土石混合邊坡含石量變化對穩(wěn)定性的影響分析

董 驁 （安徽省交控建設(shè)管理有限公司，安徽 合肥 236111）

土石混填體是典型的非均質(zhì)散體材料，主要成分有兩個，一是土塊，二是塊石，其在山區(qū)公路中得到深入推廣。由于這一材料中包括的物質(zhì)存在一定的復雜性，其結(jié)構(gòu)分布無具體特性，導致在研究工程力學性能時，存在很大的難度。因此，國內(nèi)外學者深入探究力學特性，同時研究其路用性能，獲得不少研究成果[1-3]。唐慶永等[4]針對現(xiàn)行路基壓實質(zhì)量常規(guī)評價指標的不足，基于路基填筑材料與振動壓路機動態(tài)作用原理，總結(jié)歸納出路基連續(xù)壓實質(zhì)量評價指標；Ding[5]為避免實驗室測試中同一樣品中巖石空間分布的差異對土壤-巖石混合物滲透率的影響，以閥值控制法為依托，將土壤-巖石混合物數(shù)值模擬法總結(jié)出來。這些研究成果很難進行比較分析，同時在工程實踐中仍然有很多未解決的問題，需要對其深入探究。為將上述問題有效解決，本文進行了直剪試驗，對含石量影響邊坡穩(wěn)定性的情況進行分析，這對今后類似工程分析以及施工配比分析起到重要積極作用。

1 土石混填體基本試驗研究

為研究某公路沿線土石混合體的性質(zhì)，從沿線代表性土石混合邊坡進行取樣，發(fā)現(xiàn)公路土石混合體邊坡組成物質(zhì)的顆粒直徑變化幅度大，從小于1mm到超過5m。顯然，邊坡組成物質(zhì)中部分塊石尺寸很大，但對于高達幾十米甚至上百米的邊坡，其相對尺寸較小，土石混合邊坡具有很大的尺寸效應(yīng)。

1.1 土石混填體的密度與比重

本文進行兩次平行測定，首次試驗的干密度為1.50g/cm3，此后又進行一次平行測定，其干密度為 1.62g/cm3，其平行差值小于0.03g/cm3，則其最終的干密度為1.61g/cm3。土石混填體土粒占比超過2.6，將其均值計算出來，其最后占比2.67。

1.2 土石混填體的液、塑限

以液、塑限聯(lián)合測定法為依托，對其科學檢驗，如果圓錐下沉深度處于2.95mm，那么其含水率高于24%，如果這一下沉深度為17mm時，其含水率高于40%。所以，其細粒土液限超過40%，塑限超過24%，將塑限指數(shù)計算出來，其值是16.87，其液限指數(shù)達到0.32。

在h-w圖上，查得縱坐標入土深度h=20mm所對應(yīng)的橫坐標的含水量w，即為該土樣的液限wL。求出液限，通過液限wL與塑限時入土深度hP的關(guān)系曲線，查得hP，再由h-w圖求出入土深度為hP時所對應(yīng)的含水量，即為該土樣的塑限wP。

液限wL與塑限時入土深度hP（wL-hP）的關(guān)系曲線，是按經(jīng)驗公式（1）的計算值繪制而成，其經(jīng)驗公式：

1.3 土石混填體的顆粒級配

為了解所研究工程路段土石混填體的級配情況，采用篩分法進行測定，由土石混填體顆粒級配曲線可得其限定粒徑=20，中值粒徑=5，有效粒徑=0.82。由此得出Cu=24.39，Cc=1.52。使不均勻系數(shù)超過5的條件得以滿足，同時Cc在1～3這一土石混填體顆粒級配要好一些。

1.4 土石混填體的擊實試驗

應(yīng)用干土法，把待用土樣在不同水分中放入進來，將其悶料24h，對其擊實，其擊實曲線見圖1所示。土石混填路基里，其粘土最佳含水率超過18%，干密度最大值是1.73 g/cm3。

圖1 不同含石量土石混填體擊實曲線

2 含石量對土石混填體抗剪強度的影響規(guī)律

利用直剪試驗，能夠獲取抗剪強度影響曲線,其含石量不一樣，具體見圖2所示。通過圖2看出，由于含石量越來越多，垂直應(yīng)力開始不同，使得抗剪強度進一步上漲?？辜魪姸鹊纳蠞q大多是由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，自懸浮式向骨架式進行轉(zhuǎn)變。由圖2看出，盡管其他條件不發(fā)生變化，由于含石量不斷上漲，粘聚力不斷增加，隨后下降，內(nèi)摩擦角進一步上漲。主要是因為含石量發(fā)生變化，其越來越大，導致骨架出現(xiàn)，從而令咬合作用突顯，因此，使得內(nèi)摩擦角進一步加大。在這期間，顆粒中的咬合作用使得粘聚力不斷上漲，然而由于含石量的上漲，使得細顆粒含量不斷下降，細顆粒間粘結(jié)力不斷下降，導致前者的粘聚力與后者相比要大一些，從整體來看，粘聚力越來越小的態(tài)勢體現(xiàn)出來。

圖2 含石量對土石混填體抗剪強度及抗剪強度指標的影響

3 土石混填路基邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 有限元計算模型的建立

土石混填路基是以土石混填體為主，特點是松散，將彈塑性材料應(yīng)用，實施模擬比較適宜，而且這一模型的公式較為簡單，計算參數(shù)獲取也十分容易，所以本文將其作為本構(gòu)模型。此外，根據(jù)路基對稱性的要求，把路基作為有限元模型來看待。把路基邊坡概化成最具代表性的計算模型，路基面寬度是20m，底部寬度是其兩倍，坡高10m，坡比是1：1；如何使邊界的影響降低，在自重情況下，對邊坡穩(wěn)定性給予考慮，使模型向下拓展2m，向兩旁拓展2m。構(gòu)建有限元模型，原點在模型中線的底部，同時X軸右側(cè)是非負的，Y軸向上是非負，具體見圖3所示。

圖3 有限元模型

把模型兩側(cè)設(shè)置成水平方向，對其位移進行約束；把其底部設(shè)置成水平、垂直約束，將其位移進行約束；對于頂面以及坡面來說，不對其進行定位移約束，使其能夠自主變化。針對邊坡模型而言，科學運用自重應(yīng)力場。結(jié)合模型的網(wǎng)格劃分，其結(jié)點共計545個，單元共計496個，單元類型以四邊形單元為主。本文的模型以Mohr-Coulomb模型為主，對其實施有限元計算，在含石量不一樣時，獲取石混填體力學參數(shù)，具體見下表所示。

不同含石量土石混填體力學參數(shù)

3.2 含石量對土石混填路基邊坡穩(wěn)定性影響分析

結(jié)合計算結(jié)果，關(guān)鍵指標柱狀圖見圖4所示。通過圖4看出，由于邊坡中含石量越來越多，其處于極限情況下，最大拉應(yīng)力值是增加的，而且其最大塑性應(yīng)變是逐漸降低的。這是由于含石量的上漲，使得混填體重度不斷上漲，路基邊坡承受力加大，邊坡應(yīng)力值也越來越大，而且由于含石量的變化，導致抗剪強度進一步加大，使得邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象越來越突出，必須進一步克服內(nèi)力。所以，對于極限位置來說，坡體的最大拉應(yīng)力值也發(fā)生了改變，其值開始增長。此外，由于含石量越來越多，泊松比越來越大，導致抗變形不斷上漲，因此，對于極限條件來說，它的最大塑性應(yīng)變也是不斷下降的。結(jié)合這些數(shù)據(jù)能夠得出，在路基邊坡中，石塊含量越來越多，能夠顯著提高整體力學特性，從而真正保證邊坡穩(wěn)定性。

圖4 含石量對土石混填體邊坡關(guān)鍵指標的影響

與此同時，含石量從50%逐漸增大至 80%，安全系數(shù)分別為 1.39、1.75、1.86、1.90?？梢钥闯?，由于含石量的不斷上漲，其安全系數(shù)越來越大，非線性增長無規(guī)律可言，這是由于含石量出現(xiàn)改變，使得抗剪強度上漲而形成的。此外，含石量在50%～60%時，它的這一系數(shù)超過二十個點，含石量出現(xiàn)改變，在60%～70%變化時，這一系數(shù)與6%相接近。而含石量由70%變化為80%，安全系數(shù)高于2%，這就意味著，含石量在50%變化為60%的情況下，其安全系數(shù)的上漲是最顯著的。

從總體來看，如果含石量與限值相比高一些，則其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會自骨架密實結(jié)構(gòu)逐漸變化為骨架孔隙結(jié)構(gòu)，含石量上漲不單會使坡體體力上漲，同時其抗剪強度不斷下降，因為含石量發(fā)生變化，導致邊坡安全系數(shù)越來越小。

4 邊坡防護措施

結(jié)合計算分析結(jié)果，處于臨界穩(wěn)定或者欠穩(wěn)定土石混合體邊坡容易在降水、地震或者人工坡角開挖的作用下失去穩(wěn)定，對不同破壞模式的土石混合邊坡，要根據(jù)其穩(wěn)定性分析研究成果進行針對性治理，主要采取以下措施。

①進行防排水處理。首先，在土石混合體與基巖接觸上部修建截水溝，攔截邊坡匯流來水，防止水流沿薄弱面下滲；其次，在土石混合體邊坡坡體修建引水溝渠，將邊坡水及時引排，減少坡體下滲。

②加固坡角或坡面防護。在工程修建時避免邊坡坡腳開挖，修建地方路時應(yīng)盡量繞行，尤其是對于邊坡的整體式破壞，要采取限制坡體整體滑動的措施，對坡腳進行加固，實際工程中二級平臺沿路線方向布設(shè)抗滑樁加強邊坡整體穩(wěn)定。對于邊坡的局部坡面破壞，可以采用坡面防護、局部卸載和坡腳加固的方式進行綜合治理。

③要加強邊坡的監(jiān)控量測。結(jié)合計算和現(xiàn)場監(jiān)測，應(yīng)選擇在邊坡相對穩(wěn)定階段進行防護加固施工，避免邊坡發(fā)生最終失穩(wěn)。

5 結(jié)論

文章利用控制變量法，在含石量不同的情況下，實施直剪試驗，以此為依托，分析邊坡穩(wěn)定性情況，具體內(nèi)容如下。

①實施物理力學性能試驗，獲取原始級配，對土的干密度等參數(shù)進行分析，利用擊實試驗，在含石量不一樣的情況下，分析土石混填體的最佳含水量，從而為直剪試驗打下堅實基礎(chǔ)。針對單一變量控制，它的含石量基本在50%～80%，致其抗剪強度進一步增加。

②以強度折減有限元法為依托，計算邊坡穩(wěn)定性，由于含石量上漲，使得邊坡在極限情況下，最大應(yīng)力值進一步增長，而且最大塑性應(yīng)變值是逐漸降低，由于含石量的上漲，使得邊坡安全系數(shù)不斷上升同時在含石量自50%上漲到60%的情況下，邊坡安全系數(shù)的上升最為顯著。