kù)區(qū)黃土邊坡進(jìn)行深入研究[5- 7]。

本文對(duì)取自山西臨汾市某水庫(kù)邊坡的黃土進(jìn)行了凍融循環(huán)、干濕循環(huán)以及凍融干濕循環(huán)作用下的物理力學(xué)試驗(yàn)，并對(duì)不同坡度庫(kù)區(qū)黃土邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，以期能為庫(kù)區(qū)邊坡加固工作提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 黃土試樣

試驗(yàn)黃土試樣取自山西臨汾市某水庫(kù)黃土邊坡，取樣深度1～2m，平均天然密度1.46g/cm3，平均天然含水率5.9%，土粒比重2.7，塑限14.3%，液限24.8%，塑性指數(shù)10.5%，濕陷系數(shù)0.04。根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，黃土的最大干密度1.75g/cm3，對(duì)應(yīng)的最佳含水率16%。

1.2 試驗(yàn)方案

采用分層壓樣法，按照最佳含水率擊實(shí)方案制備黃土試樣，每層黃土之間均進(jìn)行刮毛處理。然后對(duì)試樣進(jìn)行凍融循環(huán)、干濕循環(huán)和凍融干濕循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)分別為0、1、3、5次，分別測(cè)試不同循環(huán)次數(shù)下的直剪性能和固結(jié)性能，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)方法

凍融循環(huán)：將制好的黃土試樣放到制冷箱(溫度-15℃)中凍結(jié)12h，然后將試樣從制冷箱中取出放在室溫(20℃)環(huán)境中融化12h，每24h為一次凍融循環(huán)。

干濕循環(huán)：采用風(fēng)干減濕法，將制好試樣含水率降低至9%，將試樣放到保濕箱中靜置24h，然后再將試樣采用水膜轉(zhuǎn)移法進(jìn)行增濕，當(dāng)含水率達(dá)到30%后，將試樣放到保濕箱中靜置24h，以此為一個(gè)循環(huán)。然后再采用風(fēng)干法和水膜轉(zhuǎn)移法進(jìn)行風(fēng)干和增濕，當(dāng)達(dá)到對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)后，將試樣含水率風(fēng)干或者增濕到最佳含水率16%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

凍融干濕循環(huán)：按照凍融和干濕試驗(yàn)法，先進(jìn)行1次凍融試驗(yàn)，然后再進(jìn)行1次干濕試驗(yàn)，以此為1次凍融干濕交替試驗(yàn)。當(dāng)達(dá)到要求的循環(huán)次數(shù)時(shí)，將試樣放入保濕箱中靜置24h，然后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

直接剪切試驗(yàn)：采用電動(dòng)四聯(lián)直剪儀對(duì)不同循環(huán)方式和次數(shù)下的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，豎向壓力大小依次為100、200、300、400kPa，剪切速率為0.8mm/min。

固結(jié)試驗(yàn)：采用單杠桿三聯(lián)中壓固結(jié)儀對(duì)不同循環(huán)方式和次數(shù)下的試樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，依次施加5、50、100、200、400kPa大小的固結(jié)壓力。在每個(gè)固結(jié)壓力下，黃土試樣的連續(xù)2h的變形均小于0.0025mm/h時(shí)，可進(jìn)行下一階段固結(jié)試驗(yàn)，直至試驗(yàn)全部完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

不同循環(huán)方式和次數(shù)下的試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律如圖1所示。從圖1可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的粘聚力呈逐漸減小的變化特征，但降低幅度在逐漸變小，并最終會(huì)趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值；相同循環(huán)次數(shù)下，凍融循環(huán)方式的粘聚力最大，其次為干濕循環(huán)方式，凍融干濕循環(huán)方式的粘聚力最小。在凍融循環(huán)方式下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦呈逐漸增大的變化趨勢(shì)；在干濕循環(huán)和凍融干濕循環(huán)方式下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，內(nèi)摩擦角有所減小。在凍融循環(huán)方式下，黃土試樣內(nèi)部和表面的水分被不斷凍結(jié)和遷移流散，土顆粒之間原有的聯(lián)結(jié)和排列被打破，因而粘聚力會(huì)降低，但是隨著原有較大團(tuán)粒的被逐漸破壞成細(xì)小顆粒，顆粒的比表面積增大，土顆粒相互之間的摩擦力增大，因而內(nèi)摩擦角會(huì)略有增加；在干濕循環(huán)作用下，由于土體內(nèi)部基質(zhì)吸力反復(fù)加卸載，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生疲勞損傷，在濕脹和干縮交替作用下，土顆粒之間膠結(jié)力弱化，導(dǎo)致粘聚力降低，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫，試樣將變得更加疏松，內(nèi)摩擦角也會(huì)隨之減小；在凍融干濕循環(huán)作用下，受到凍脹力、水分遷移的反復(fù)作用，導(dǎo)致土顆粒大小和間距發(fā)生改變，裂隙逐漸衍生和擴(kuò)展，基質(zhì)吸力的反復(fù)變化又會(huì)導(dǎo)致疲勞損傷，在多重耦合損傷下，粘聚力和內(nèi)摩擦角將迅速降低。

圖1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律

2.2 孔隙比

不同循環(huán)方式和次數(shù)下的試樣孔隙比變化特征如圖2所示。從圖2可知，相同循環(huán)次數(shù)下，隨著固結(jié)力的增大，黃土試樣的孔隙比逐漸減小，相同固結(jié)力下，循環(huán)次數(shù)越多，孔隙比越??；在凍融循環(huán)作用下，當(dāng)固結(jié)力達(dá)到400kPa時(shí)，循環(huán)0、1、3、5次的孔隙比分別為0.616、0.619、0.605和0.592；在干濕循環(huán)作用下，當(dāng)固結(jié)力達(dá)到400kPa時(shí)，循環(huán)0、1、3、5次的孔隙比分別為0.616、0.584、0.473和0.423；在凍融干濕循環(huán)作用下，當(dāng)固結(jié)力達(dá)到400kPa時(shí)，循環(huán)0、1、3、5次的孔隙比分別為0.616、0.573、0.461和0.428。相同循環(huán)次數(shù)下，凍融循環(huán)的孔隙比隨循環(huán)次數(shù)的變化幅度最小，經(jīng)過(guò)5次循環(huán)后孔隙比變化幅度僅為0.024，而干濕循環(huán)和凍融干濕循環(huán)5次后孔隙比變化幅度分別為0.193和0.188。由此可見(jiàn)，水是影響黃土試樣固結(jié)壓縮性能的主要因素，經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)的黃土試樣孔隙比變化幅度較大，因此在實(shí)際工程中應(yīng)注意排水工作。

圖2 孔隙比變化規(guī)律

2.3 壓縮特性

不同循環(huán)方式和次數(shù)下的試樣壓縮模量和壓縮系數(shù)變化特征如圖3所示。從圖3可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的壓縮模量呈逐漸減小的變化特征，而壓縮系數(shù)則逐漸增大。凍融循環(huán)對(duì)于土壓縮特性的影響小于干濕循環(huán)和凍融干濕循環(huán)，在經(jīng)歷5次循環(huán)后，凍融循環(huán)、干濕循環(huán)和凍融干濕循環(huán)方式下的壓縮模量分別下降5.246、9.617、10.442MPa，壓縮系數(shù)分別升高0.09、0.39和0.57。這再次說(shuō)明干濕循環(huán)是造成黃土土體破壞的主要因素，基質(zhì)吸力反復(fù)加卸載以及膨脹干縮所帶來(lái)的疲勞損傷對(duì)于黃土固結(jié)壓縮性能影響最大。

圖3 壓縮特性參數(shù)變化規(guī)律

3 邊坡穩(wěn)定性分析

基于直剪和固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果，利用極限平衡法計(jì)算得到了不同邊坡坡度下黃土庫(kù)區(qū)邊坡的安全系數(shù)變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，安全系數(shù)逐漸降低，且坡度越大，安全系數(shù)越低；在干濕循環(huán)和凍融干濕循環(huán)作用下，雖然安全系數(shù)也是呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，但在51.5°和61°坡度下的黃土邊坡安全系數(shù)基本相等，而且當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過(guò)3次后，坡度較陡的61°邊坡相比51.5°邊坡還略偏大。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，坡度是決定安全穩(wěn)定性的主要因素之一，但對(duì)于黃土而言，由于其對(duì)水十分敏感，在坡度越緩時(shí)，水分滯留在坡面上的時(shí)間就越長(zhǎng)，入滲也就更加充分；當(dāng)滲流強(qiáng)度超過(guò)坡度的影響時(shí)，就會(huì)形成坡度越緩，安全系數(shù)反而越低的現(xiàn)象[8]。

4 結(jié)論

本文對(duì)取自山西某水庫(kù)邊坡的黃土進(jìn)行了凍融-干濕耦合作用下的試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的粘聚力、孔隙比、壓縮模量逐漸減小，壓縮系數(shù)逐漸增大。凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致黃土內(nèi)摩擦角增大，而干濕循環(huán)、凍融干濕循環(huán)則會(huì)導(dǎo)致黃土內(nèi)摩擦角減小。

圖4 不同坡度下安全系數(shù)變化規(guī)律

(2)待凍融循環(huán)方式下，邊坡安全系數(shù)隨著坡度和循環(huán)次數(shù)增加而降低，但在干濕循環(huán)或者凍融干濕循環(huán)作用下，安全系數(shù)除了與坡度相關(guān)，還與入滲強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)緩坡下的入滲強(qiáng)度影響超過(guò)坡度影響時(shí)，就會(huì)形成坡度越緩安全系數(shù)越低的現(xiàn)象。

(3)由于本文的室內(nèi)試驗(yàn)為黃土重塑土樣，與現(xiàn)場(chǎng)土樣存在一定的物理力學(xué)性質(zhì)差異。下一步將開(kāi)展更多關(guān)于原狀土的相關(guān)試驗(yàn)，以期指導(dǎo)工程實(shí)踐。