吳文彪，鄭俊杰，曹文昭

（華中科技大學(xué) 巖土與地下工程研究所，湖北 武漢 430074）

1 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入，國(guó)家對(duì)西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷加大，高速公路建設(shè)得到了大力發(fā)展。受黃土地區(qū)地形地貌條件的制約，采用黃土填料的高填路堤已成為主要的路基型式之一，其填土高度常在20 m以上[1]。路堤壓實(shí)黃土是在非飽和狀態(tài)下經(jīng)人工壓實(shí)而形成的，是典型的非飽和重塑土[2]，其抗剪強(qiáng)度和變形特性受含水率變化的影響很大[3]，由降雨等因素引起的壓實(shí)黃土高填方路堤邊坡失穩(wěn)時(shí)有發(fā)生[4]，嚴(yán)重影響了高速公路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)性能，并為行車安全帶來隱患[5]?？紤]飽和度對(duì)壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度的影響，研究含水率變化對(duì)黃土高填方路堤穩(wěn)定性的影響，可為黃土高填方路堤的設(shè)計(jì)與施工提供重要參考。

周勤等[6]通過進(jìn)行壓實(shí)黃土的室內(nèi)回彈模量試驗(yàn)、濕陷試驗(yàn)、動(dòng)三軸試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了壓實(shí)度和含水率對(duì)壓實(shí)黃土的靜態(tài)回彈模量、附加壓縮變形、動(dòng)模量、動(dòng)阻尼比和抗剪強(qiáng)度等的影響。王林浩等[7]對(duì)山西呂梁某地壓實(shí)黃土狀粉土進(jìn)行24組直剪試驗(yàn)，討論了含水率和干密度對(duì)壓實(shí)黃土狀粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。申春妮等[8]進(jìn)行了一系列控制吸力、含水率和干密度的直剪試驗(yàn)，研究了重塑非飽和土的抗剪強(qiáng)度特性。黃琨等[9]對(duì)原狀土和兩種控制含水率方法的重塑土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要是降低了土的黏聚力，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。

土坡穩(wěn)定性問題是巖土工程學(xué)科中最古老典型的研究課題之一[10]，利用土工合成材料加筋處理堤壩軟基是一種常見且行之有效的方法[11]。Long等[12]通過數(shù)值和理論兩種方法對(duì)比分析了未加筋路堤與加筋路堤的穩(wěn)定性，指出由于加筋路堤中考慮了滑裂面上加筋材料附加的摩擦力，路堤穩(wěn)定性明顯提高。魏紅衛(wèi)[13]通過建立高陡加筋路堤的有限元數(shù)值模型，分析了加筋路堤的穩(wěn)定性及其影響因素。王志斌等[14]通過大比例模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了斜坡地基上土工格柵加筋和未加筋填方路堤在坡頂荷載作用下的變形與破壞規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，土工格柵能夠大幅減小斜坡地基上填方路堤的水平位移，提高路堤的穩(wěn)定性。

本文對(duì)山－平高速公路 K210+987～K211+087現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段黃土路堤填料進(jìn)行一系列室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，討論含水率對(duì)重塑壓實(shí)黃土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，建立數(shù)值分析模型，對(duì)不同含水率的填土加筋路堤進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2 試驗(yàn)研究

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[15]（以下簡(jiǎn)稱規(guī)程），采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法，按4分法配置5種不同含水率試樣，按照規(guī)程相應(yīng)試驗(yàn)步驟分別擊實(shí)，得到含水率與干密度的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 干密度與含水率關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between dry density and water content

從圖中可以看出，該黃土路堤填料最佳含水率為11.5%，最大干密度為1.924 g/cm3。

2.2 試樣制備

配制含水率為11.5%的土樣（實(shí)際為11.04%），用飽和器（φ39.1 mm×80 mm）分4層擊實(shí)制樣。圖 2為試樣干密度、壓實(shí)度和錘擊次數(shù)的關(guān)系曲線。隨著錘擊次數(shù)的增加，土樣的干密度和壓實(shí)度同步增大。當(dāng)錘擊次數(shù)為 20擊時(shí)，土樣壓實(shí)度為84.5%，錘擊次數(shù)為35擊時(shí)，土樣壓實(shí)度大于85%。陳開圣等[16]制備試樣時(shí)所選壓實(shí)度分別為 85%、90%及95%，本試驗(yàn)中選擇制備壓實(shí)度為85%的土樣，即控制土樣制備錘擊數(shù)為20擊。

圖2 干密度、壓實(shí)度與錘擊次數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 Curves of dry density and compaction degree vs. blow count

分別配制含水率為8%、10%、12%、14%、16%和18%的土樣，采用飽和器分4層擊實(shí)制樣，得到不同含水率時(shí)土樣密度和干密度值，見表1。密度、干密度和飽和度隨含水率變化曲線如圖3所示。

表1 含水率對(duì)土樣密度的影響Table 1 Effect of water content on density of soil samples

圖3 密度、飽和度與含水率關(guān)系曲線Fig.3 Curves of density and degree of saturation vs. water content

由表1和圖3可知，隨著含水率（飽和度）的增加，土樣密度呈上升趨勢(shì)，干密度則按減小－增大－減小的趨勢(shì)變化；密度最大差值為0.388 g/cm3，占初始密度的23.4%，干密度最大差值為0.208 g/cm3，占初始干密度的 13.6%，可見含水率的增加對(duì)密度和干密度的影響都較大。填土含水率每增加 2%，密度增量最大達(dá)到 0.119 g/cm3，占初始密度的6.62%，干密度增量最大達(dá)到0.101 g/cm3，占初始干密度的6.19%，增量幅值也較大。

2.3 三軸剪切試驗(yàn)

對(duì)制備的土樣進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，剪切速率控制為0.8 mm/min，模擬現(xiàn)場(chǎng)快速施工條件，繪制不同含水率下土樣在100、200、300 kPa圍壓下的三軸壓縮曲線，選取相應(yīng)峰值點(diǎn)或15%應(yīng)變對(duì)應(yīng)點(diǎn)繪制各含水率土樣的摩爾-庫侖曲線，得到不同含水率土樣的抗剪強(qiáng)度，見表 2。土樣黏聚力及內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線如圖4所示。

表2 不同含水率土樣抗剪強(qiáng)度Table 2 Shear strength of soil samples with different water contents

圖4 填土含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響Fig.4 Shear strength vs. water content

從圖 4中可以看出，壓實(shí)黃土試樣黏聚力在60～80 kPa之間變化，隨含水率變化，黏聚力先增后減，然后再增；壓實(shí)黃土試樣內(nèi)摩擦角開始在28°上下波動(dòng)，當(dāng)含水率大于16%時(shí)，內(nèi)摩擦角急劇下降。分析原因，可能是因?yàn)榇藭r(shí)試樣飽和度已達(dá)80%以上，試樣內(nèi)部水的潤(rùn)滑作用明顯高于其膠結(jié)作用。綜上可知，非飽和壓實(shí)黃土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系并不是單調(diào)的遞增或遞減關(guān)系，而是隨著含水率的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)一增一減的規(guī)律，即當(dāng)黏聚力增加時(shí)，內(nèi)摩擦角減?。划?dāng)黏聚力減小時(shí)，內(nèi)摩擦角增加，具有一定的互補(bǔ)性。壓實(shí)黃土試樣黏聚力的變化較明顯，內(nèi)摩擦角變化較小，當(dāng)含水率到達(dá)17.90%后，內(nèi)摩擦角大幅減小，黏聚力同時(shí)達(dá)到一較高值。

3 數(shù)值建模分析

3.1 工程概況

選取山-平高速公路 K210+987～K211+087現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段為分析對(duì)象，建立數(shù)值分析模型，模型幾何尺寸如圖5所示，相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表3（土工格柵軸向剛度EA=86.0 MN/m）。對(duì) 50 kPa和20 kPa荷載作用下的不加筋、加2層、3層和4層土工格柵4種路堤加筋工況，運(yùn)用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)K，研究填土含水率對(duì)加筋路堤穩(wěn)定性的影響。

圖5 試驗(yàn)路段斷面示意圖Fig.5 Sketch of trial embankment section

表3 試驗(yàn)段土層物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physico-mechanical properties of strata in test field

3.2 填土含水率的影響

3.2.1 含水率對(duì)加筋路堤安全系數(shù)的影響

采用試驗(yàn)所得壓實(shí)黃土不同含水率時(shí)對(duì)應(yīng)的密度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值分析（對(duì)路堤填土抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減，填土密度采用不同含水率時(shí)對(duì)應(yīng)的密度），得到不同工況下路堤安全系數(shù)與填土含水率的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)考慮含水率對(duì)填土密度及抗剪強(qiáng)度的影響時(shí)，路堤安全系數(shù)隨含水率的增大而減小。對(duì)比不加筋材、加2層、3層和4層土工格柵工況下的路堤安全系數(shù)可知，路堤穩(wěn)定性隨加設(shè)土工格柵層數(shù)的增加而增大，在路堤中加設(shè)土工格柵能大大提高路堤的穩(wěn)定性。

圖6 含水率對(duì)加筋路堤安全系數(shù)的影響Fig.6 Safety factor of geogrid reinforced embankment and water content of compacted loess

3.2.2 含水率對(duì)加筋路堤滑動(dòng)面的影響

圖7 不同含水率時(shí)加筋路堤的潛在滑動(dòng)面Fig.7 Potential sliding surface of geogrid reinforced embankment with different water contents

圖7為不同含水率下加筋形式對(duì)路堤潛在滑動(dòng)面的影響。路堤潛在滑動(dòng)面位置和形狀隨含水率的變化不大，可能是所考慮的含水率的變化范圍不夠大。由于填土含水率超過18%后，試樣制備較難成功，使得試驗(yàn)研究的填土含水率的變化范圍有限。從圖7中可以看出，不加筋時(shí)路堤滑動(dòng)面都是從路堤頂面貫通至路堤左側(cè)，隨含水率的增大，滑動(dòng)面越往深處發(fā)展，而加設(shè)2層、3層和4層土工格柵的加筋路堤滑動(dòng)面都是從路堤右側(cè)坡腳貫通至路堤左側(cè)坡腳，貫通區(qū)所在位置跟沖溝所在位置相似，表明在路堤中加設(shè)土工格柵可以提高路堤的整體性，不易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。同時(shí)，隨含水率的增加，滑動(dòng)面往深處發(fā)展，安全系數(shù)減小，路堤趨于不穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

（1）含水率的增加對(duì)密度和干密度的影響都較大，隨著含水率（飽和度）的增加，土樣密度呈上升趨勢(shì)，干密度則按減?。龃螅瓬p小趨勢(shì)變化；密度、干密度最大差值分別占初始密度、初始干密度的23.4%和13.6%。

（2）隨著含水率的增加，填土黏聚力和內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)一增一減的規(guī)律，即當(dāng)黏聚力增加時(shí)，內(nèi)摩擦角減小；當(dāng)黏聚力減小時(shí)，內(nèi)摩擦角增加。當(dāng)含水率高于16%時(shí)填土內(nèi)摩擦有明顯下降趨勢(shì)。

（3）綜合考慮含水率對(duì)填土密度和抗剪強(qiáng)度的影響，路堤安全系數(shù)隨含水率的增大而明顯減小，路堤穩(wěn)定性降低。

（4）路堤加設(shè)土工格柵后，整體性提高，不易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，加筋能有效提高路堤的穩(wěn)定性。隨著含水率的增加，滑動(dòng)面往深處發(fā)展，滑動(dòng)面范圍增大，路堤趨于不穩(wěn)定。

[1] 楊錫武, 張永興. 山區(qū)公路高填方涵洞減載方法及試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2005, 38(7): 116－121.YANG Xi-wu, ZHANG Yong-xing. Load reduction method and experimental study for culverts with thick backfills on roadways in mountainous culverts with regions[J]. China Civil Engineering Journal, 2005,38(7): 116－121.

[2] 駱以道. 考慮飽和度的壓實(shí)填土抗剪強(qiáng)度研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(10): 3143－3147.LUO Yi-dao. Research on shear strength of compacted soils considering saturation degree[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(10): 3143－3147.

[3] 李永樂, 張紅芬, 余小光, 等. 原狀非飽和黃土的三軸試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(10): 2859－2863.LI Yong-le, ZHANG Hong-fen, SHI Xiao-guang, et al.Experimental study of triaxial test of undisturbed unsaturated loess[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008,29(10): 2859－2863.

[4] 唐棟, 李典慶, 周創(chuàng)兵, 等. 考慮前期降雨過程的邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(11): 3239－3248.TANG Dong, LI Dian-qing, ZHOU Chuang-bing, et al.Slope stability analysis considering antecedent rainfall process[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(11):3239－3248.

[5] 周創(chuàng)兵, 李典慶. 暴雨誘發(fā)滑坡致災(zāi)機(jī)理與減災(zāi)方法研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2009, 24(5): 477－487.ZHOU Chuang-bing, LI Dian-qing. Advances in rainfall-induced landslides mechanism and risk mitigation[J]. Advances in Earth Science, 2009, 24(5):477－487.

[6] 周勤, 趙發(fā)章, 張洪亮. 壓實(shí)度和含水率對(duì)于壓實(shí)黃土力學(xué)特性的影響[J]. 公路, 2006, (1): 67－70.ZHOU Qin, ZHAO Fa-hang, ZHANG Hong-liang.Influence of compactness and water content on mechanical properties of compacted Loess[J]. Highway,2006, (1): 67－70.

[7] 王林浩, 白曉紅, 馮俊琴. 壓實(shí)黃土狀填土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響因素探討[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2010, 32(增刊2):132－135.WANG Lin-hao, BAI Xiao-hong, FENG Jun-qin.Discussion on shearing strength influencing factors of compacted loess-like backfill[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(Supp.2): 132－135.

[8] 申春妮, 方祥位, 王和文, 等. 吸力、含水率和干密度對(duì)重塑非飽和土抗剪強(qiáng)度影響研究[J]. 巖土力學(xué), 2009,30(5): 1347－1351.SHEN Chun-ni, FANG Xiang-wei, WANG He-wen, et al.Research on effects of suction, water content and dry density on shear strength of remolded unsaturated soils[J].Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(5): 1347－1351.

[9] 黃琨, 萬軍偉, 陳剛, 等. 非飽和土的抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2012, 33(9): 2600－2604.HUANG Kun, WAN Jun-wei, CHEN Gang, et al. Testing study of relationship between water content and shear strength of unsaturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(9): 2600－2604.

[10] 羅烈日. 超高填方加筋路堤工作性狀及穩(wěn)定性研究[碩士學(xué)位論文D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2013.

[11] 劉春虹, 肖朝昀, 王建華, 等. 土工織物加固軟土路堤的有限元分析[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(增刊 2): 325－328.LIU Chun-hong, XIAO Zhao-yun, WANG Jian-hua, et al.Finite element analysis of road embankment on soft soil reinforced with geotextiles[J]. Rock and Soil Mechanics,2004, 25(Supp.2): 325－328.

[12] LONG P V, BERGADO D T, BALASUBRAMANIAM A S. Stability analysis of reinforced and unreinforced embankments on soft ground[J]. Geosynthetics International, 1996, 3(5): 583－604.

[13] 魏紅衛(wèi). 加筋高陡路堤穩(wěn)定性及其涵管受力特性研究[碩士學(xué)位論文D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2005.

[14] 王志斌, 李亮, 鄒金鋒, 等. 斜坡地基上加筋路堤工作性狀及穩(wěn)定性研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(8): 2189－2192, 2230.WANG Zhi-bin, LI Liang, ZOU Jin-feng, et al. Study on performance of reinforced embankment on mountain slope with full-scale model test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(8): 2189－2192, 2230.

[15] 交通部公路科學(xué)研究院. JTG E40-2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京: 人民交通出版社, 2010.

[16] 陳開圣, 沙愛民. 壓實(shí)黃土變形特性[J]. 巖土力學(xué),2010, 31(4): 1023－1029.CHEN Kai-sheng, SHA Ai-min. Study of deformation characteristic of compacted loess[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(4): 1023－1029.