黃土邊坡開挖卸荷力學(xué)響應(yīng)研究分析

王少剛，吉倩 （陜西恒泰工程勘察有限公司，陜西 西安 710018）

1 引言

對坡體進(jìn)行開挖會(huì)對土體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而影響其力學(xué)性能和穩(wěn)定性，導(dǎo)致邊坡發(fā)生破壞。對開挖邊坡變形規(guī)律及破壞機(jī)理的相關(guān)研究已成為當(dāng)下的熱點(diǎn)話題。賈新昆等[1]利用LS-DYNA軟件，分析邊坡力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。陳旺盛等[2]利用有限元軟件，分析加筋土邊坡變形規(guī)律及力學(xué)特征。徐康等[3]以某地區(qū)邊坡為研究對象，利用有限元軟件，分析邊坡在地震作用下的變形情況。李聰?shù)萚4]通過模型試驗(yàn)，分析開挖地點(diǎn)對邊坡力學(xué)性能的影響。李龍起等[5]開展模型試驗(yàn)，研究降雨條件對邊坡力學(xué)響應(yīng)的影響。

本研究通過開展常規(guī)三軸試驗(yàn)和卸載三軸試驗(yàn)，研究邊坡力學(xué)響應(yīng)特征。

2 載荷條件下邊坡力學(xué)響應(yīng)

2.1 開挖卸載土體變形規(guī)律分析

試驗(yàn)采用的土樣從現(xiàn)場滑坡取得。從坡體的頂部、中部、底部分別取樣，并計(jì)算其干密度。對其開展三軸試驗(yàn)，研究土體深度對抗剪強(qiáng)度的影響。采用常規(guī)三軸試驗(yàn)?zāi)M未開挖邊坡，采用卸載三軸試驗(yàn)?zāi)M開挖后邊坡。

進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置剪切速率為0.15mm·min-1。首先將試樣浸泡，使其飽和，然后分別設(shè)置圍壓為100kPa、200kPa、300kPa，對其進(jìn)行剪切。當(dāng)進(jìn)行卸載試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置剪切速率為-2kPa·min-1，最大應(yīng)變?yōu)?18%，圍壓為300kPa、400kPa、500kPa，進(jìn)行剪切。常規(guī)三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 常規(guī)三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

由圖可知，在三種干密度下，土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈先增大后減小，最后趨于平穩(wěn)的趨勢。受剪切的前期，土體主要為強(qiáng)化階段，隨時(shí)間的增大，土體為軟化階段。當(dāng)圍壓為100kPa時(shí)，有σ1-σ3最大峰值。當(dāng)圍壓為300kPa時(shí)，有σ 1-σ3最小峰值。不同干密度土體的σ 1-σ3最大峰值均集中于應(yīng)變?yōu)?%～3%時(shí)，此時(shí)試驗(yàn)試樣發(fā)生破壞，發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

卸載三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 卸載三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

由圖可知，在三種干密度下，土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈先增大后減小，最后趨于平穩(wěn)的趨勢。受剪切的前期，土體主要為強(qiáng)化階段，隨時(shí)間的增加，土體為軟化階段。σ1-σ3與圍壓的關(guān)系與常規(guī)三軸試驗(yàn)保持一致。不同干密度土體的σ1-σ3最大峰值均集中于應(yīng)變?yōu)?%～2%時(shí)，此時(shí)試驗(yàn)試樣發(fā)生破壞，發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。卸載三軸試驗(yàn)的σ1-σ3最大峰值對應(yīng)的應(yīng)變值小于常規(guī)三軸試驗(yàn)，說明卸載過程對試驗(yàn)試樣的穩(wěn)定性有一定的影響。卸載后，土體比一般情況下的土體更容易失穩(wěn)，并發(fā)生破壞。對開挖后的邊坡而言，即使發(fā)生極小的土體變形，也容易使邊坡發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致其發(fā)生破壞。當(dāng)干密度最小時(shí)，土體在達(dá)到σ1-σ3最大峰值后，存在強(qiáng)度恢復(fù)情況。當(dāng)干密度適中時(shí)，土體在達(dá)到σ 1-σ3最大峰值后，其應(yīng)力趨勢穩(wěn)定，存在殘余強(qiáng)度。當(dāng)干密度最大時(shí)，土體在達(dá)到σ1-σ3最大峰值后，不存在殘余強(qiáng)度，σ1-σ3逐漸減小。

當(dāng)進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1-σ3最大值受干密度與圍壓影響較小。當(dāng)進(jìn)行卸載三軸試驗(yàn)時(shí)，其σ1-σ3最大值與干密度和圍壓存在相關(guān)關(guān)系。通過對其擬合可以得出，二者之間存在線性關(guān)系。σ1-σ3最大峰值與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系。

在三軸試驗(yàn)中，可引入脆性指數(shù)來描述土體的強(qiáng)度情況。當(dāng)進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)時(shí)，脆性指數(shù)與試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)無相關(guān)關(guān)系。當(dāng)進(jìn)行卸載三軸試驗(yàn)時(shí)，圍壓與脆性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，干密度與脆性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。由于脆性指數(shù)用于表示土體的強(qiáng)度，通過上述分析可得，土體的強(qiáng)度與圍壓及干密度有關(guān)。

綜合以上分析可得，卸載三軸試驗(yàn)的σ1-σ3最大峰值對應(yīng)的應(yīng)變值小于常規(guī)三軸試驗(yàn)，說明卸載過程對試驗(yàn)試樣的穩(wěn)定性有一定的影響。卸載后，土體比一般情況下的土體更容易失穩(wěn)，并發(fā)生破壞。對開挖后的邊坡而言，即使發(fā)生極小的土體變形，也容易使邊坡發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致其發(fā)生破壞。在達(dá)到σ1-σ 3最大峰值后，土體發(fā)生破壞后應(yīng)力變化趨勢穩(wěn)定，且干密度較小，使其坡體破壞面和破壞規(guī)模較小。當(dāng)干密度適中時(shí)，土體在達(dá)到σ1-σ3最大峰值后，其應(yīng)力趨勢穩(wěn)定，存在殘余強(qiáng)度。當(dāng)干密度最大時(shí)，土體在達(dá)到σ1-σ3最大峰值后，不存在殘余強(qiáng)度，σ1-σ3逐漸減小，使坡體變形較大，且滑動(dòng)面變形顯著。

2.2 開挖卸載土體力學(xué)性能

本節(jié)利用前文試驗(yàn)測得應(yīng)力應(yīng)變曲線，得出土體的干密度。常規(guī)三軸試驗(yàn)與卸載三軸試驗(yàn)黏聚力與內(nèi)摩擦角對比圖如圖3所示。

圖3 不同三軸試驗(yàn)黏聚力與內(nèi)摩擦角

由圖可知，常規(guī)三軸試驗(yàn)與卸載三軸試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角和黏聚力存在明顯的差異性。隨干密度的增長，常規(guī)三軸試驗(yàn)的黏聚力增長趨勢顯著，卸載三軸試驗(yàn)增長趨勢較為平緩。當(dāng)干密度為1.55g·cm-3時(shí)，有最大差距，為76.85%；當(dāng)干密度為1.35g·cm-3時(shí)有最小差距，為29.52%。常規(guī)三軸試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角小于卸載三軸試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角，兩種試驗(yàn)情況下，隨干密度的增大，內(nèi)摩擦角差值較為穩(wěn)定，均在25%左右。通過以上分析可得，不同試驗(yàn)對于土體內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響具有差異性。對于黏聚力的影響較大，對于內(nèi)摩擦角的影響較小。

2.3 開挖卸載土體應(yīng)力路徑

圖 4 為當(dāng)干密度為 1.55g·cm-3，圍壓為300kPa時(shí)的孔壓-應(yīng)變關(guān)系圖?？讐号c應(yīng)變呈正相關(guān)關(guān)系。隨應(yīng)變的增大，孔壓逐漸增大。常規(guī)三軸試驗(yàn)的孔壓整體大于卸載三軸試驗(yàn)的孔壓。常規(guī)三軸試驗(yàn)達(dá)到孔壓最大值的應(yīng)變值小于卸載三軸試驗(yàn)。且常規(guī)三軸試驗(yàn)達(dá)到孔壓最大值后，其孔壓增長趨勢穩(wěn)定，而卸載三軸試驗(yàn)孔壓仍繼續(xù)增大。根據(jù)相關(guān)力學(xué)理論可得，卸載三軸試驗(yàn)的土體穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生破壞。

圖4 孔壓-應(yīng)變關(guān)系圖

圖5為孔壓比-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖可知，當(dāng)應(yīng)變小于4%時(shí)，常規(guī)三軸試驗(yàn)孔壓比大于卸載三軸試驗(yàn)。當(dāng)應(yīng)變大于4%時(shí)，常規(guī)三軸試驗(yàn)孔壓比小于卸載三軸試驗(yàn)。常規(guī)三軸試驗(yàn)在孔壓比達(dá)到最大值后，其增長趨勢較為平穩(wěn)。卸載三軸試驗(yàn)無明顯孔壓比最大值，隨應(yīng)變增大，其孔壓比仍呈緩慢增大趨勢。

圖5 孔壓比-應(yīng)變關(guān)系曲線

通過以上分析可得，不同試驗(yàn)條件下，孔壓比隨應(yīng)變變化趨勢與孔壓隨應(yīng)變變化趨勢類似。卸載三軸試驗(yàn)條件下，土體的穩(wěn)定性和有效應(yīng)力較低，坡體容易發(fā)生破壞。

3 結(jié)論

本研究通過開展常規(guī)三軸試驗(yàn)和卸載三軸試驗(yàn)，研究邊坡力學(xué)響應(yīng)特征，結(jié)論如下。

①在三種干密度下，土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈先增大后減小，最后趨于平穩(wěn)的趨勢。受剪切的前期，土體主要為強(qiáng)化階段，隨時(shí)間的增大，土體為軟化階段。當(dāng)圍壓為100kPa時(shí)，有σ1-σ3最大峰值。當(dāng)圍壓為300kPa時(shí)，有σ1-σ 3最小峰值。不同干密度土體的σ1-σ3最大峰值均集中于應(yīng)變?yōu)?%～3%時(shí)，此時(shí)試驗(yàn)試樣發(fā)生破壞，發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

②不同干密度土體的σ1-σ3最大峰值均集中于應(yīng)變?yōu)?%～2%時(shí)，此時(shí)試驗(yàn)試樣發(fā)生破壞，發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。卸載三軸試驗(yàn)的σ1-σ3最大峰值對應(yīng)的應(yīng)變值小于常規(guī)三軸試驗(yàn)，說明卸載過程對試驗(yàn)試樣的穩(wěn)定性有一定的影響。卸載后，土體比一般情況下的土體更容易失穩(wěn)，并發(fā)生破壞。

③當(dāng)進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)時(shí)，σ1-σ3最大值受干密度與圍壓影響較小。當(dāng)進(jìn)行卸載三軸試驗(yàn)時(shí)，其σ1-σ3最大值與干密度和圍壓存在相關(guān)關(guān)系。通過對其擬合可以得出，二者之間存在線性關(guān)系。σ1-σ3最大峰值與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系。

④干密度與內(nèi)摩擦角和黏聚力均呈正相關(guān)關(guān)系。常規(guī)三軸試驗(yàn)的黏聚力大于卸載三軸試驗(yàn)的黏聚力。當(dāng)干密度為1.55g·cm-3時(shí)，有最大差距，為76.85%；當(dāng)干密度為1.35g·cm-3時(shí)有最小差距，為29.52%。

⑤孔壓與應(yīng)變呈正相關(guān)關(guān)系。常規(guī)三軸試驗(yàn)的孔壓整體大于卸載三軸試驗(yàn)的孔壓。常規(guī)三軸試驗(yàn)達(dá)到孔壓最大值的應(yīng)變值小于卸載三軸試驗(yàn)。且常規(guī)三軸試驗(yàn)達(dá)到孔壓最大值后，其孔壓增長趨勢穩(wěn)定，而卸載三軸試驗(yàn)孔壓仍繼續(xù)增大

⑥常規(guī)三軸試驗(yàn)在孔壓比達(dá)到最大值后，其增長趨勢較為平穩(wěn)。卸載三軸試驗(yàn)無明顯孔壓比最大值，隨應(yīng)變增大，其孔壓比仍呈緩慢增大趨勢。