干湿循环岩体强度劣化效应及边坡稳定性分析

周路宝，邵 杰，孙承坪，李志忠

(连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222006)

降水充沛也造成了岩土体经常遭受干湿循环，这种现象在夏季尤为常见，夏季暴雨频发短期的强降雨和太阳暴晒，岩土体经历着多次干湿循环。因此，对岩土体进行干湿循环实验，研究其力学特性具有重要意义。许多专家学者对岩土体进行干湿循环力学实验，研究岩土体在两种情况下的力学特性变化。陈宾等[1]通过力学实验和电镜扫描技术，认为干湿循环对岩土体颗粒造成损伤是岩土体强度降低的主要原因。陈开圣[2]通过计算机技术和三轴试验，认为干湿循环作用下，红黏土的C值稳定值为未经循环值的54%～57%，φ值稳定值在未经循环值的45%～63%，可采用二项式来拟合。徐丹等[3]通过力学实验研究了干湿循环次数对膨胀土的强度的影响。吴珺华等[4]通过力学实验认为干湿循环对膨胀土C值的影响大于φ值，抗剪强度随着基质吸力增大呈现非线性增加。傅晏等[5]通过多种实验方法，认为当干湿循环次数大于3次时，砂岩微观损伤速度降低。数值模拟是目前一种常用的边坡稳定性和变形规律的研究手段，数值模拟可以重现斜坡变形过程中的应力变化情况，从而获取边坡的变形破坏机制[6- 9]。

本文在前人研究的基础之上，通过干湿循环力学实验，研究不同围压下的抗剪强度变化。研究干湿循环作用下边坡稳定性变化特征。

1 实验条件

实验样品取自现场。实验所用设备为恒温恒湿实验箱。模拟项目所在地的环境气候条件。对试样进行干湿，冻融循环实验。每种情况进行1、2、4、6、8次循环。具体实验步骤如下。

(1)将实验样品放入实验箱，模拟当地夏季气候。设置温度为25℃，湿度为75%的实验箱环境对样品进行干燥。当达到实验样品的缩限时，即可停止干燥。对样品进行抽气饱水，再次进行干燥，直至含水率变为20%。即完成1次干湿循环。

(2)将未进行处理的样品、仅行干湿循环的样品进行三轴实验，参考前人研究确定试验方案[10- 11]，确定围压分别为50、100、200和300kPa。

2 干湿循环作用下力学特性研究

2.1 应力-应变关系

通过对实验数据进行整理，绘制不同围压下偏应力(最大与最小主应力的差值)与轴向应变的关系曲线，如图1所示。天然试样的偏应力-应力关系曲线较为稳定，呈现出应变稳定型的变形特征，未见明显的应变软化特征；在试样刚开始产生轴向应变的时候，试样中的剪应力产生剧烈变化，随着应变的增加，剪应力变化速率逐渐减小最终趋于一个相对稳定的值。岩体进行干湿循环试验后，偏应力-应变关系曲线表现出较为明显的应变软化特征，应变软化现象与围压大小呈反比，围压越小，岩体应变软化特征越明显。岩体的峰值强度与循环次数呈反比，循环次数越多，岩体抗破坏能力越弱。

图1 不同循环次数下试样的偏应力与轴向应变之间的关系曲线

通过拟合分析获取岩土体偏应力与循环次数的关系曲线如图2所示。干湿循环为：

y=-38.41ln(x)+264.45 (R2=0.9925)

(1)

式中，x—循环次数；y—偏应力。

图2 不同循环次数下试样的偏应力与循环次数关系曲线(σ=50kPa)

2.2 抗剪强度

抗剪强度是岩土体一个重要的参数指标，也是影响岩土体稳定性的重要因素之一。在边坡工程中，准确的获取岩土体强度参数是十分重要的。天然状态下，岩土体的抗剪强度参数为：内聚力(C值)为64.7kPa，内摩擦角(φ值)为24.6°。通过绘制不同循环次数不同围压下的岩土体抗剪强度曲线获取岩土体的内摩擦角和内聚力的变化情况，研究不同循环次数下，岩土体抗剪强度的变化特征。通过应力-应变曲线可以看出，进行首次干湿循环后，岩土体强度参数变化最为明显，随着循环次数增加，岩土体强度参数最终趋于稳定值，经过4次干湿循环试验后，岩土体强度变化已经趋于稳定，通过8次干湿循环试验后，黏聚力与天然状态相比降低了约43%，内摩擦角与天然状态相比增大了7.0%。

3 边坡稳定性研究

边坡选取某库岸边坡，该处岩土体为膨胀岩，边坡高15.7m，长约125.5m。边坡上覆耕植土，厚度为0.5～1.0m。边坡全貌如图3所示。采用数值模拟方法，研究不同循环试验下，边坡稳定性的变化及变形趋势。

图3 边坡全貌

3.1 数值模拟模型建立及参数选取

根据现场调查原型，建立该边坡数值模拟模型，数值模拟参数根据干湿循环实验结果选取，如图4所示。

图4 数值模拟计算模型

3.2 结果分析

(1)稳定性系数分析。将多次干湿循环次数下岩土体强度作为数值模拟计算的参数取值，分析不同循环次数下，边坡的稳定性系数变化情况。绘制不同循环次数边坡稳定性系数如图5所示。根据图5可以看出，随着干湿循环次数的增加，岩土体强度参数减小后，斜坡的稳定性情况逐渐变差，当岩土体参数趋于稳定后，边坡稳定性系数也逐渐趋于稳定。

根据试样抗剪强度参数变化特征分析，该类型斜坡的稳定性对于黏聚力的敏感性大于内摩擦角。

图5 循环试验下边坡稳定性系数变化

(2)变形破坏特征分析。针对试验进行8次后的边坡变形云图，分析斜坡的变形特征对3种实验的响应机制。

图6为干湿循环变形云图，可见最大变形为1.5cm，仅进行干湿循环时，边坡稳定性情况较好。仅进行干湿循环时，边坡稳定性变化较小且变形小于2cm。

图6 边坡变形云图

4 结论

(1)天然状态下，岩土体的应力-应变曲线属于应变稳定型，进行了干湿循环试验后，岩土体应力-应变曲线属于较为明显的应变软化型。

(2)随着干湿循环次数的增加，岩土体强度逐渐减小，强度变化速率与循环次数成反相关关系，最终岩体强度会趋于一个稳定值；干湿循环造成岩土体的黏聚力产生较为明显的下降，8次循环后，黏聚力降为天然状态的57%，内摩擦角出现小幅度的增大，增大约7%。

(3)通过数值模拟分析，研究每次循环后，边坡的稳定性及变形破坏范围。对于边坡进行稳定性分析时，需同时考虑干湿作用的综合的影响。