干濕循環(huán)作用下膨脹巖力學性質及岸坡穩(wěn)定性分析

王啟凡，安琳琳，蔣曉艷，劉菲菲

(1.華設設計集團股份有限公司常州分公司，213000；2.徐州市水利建筑設計研究院有限公司，江蘇 徐州 221000；3.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

巖土體干濕循環(huán)是導致巖土體工程力學特性發(fā)生變化的一個重要因素。一般情況下，隨著巖土體干濕循環(huán)次數的增多，巖土體力學參數將不斷發(fā)生劣化，從而對邊坡工程的安全帶來不利影響。因此，研究巖土體干濕循環(huán)作用下的力學變化特性是非常必要的，可為邊坡工程穩(wěn)定性分析提供參考。

目前，有較多的專家、學者對巖土體干濕循環(huán)進行了較為深入的研究，取得了豐碩的成果。根據前人研究成果可以得知，干濕循環(huán)不但可以造成巖土體在微觀層面上發(fā)生變化，在宏觀層面上也將對巖土體的強度參數產生影響，導致邊坡失穩(wěn)等不利現象[1-4]。

通過對膨脹土進行干濕循環(huán)力學實驗，研究不同圍壓條件下膨脹土的抗剪強度參數變化情況，分析干濕循環(huán)作用對膨脹土強度變化的影響，采用FLAC有限元數數值模擬方法對干濕循環(huán)作用下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性變化進行分析。

1 實驗條件

1.1 實驗材料及實驗設備

實驗材料通過在膨脹土邊坡現場人工采集的方式獲得。為了保證實驗結果的可靠性，采用恒溫恒濕箱體提供干濕循環(huán)實驗環(huán)境，以模擬試樣在自然環(huán)境中的干濕變化過程。

1.2 實驗步驟

實驗環(huán)境模擬邊坡所在區(qū)域的實際環(huán)境條件，干濕循環(huán)分別進行1、2、4、6、8次循環(huán)。具體的實驗步驟已有較多人進行了詳細的論述，此處不再贅述[5-7]。

將未進行處理的樣品、進行干濕循環(huán)的樣品進行三軸實驗。圍壓分別設置為50、100、200、300kPa。在不同圍壓條件下實驗樣品進行固結，并保持圍壓不變的條件下進行剪切實驗。

2 干濕循環(huán)作用下膨脹土力學特性研究

2.1 應力—應變關系

繪制不同實驗條件下，試樣最大、最小主應力之差與軸向應變的關系曲線，如圖1所示。根據試驗結果可以得知，未經處理的試樣應力—應變關系曲線呈穩(wěn)定變化過程，應變軟化現象并不顯著。在剪切試驗的初期階段，試樣的剪應力增速明顯，試樣內部剪應力迅速增大；隨著試樣應變不斷增大，試樣的剪應力逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。利用恒溫恒濕箱進行干濕循環(huán)后，試樣的應力—應變曲線出現了較為明顯的應變軟化情況，隨著試驗圍壓的增大，應變軟化現象逐漸減弱。干濕循環(huán)次數的增多將導致試樣抗剪能力降低。

圖1 偏應力與軸向應變關系曲線

根據數據擬合分析，干濕循環(huán)次數與巖土體偏應力的關系曲線如圖2所示，從圖中數據可以得知：y=-40.02ln(x)+268.21，其中x為循環(huán)系數，y為巖土體的偏應力。

圖2 偏應力與循環(huán)次數關系曲線(σ=50kPa)

圖3 抗剪強度參數與干濕循環(huán)次數關系

2.2 抗剪強度

抗剪強度參數是巖土體的力學參數之一，對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。因此，分析抗剪強度參數變化特性與干濕循環(huán)次數的關系是非常必要的。根據試驗結果，基于摩爾-庫倫準則獲取巖土體強度參數同干濕循環(huán)試驗的關系。

根據實驗結果可以得知，隨著干濕循環(huán)次數的增加，巖土體抗剪強度參數的內摩擦角具有下降趨勢，但是隨著干濕循環(huán)次數的增多，內摩擦角參數下降速率不斷降低。

由試驗結果可知，在首次干濕循環(huán)后，巖土體抗剪強度參數下降最為嚴重，當干濕循環(huán)次數達到6次時，抗剪強度參數基本趨于穩(wěn)定。

根據數據統(tǒng)計分析，巖土體內摩擦角與干濕循環(huán)次數關系如下：y=-8.144ln(x)+53.3330(R2=0.9038)；巖土體內聚力與干濕循環(huán)次數關系為：y=0.3825ln(x)+25.545(R2=0.9082)。出現上述變化的主要原因如下：在干濕循環(huán)作用下，巖土體顆粒間的膠結程度出現破壞，導致巖土體的內聚力受到較大的影響，出現強度衰減，與初始內聚力相比，8次循環(huán)后內聚力衰減約40%；而在干濕循環(huán)影響下，巖土體顆粒間的孔隙減小，摩擦力增大，從而導致巖土體的內摩擦角增大，與初始內摩擦角相比，增大約7.6%。

3 邊坡穩(wěn)定性研究

邊坡穩(wěn)定性巖土工程領域研究的重點課題之一。除邊坡自身破壞導致的不良影響外，邊坡破壞亦將對周邊擬建物帶來不利影響。

數值模擬方法是巖土工程中常用的研究方法，通過建立數值模擬模型，可以分析邊坡的變形破壞機制，計算速度快、結果準確，在諸多工程中得到了使用，取得了良好的成果。

根據現場調查，邊坡土體主要為膨脹土，結合前述巖土體干濕循環(huán)作用下的力學特性，分析不同干濕循環(huán)次數下，邊坡的穩(wěn)定性情況，為下一步工作提供參考。

3.1 數值模擬模型建立及參數選取

邊坡數值模擬采用FLAC 3D計算軟件[8-10]，選取邊坡最不利斷面進行分析計算。數值模擬計算參數采用干濕循環(huán)試驗成果，如圖4所示。

圖4 數值模擬計算模型

3.2 結果分析

3.2.1 穩(wěn)定性系數分析

根據不同干濕循環(huán)次數條件下邊坡的穩(wěn)定性情況，繪制穩(wěn)定性系數和干濕循環(huán)次數的關系曲線，由下圖可以得知，邊坡穩(wěn)定性系數隨著干濕循環(huán)次數的增多而減小。表明干濕循環(huán)導致邊坡巖土體力學特性發(fā)生劣化，導致邊坡穩(wěn)定性下降，如圖5所示。

圖5 循環(huán)試驗下邊坡穩(wěn)定性系數變化

3.2.2 變形破壞特征分析

針對試驗進行8次后的邊坡變形云圖，分析斜坡的變形響應機制。

進行干濕循環(huán)條件時，邊坡穩(wěn)定性整體處于相對較好的水平，邊坡穩(wěn)定性變化較小且變形小于2cm，如圖6所示。

圖6 干濕循環(huán)變形云圖

4 結語

(1)未進行干濕循環(huán)試樣的應力—應變?yōu)榉€(wěn)定性或軟化型，干濕循環(huán)后試樣呈現應變軟化特性。隨循環(huán)次數增加，軟化效果越明顯。

(2)通過干濕循環(huán)的進行，巖土體強度變化速率呈現較為明顯的減慢現象。實驗表明在進行第6次循環(huán)后，巖土體強度變化達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)通過數值模擬分析巖土體干濕循環(huán)次數對邊坡穩(wěn)定性的影響結果可知，隨著干濕循環(huán)次數增大，邊坡穩(wěn)定性降低，變形影響范圍增大。在工程實踐中不可忽略巖土體干濕循環(huán)作用對邊坡的影響，尤其是涉水工程、干濕循環(huán)作用強烈的工程。