強膨脹土邊坡干濕循環(huán)條件下改良土力學特征試驗研究

龍 蘭

(廣西桂商實業(yè)投資有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性是公路、水利及橋梁等工程重點關注問題，但有較多因素影響著邊坡安全穩(wěn)定性，如自然因素，包括降雨條件、蒸發(fā)條件等[1-3]；如地質(zhì)條件，包括邊坡土層特性、地質(zhì)構(gòu)造及滲流條件等[4]。以上多種因素中以膨脹土邊坡為極易滑坡的前兆，探討膨脹土邊坡對推動工程建設安全性具有重要作用。眭敏磊、許容等[5-6]采用FLAC 3D、ANSYS等仿真平臺建立了邊坡數(shù)值模型，探討邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)隨不同地質(zhì)條件影響的變化，豐富了邊坡工程的研究成果，推動了邊坡治理技術(shù)方案形成。靳福杰、程世濤、饒鴻等[7-9]通過對膨脹土邊坡開展?jié)B流離散元計算，獲得了膨脹土邊坡內(nèi)裂隙滲流演變特征，探討了膨脹土邊坡失穩(wěn)內(nèi)在機理。胡旭輝、孟偉超、呂建航等[10-12]借助室內(nèi)試驗研究方法，探討了凍融循環(huán)、干濕效應等物理損傷作用下膨脹土體的力學特征變化，為膨脹土邊坡治理提供了基礎試驗依據(jù)。寧昕揚、榮智等[13-14]通過分析膨脹土邊坡危害，研究了生態(tài)護坡、溝渠排水及物化改良土體等方法，提高了邊坡治理的技術(shù)水平。本文針對百色高速公路強膨脹土邊坡工程的實際特點，提出采用改性劑物理改良方法提高土體力學穩(wěn)定，并基于室內(nèi)試驗手段探討了改良土力學特征及滲透特性，為膨脹土邊坡治理提供了參考。

1 試驗概況1.1 工程背景

在廣西百色“橫5”高速公路樂業(yè)修筑路段內(nèi)，項目公司發(fā)現(xiàn)存在典型膨脹土邊坡，其安全穩(wěn)定性發(fā)展趨勢極大地影響了工程建設進度。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最大的膨脹土邊坡軸線長度達33 m，膨脹率最高的強膨脹土高邊坡位于K02+105處，其走向與公路垂直。工程管理部門討論以該強膨脹土邊坡為典型對象，開展土體物化改良，解決邊坡沉降變形大、易發(fā)生滑移的本質(zhì)問題。根據(jù)對該強膨脹土邊坡進行調(diào)查得知，其土層以雜填土、粉質(zhì)黏土、粉砂巖及黏土等組成，實測土體膨脹率達85%～90%。同時，為確保工程建設安全，在邊坡土層內(nèi)安裝位移測量裝置，包括測斜管、裂縫監(jiān)測傳感器等裝置，其中測斜管所在位置距離潛在滑移裂縫面間距為3.8 m，邊坡土層鉆孔及位移測量儀安裝如圖1所示。根據(jù)對K02+105處膨脹土邊坡進行支護設計，其中部設置有寬度為6 m的平臺，邊坡頂高度為12 m，由于高速公路在建設初期遭遇降雨等不利自然因素，導致該邊坡頂部出現(xiàn)局部的弧形裂縫帶，最寬處為10 cm，延伸段長度約為8 m，深層土體出露，導致局部沉降達8 cm；而坡腳受沉降荷載影響，沿基巖土層分界面發(fā)生滑移，裂縫帶的進一步發(fā)展勢必導致坡內(nèi)土體出現(xiàn)滲流通道，耦合危險面后極易發(fā)生滑動。為減弱裂縫帶對邊坡安全穩(wěn)定性的影響，采用預應力錨桿加固坡內(nèi)土體，設計張拉荷載為480 kN，每根錨桿長度為2.5 m，配置有鋼混結(jié)構(gòu)預應力橫、縱梁，交錯分布，橫、縱梁布設間距分別為0.35 m、0.5 m，設計最大彎矩為379.58 kN·m，細部配筋為6φ18 mm鋼筋。其初支設計如圖2所示。

為從根本上解決膨脹性土體大變形、高滲透的問題，考慮采用物化改良法，通過注漿貫入改良劑，使整體邊坡土體改性，提升安全穩(wěn)定性?，F(xiàn)場原位試驗測試表明，該邊坡土體中以黏土為典型膨脹土，滲透系數(shù)可達3×10-4cm/s，特別是受邊坡內(nèi)裂縫帶徑流效應影響，導致土體處于飽和濕潤狀態(tài)，軟化效應較高；鉆孔取樣所測量的試樣體積膨脹變形程度最大可至30%，其內(nèi)部顆粒骨架的結(jié)構(gòu)層極易失穩(wěn)。為此，針對K02+105段邊坡高膨脹土體特征，采用室內(nèi)物理改良方法進行先期試驗，并加以干濕循環(huán)模擬，探討膨脹黏土體在干濕循環(huán)條件下的三軸力學特征及滲透特性。

圖1 邊坡土層鉆孔及位移測量儀布置圖

圖2 邊坡支護設計示意圖

1.2 試驗介紹

為確保改性土力學試驗結(jié)果的可靠性，本文采用SDS-200三軸剪切試驗設備開展力學試驗，該裝置包括剪切荷載系統(tǒng)、試驗控制及數(shù)據(jù)采集處理等模塊，根據(jù)試驗要求，可完成多類型多尺寸土樣的剪切試驗。數(shù)據(jù)采集裝置包括有軸向、環(huán)向變形傳感器，量程分別為-25～25 mm、-20～20 mm，試驗采用剪切變形控制加載方式，速率為0.06 mm/min，試驗設備剪切荷載最大量程可達5 000 kPa，而圍壓加載裝置最大可達1 000 kPa，加載波幅≤1‰，試驗采集裝置精度誤差≤1%。本試驗中所有試樣均取自K02+105處邊坡工程現(xiàn)場，在室內(nèi)重塑后，按照工程土體實際含水量20%～25%進行制樣。所制試樣含黏質(zhì)成分與實際土樣相吻合，所有試樣直徑、高度分別為50 mm、100 mm。制樣過程中根據(jù)改性劑摻量的比選原則，按照占試樣總質(zhì)量百分比，設定改良劑摻量分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%，所使用的改良劑主要成分為木質(zhì)素磺酸鈣。三軸剪切試驗中圍壓組分別設定為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

干濕循環(huán)模擬試驗采用烘干箱與飽和儀裝置完成，每次循環(huán)均需完成8 h的烘干和8 h的飽和過程，且干濕循環(huán)試驗在土樣三軸力學剪切前完成，本試驗中設定有0～4依次遞增的循環(huán)方案。各試驗組具體試驗參數(shù)如表1所示。

表1 試驗方案具體參數(shù)表

改性土不僅需要研究其力學特征，也需要探討其滲透特性，因而采用變水頭滲透試驗裝置完成滲透試驗[15]，以水頭管計量數(shù)據(jù)計算滲透參數(shù)。滲透試驗所使用的土樣需確保與三軸剪切試驗組中試樣一致。基于三軸剪切與滲流試驗，探討改性土力學特征影響變化及滲透演變，為膨脹土邊坡改良處理提供依據(jù)。

2 改良土力學特征

2.1 改良效果分析

基于改良土三軸剪切力學試驗，獲得不同圍壓下試樣剪切應力應變特征，如下頁圖3所示。從圖3可看出，不論是改良土抑或是原狀土，圍壓愈大，試樣整體剪切應力水平愈大。在改良土試樣組中，圍壓為100 kPa時試樣最大剪切應力為2 879.38 kPa，而圍壓為200 kPa、400 kPa時，試樣的抗剪強度較前者分別增大了14.9%、43.9%，即圍壓增大，可提升試樣抗剪切能力，圍壓每增大100 kPa，改良土的抗剪應力平均可增大11.6%。與此同時，在原狀土試樣組中，其抗剪強度隨圍壓每增大100 kPa，平均增幅為18.5%。分析表明，改良土試樣剪切承載能力受圍壓影響敏感度不及原狀土。圍壓增大，本質(zhì)上是對土樣內(nèi)部孔隙擴張的一種限制，當試樣內(nèi)部自身裂隙存在較少，圍壓的提升并不能產(chǎn)生更為顯著的抗剪切效應，即改良土試樣內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)完整性、緊湊性均高于原狀土試樣[16]。當對比原狀土與改良土剪切能力時，也可以印證上述結(jié)論，在相同圍壓即300 kPa內(nèi)時，原狀土試樣的抗剪強度為2 207.19 kPa，而同一圍壓下的改良土抗剪強度較之增大了67.5%，此種對比在圍壓100 kPa、200 kPa、400 kPa時均是如此，兩者土樣的抗剪強度差幅分別達78%、72.1%、57.1%。這表明摻改性劑的物理改良后土體抗剪切能力高于原狀土，符合膨脹土邊坡改良的根本目的。

對比改良土與原狀土試樣的剪切變形能力可知，改良土試樣的剪切應力達到峰值后迅速下降，脆性變形特征顯著，在圍壓200 kPa時峰值剪切應力后具有38.8%的降幅。原狀土變形能力延展性較高，且變形量值亦較大，在圍壓100 kPa時峰值應變?yōu)?.4%，而改良土試樣僅為7%；在圍壓300 kPa時改良土最大應變?yōu)?2.6%，而原狀土在峰值應力后應變增長了11.4%，結(jié)束時最大應變達20.6%。分析變形特征，可知原狀膨脹土變形能力較大，破壞后變形延展性較強；而改良土變形能力弱于前者，不易產(chǎn)生大延伸性裂紋變形現(xiàn)象。

(a)原狀土

(b)改良土

2.2 干濕循環(huán)的影響

根據(jù)對干濕循環(huán)下土體剪切試驗結(jié)果的分析，獲得干濕作用影響下的土體剪切力學特征，如圖4所示。分析圖4中剪切應力應變曲線可知，干濕作用與土體剪切能力具有負相關關系，當干濕作用次數(shù)愈多，試樣剪切應力水平愈低。在圍壓為100 kPa且無干濕作用時抗剪強度為1 769.74 kPa，而干濕作用為1次、2次、3次時試樣抗剪強度較前者分別減少了9.9%、22%、35.1%?？傮w上看，干濕作用每增加1次，試樣抗剪強度平均損失12.3%。分析認為，干濕作用影響下土體內(nèi)部會出現(xiàn)反復性次生裂紋，造成試樣內(nèi)部顆粒骨架出現(xiàn)松散性特征，不利于試樣抗剪特性發(fā)展[17-18]。當圍壓增大至400 kPa后，每增加1次干濕循環(huán)，則可導致試樣抗剪強度損耗5.5%，即圍壓增大，干濕作用影響效應減弱。從圍壓限制裂紋發(fā)展角度考慮，干濕作用的本質(zhì)是促進裂紋發(fā)展，但圍壓作用與之相反，故而圍壓增大，可限制干濕損傷效應。

從剪切變形影響特征來看，不同干濕作用次數(shù)下試樣在剪切屈服應力前基本保持一致，應力應變曲線相吻合，但在接近峰值剪切應力后，干濕作用次數(shù)愈多的試樣變形發(fā)展愈大，延展性更強，具有更高的延性變形能力，此種現(xiàn)象在圍壓為400 kPa時亦是如此。分析表明，干濕作用對土體剪切變形的影響集中在屈服剪切應力及剪切破壞階段內(nèi)，而對土體彈性壓密變形段的影響較弱。

(a)圍壓100 kPa

(b)圍壓400 kPa

2.3 改良劑摻量的影響

不同摻量改良劑試樣的剪切應力變形發(fā)展具有差異性，如圖5所示為不同摻量改良土試樣剪切應力應變特征。觀察改良劑摻量對改良土剪切應力的影響可知，在改良劑摻量增大的過程，試樣抗剪強度為先增后減的趨勢，在無干濕作用試驗組中，摻量為2%試樣的抗剪強度為1 406 kPa，摻量為6%試樣的抗剪強度最高，較前者增大了66.3%，而摻量為8%、12%的試樣抗剪強度較6%摻量下的試樣抗剪強度分別減少了14.6%、31.5%。從改良劑摻量對抗剪強度的影響可知，存在合理摻量區(qū)間，當摻量超過該區(qū)間后，則抗剪應力水平為下降，本試驗結(jié)果表明摻量6%為最優(yōu)。當改良劑處于合理摻量值時，土體試樣內(nèi)部孔隙與改性劑摻量相匹配，兩者的填充、壓實效果達到最佳，而改性劑摻量的改變，會導致試樣內(nèi)部孔隙填充是否飽和或欠缺。當改性劑過多，孔隙無法完全“消化”，進而導致試樣內(nèi)部出現(xiàn)以木質(zhì)素磺酸鈣為主的薄弱面；而改性劑過少，土體改良效果欠佳，反映在膨脹土邊坡上則是仍然存在較大膨脹變形的發(fā)展趨勢[19]。從摻量影響結(jié)果來看，干濕作用0次、4次試驗組中均在2%～6%摻量區(qū)間內(nèi)抗剪強度遞增，摻量每增大2%，抗剪強度分別平均可增長28.9%、19.9%，而在6%～12%的摻量區(qū)間內(nèi)，抗剪強度分別平均損耗13.8%、7.6%。在干濕作用下，改性劑合理摻量值并未改變，即干濕物理損傷效應不影響本試驗中的合理摻量。

(b)干濕4次

3 改良土滲透特性

根據(jù)對變水頭試驗中各組試樣滲透數(shù)據(jù)進行分析處理，獲得干濕作用、改性劑摻量影響下土體滲透系數(shù)變化特征，如圖6所示。

依據(jù)圖6可知，各摻量改性劑試樣組中以摻量6%試樣滲透系數(shù)最低，在該摻量前、后區(qū)間內(nèi)分別具有滲透遞減與遞增狀態(tài)。當無干濕作用時，在摻量2%～6%與6%～12%的區(qū)間內(nèi)，隨摻量每增長2%，滲透系數(shù)分別具有平均82.6%降幅與平均3.78倍增幅；而干濕作用次數(shù)增多后，如干濕作用為1次、3次、4次時，滲透系數(shù)在摻量抑制滲透區(qū)間內(nèi)的平均降幅分別為86.9%、88.5%、87.7%，而在促進區(qū)間內(nèi)的平均增幅分別為3.85倍、4.62倍、3.08倍。由此可知，干濕效應循環(huán)愈多，試樣合理摻量區(qū)間不受影響，但在其他摻量區(qū)間內(nèi)滲透特性發(fā)展受影響。當處于同一改性劑摻量時，干濕作用次數(shù)愈多，則滲透效應愈強，滲透系數(shù)增大。以摻量8%為例，其在無干濕作用下滲透系數(shù)為1.44×10-7cm/s，而每增加1次干濕作用，則滲透系數(shù)平均可遞增6.77倍，即試樣滲透特性在多輪干濕作用下得到增強。從膨脹土邊坡安全性考慮，改性劑選擇合理摻量，有助于限制土體滲透發(fā)展，對邊坡防滲具有促進效果；與此同時，避免邊坡土體受循環(huán)干濕作用，減弱干濕效應對土體滲透的促進效果，有助于膨脹土邊坡改良后安全穩(wěn)定。

當圍壓增大至400 kPa時，干濕作用、改性劑摻量對滲透特性影響基本保持一致，但圍壓增大，滲透系數(shù)整體水平減小。圍壓為400 kPa且干濕1次時摻量6%試樣滲透系數(shù)為3.03×10-10cm/s，較之圍壓為100 kPa時的試樣滲透系數(shù)減少了99.8%，表明圍壓作用可約束試樣滲透通道形成，限制滲透系數(shù)發(fā)展。

(a)圍壓100 kPa

(b)圍壓400 kPa

4 結(jié)語

本文主要得出以下結(jié)論：

(1)改良土抗剪切能力高于原狀土，圍壓愈大，土體抗剪強度增大。圍壓每增大100 kPa，改良土、原狀土抗剪強度分別平均可增大11.6%、18.5%；原狀土變形大、破壞后變形延展性強，改良土變形能力弱于前者。

(2)干濕作用與土體剪切能力呈負相關，每增加1次干濕作用，圍壓為100 kPa、400 kPa時試樣抗剪強度分別平均損失12.3%、5.5%；干濕作用次數(shù)愈多，試樣延性發(fā)展愈強，但變形影響集中在屈服剪切應力及剪切破壞階段。

(3)改性劑摻量增大，試樣抗剪強度先增后減。干濕作用4次時2%～6%摻量與6%～12%摻量區(qū)間內(nèi)抗剪

強度分別為平均遞增19.9%與平均損耗7.6%，以摻量6%抗剪效果最優(yōu)，干濕物理損傷效應不影響合理摻量。

(4)摻量6%試樣滲透系數(shù)最低，干濕作用次數(shù)愈多，合理摻量不受影響，但可促進其他摻量試樣滲透特性；干濕作用次數(shù)愈多，則土體滲透效應愈強；圍壓增大，不影響干濕作用與改性劑摻量影響效應，但整體滲透水平降低。