含水率和附加荷载对北黑高速公路滑坡路段土体弹性模量影响研究

单 炜，张 维

（东北林业大学工程勘察设计院，哈尔滨 150040）

土体的弹性模量是土体的重要力学参数之一，当土体受力超过屈服强度，土坡就会失稳，土体弹性模量值直接影响边坡稳定性计算分析结果的准确性［1，5］。一些学者的研究证明，土的弹性模量随其影响因素变化而变化［6－12］，主要影响因素有含水率、密度、附加荷载，除此之外还有土的液塑限、固结程度、土体结构、土的矿物成分等。不同的地区不同种类的土的弹性模量随影响因素变化规律是有区别的［6－8］，大小一般在10～200 MPa之间。国内外相关研究证明，加荷频率、加荷时间、加荷次数对土的弹性模量影响较小或可忽略不计［2］，只要不是产生较大不可恢复的形变，土的弹性模量变化不大［3］。同济大学凌建明等人研究分析了应力级位、含水率和压实度对路基土回弹模量的影响，结果表明应力级位、含水率和压实度对路基土回弹模量均有明显影响［4］。杨光、田堪良研究了上海地区饱和软粘土的弹性模量在不同荷载下的变化特点［5］。目前，对于滑坡土体弹性模量的研究成果还比较少。

本文通过室内全自动三轴仪重复加荷试验，研究了含水率和附加荷载对北黑高速公路K178+530滑坡路段土体弹性模量的影响，建立了弹性模量与含水率、荷载的变化关系曲线，且比较了人工重塑土与原状土试件所得到的弹性模量值的差异;根据所得结果对变化规律进行讨论，为该滑坡运动机理研究提供了数值参考和依据。

1 试验方案

1.1 试验用土

试验用土取自北黑高速公路K178+530滑坡路段，此滑坡2010年7月末开始发生滑动，至今一直处于不稳定状态，取土位置如图1所示，取土深度3.5m。为保证试验所用所有试件具有相同的物理力学指标，所有试件均从同一钻孔中取出。土的物理试验参数见表1。

表1 土的物理试验及换算指标Tab.1 Physical experiment and conversion indicators of soil

图1 取土位置Fig.1 Position of earth－fetching

根据我国现行公路工程路基土分类标准，通过比重计法得到的颗粒分析曲线（如图2所示），可确定该土为细粒粉质粘土（如图3所示）。

图2 土的颗粒分析曲线Fig.2 Particle analysis curve of soil

图3 试验用土照片Fig.3 Image of the soil used in the test

1.2 试验仪器与试验方法

根据我国现行《公路土工试验规程》（JJGE40－2007），土体弹性模量试验采用室内承载板法和强度仪法，在试验过程中，没有侧向压力，这与滑坡土体在天然状态下受到的应力状态不符。现场实测法（如贝克曼梁法）费力费时、操作繁琐且受现场环境影响制约，结果误差较大。所以重复加荷的室内三轴试验测土的弹性模量仍是目前较好的方法［3］。本文试验仪器为TSZ全制动三轴仪，试验开始前将试件放入三轴仪的压力室内进行加压固结，固结压力各向相等，其取值为现场条件下有效自重应力，计算公式σ=γH（式中γ为土体重度，H为土样深度），固结稳定标准为最后1 h形变量不超过0.01 mm。按照极限平衡理论，估算土体抗破坏强度，根据抗破坏强度做加荷级选择。试样到达K0固结后在不排水的条件下施加轴向压力σ，然后卸压至零。这样重复加荷和卸荷若干次，便可测得初始切线模量Ei，最后趋近于一个稳定值后，再加荷模量Er。一般5～6个循环就可确定Er的值，Er即为土的弹性模量。

2 含水率对弹性模量影响试验

2.1 试件的制备与试验过程

选取滑坡现场原状土，经室内人工切割制成土样试件。利用真空饱和机将成形试件达到饱和，用烘箱低温控制调整土样含水率，也可烘干后在压力室内对试件注水控制含水率。试验后对试件含水率进行测定，含水率误差应小于1%;另将天然状态土人工粉碎过0.5 mm筛，按不同含水率拌合后，按照规范要求，在规格相同的模具内分5～6层击实制成与原状土试件具有相同物理参数的试件。根据土样的物理试验指标，控制目标含水率分别为11%、14%、17%、22%、25%、28%，17.5%为试验用土的塑限含水率，重塑土亦按此含水率配制。

试验开始前，打开仪器孔隙水压力阀和排水阀，对孔隙水压力系统及压力室底座充水排气后，关孔隙水压力阀和排水阀。压力室底座依次放上透水石、滤纸、试样和试样帽。试样周围贴侵湿的滤纸条，套上橡皮套，将橡皮套下端与底座扎紧。排除试样与橡皮套之间的气泡，降低排水管使管内水面位于试样以下，吸出多余的水，关闭排水阀。安装压力室罩充水至满，排除压力室内气泡。开孔隙水阀，使孔隙水压力值等于大气压强，关阀。将孔隙压力调整至周围，再打开孔隙压阀门，使孔隙压消散，待孔隙压稳定以后，关闭阀门。估算土样抗破坏强度为τ=200 KPa，因此取1/2τ=100 KPa为荷载级，重复加荷5次后再加荷破坏。

2.2 试验数据分析

原状土的试验结果如图4所示，重塑土的试验结果如图5所示。

图4 不同含水率下原状土应力－轴向形变关系图Fig.4 Relationship between undisturbed soil stress and axial deformation under different water content

图5 不同含水率下重塑土应力－轴向形变关系图Fig.5 Relationship between remolded soil stress and axial deformation under different water content

从各个不同含水率试件的弹性模量的试验过程曲线中可以看出，在相同的重复荷载作用下，所有试件的塑性变形相差不大，也就是各个试件的变形范围稳定在1.5 mm以内，这是因为试件在试验开始前，已经预压达到K0固结，土样中孔隙率相对稳定，在此荷载级下塑形变形的变化量趋于常数。对于同一种土来说，这种压缩特性是固定的。从变化过程来看，前期的几次加荷所产生的滞回曲线的滞回面积随着含水率的增加而逐渐减小，试验后期所有试件滞回曲线趋于密集，变化趋于稳定。其原因在于，含水率越大，土体孔隙中的水占据土体内孔隙体积越大，且试验假设孔隙水是不能被压缩的，导致土中孔隙被压缩的体积变化量越小。重塑土这种变化过程更为明显。

在不考虑土颗粒大小的情况下，土体湿密度的大小实质上取决于土体中孔隙所占体积，总体积不变，孔隙中水含量越大，湿密度越大，反之越小。因此土的密度对弹性模量的影响关系与含水率影响在本质上相同。各个含水率对应的弹性模量分别计算见表2。

表2 计算结果Tab.2 Calculation results

根据所得结果建立含水率与弹性模量的关系图，如图6所示。

图6 含水率与弹性模量关系曲线Fig.6 Relationship between water content and modulus of elasticity

试验结果和回归的关系曲线可知，含水率对土的弹性模量有着十分显著的影响。图中弹性模量的最大值出现在塑限含水率附近，当含水率小于土的塑限含水率时，弹性模量随含水率增加而变大，当土中含水率超过塑限含水率时，随着含水率增加而减小，并且减小幅度加快，直至达到土的液限含水率 （土体达到液限状态以后，物理力学性质复杂，本文未做研究），这种变化规律对滑坡的研究有着重要意义，为滑坡稳定性分析提供合理的数值依据。

重塑土与原状土就实验结果相比较，重塑土的实验结果略小于原状土，总体相差7%，这是因为重塑土经过人工击实后较原状土的密度分布相对均匀，土中孔隙分布较平均，但是两种试件经过预压固结后，密度、孔隙比基本一致，应力状态从新分布，均到达此荷载下的稳定状态，加之试验时的重复荷载作用，因此最终结果相近。

3 附加荷载对弹性模量的影响试验

本实验目的是通过对具有相同物理参数的土样施加不同的荷载级，求得不同荷载下土的弹性模量，找出其变化特点并分析原因。

试验土样具有相同的物理试验指标，所有试件均为同一地区同一钻孔内的原状土样，土样物理参数见表1。如前文所述，试验前根据土体抗破坏强度，计算试验最大加荷级和最小加荷级，确定试验加荷级为50 KPa、65 KPa、85 KPa、110 KPa、150 KPa五个等级。试验过程与含水率试验相似，试验结果见表3，对应荷载级下的弹性模量如图7所示;

表3 不同荷载下土的弹性模量测试结果Tab.3 Testing results of elastic modulus under different load

图7 荷载与弹性模量变化关系曲线Fig.7 Relationship between load and elastic modulus

由此可以得到荷载X与弹性模量Y的关系如下:

式中:b为敏感系数，反应了弹性模量随荷载变化的敏感程度，b值越大，弹性模量对压力越敏感，变化越明显，曲线越陡。

由关系曲线可以看出，弹性模量随着荷载的增大而逐渐减小，荷载每增加30%，弹性模量减少原来的10%左右;变化幅度由土本身的物理性质决定的。实验结果表明，土体在受到荷载作用下，孔隙体积被压缩，荷载越大，被压缩的体积就越大，从而可恢复的体积量就越小，弹性模量就越小。这也是土体作为弹塑性体的一个基本特性，当有荷载作用于滑坡土体上时，弹性模量就会随之改变，滑坡体内部应力状况重新分部，滑坡的稳定性也会随之改变。

4 结论

本文针对北黑高速公路K178+530路段滑坡土体，通过室内全自动三轴仪重复加荷试验研究含水率和荷载对该滑坡土体弹性模量的影响，得到如下结论:

（1）含水率对土体的弹性模量影响十分显著，弹性模量的最大值出现在塑限含水率附近，当含水率小于土的塑限含水率时，弹性模量随含水率增加而变大，当土中含水率超过塑限含水率时，随着含水率增加而减小，并且减小幅度加快，直至达到土的液限含水率，其最大值与最小值相差3倍。

（2）附加荷载大小对弹性模量的变化影响较大，弹性模量随着荷载的增大而逐渐减小;在实践中计算滑坡体内部的应力分布状况时，应按土层不同深度选择弹性模量的取值。

（3）通过含水率试验证明:重塑土与原状土弹性模量拟合曲线接近，总体相差约7%，但土体在加荷过程中内部的受力状态不同，用重塑土代替原状土来研究滑坡不合适。

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