库岸边坡岩土体干湿循环强度劣化研究

梁付云

（山东省兰陵县水利局，山东 兰陵 277700）

0 引言

库岸边坡岩土体特性对库岸边坡具有较大的影响作用。鲁巍巍等、曹伟等[1～2]从库岸边坡岩土体渗透特性出发，采用数值模拟的方法研究库水位下降过程中边坡浸润线位置的变化和边坡安全系数的变化，结果表明边坡饱和渗透系数对浸润线和边坡稳定性影响较大。刘磊等[3]对降雨引起库水位变动情况下岸坡稳定性问题进行研究，提出了降雨工况下岸坡稳定性的评价方法以及岸坡岩土体参数的获取方法。杨金林等[4]以实际工程为例使用数值模拟的方法对库水位变化情况下岸坡稳定性变化进行研究，认为水位变化引起岩土体参数变化是造成边坡稳定性产生改变的主要原因。何金龙等[5]、邓华锋等[6]分别使用室内物理模型试验和力学机制解释的的方法，研究库水位变动过程中边坡稳定性的变化情况，以及岩土体强度变化与库水浸泡时间之间的关系，结果表明岩土体抗剪强度随着库水浸泡时间先减小后增大。库水位不是一个固定值，是随着季节、降水等条件改变的一个动态值。因此，库岸边坡岩土体将经历多次干燥—湿润—干燥—湿润等循环作用。室内干湿循环试验是目前常用的一种对岩土体干湿循环作用下强度变化特征进行分析研究方法。黄英等[7]使用干湿循环试验对云南红土的土水特征进行研究；杨文青等[8]使用干湿循环试验对改良红黏土力学特性进行研究；叶万军等[9]对干湿循环过程中黄土中水分运移特征进行研究；张雁等[10]使用干湿循环试验研究煤矸石对膨胀土稳定性的影响特征。库水位的变动会引起边坡岩土体不断进行干湿循环，引起岩体强度发生变化，因此，在前人研究基础上，进行室内干湿循环实验，对岩土体干湿循环强度劣化特征进行研究，为边坡稳定性评价提供强度参数。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料和设备

实验材料通过人工获取，在现场取得岸坡的原状样。采用目前较为先进的恒温恒湿箱保证良好的实验环境，模拟实际工况，获取较为可靠的实验结果。

1.2 实验步骤

实验所用设备为恒温恒湿实验箱。模拟研究库岸边坡所在地的环境气候条件。对试样分别进行1、2、4、6、8次干湿循环实验。具体实验操作步骤如下：

因为山东省临沂市夏季降水较多，库水位变化频繁，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%的实验箱环境对现场取得的样品进行干燥处理。当达到实验样品的缩限时，可停止干燥。对样品进行抽气饱水，再次进行干燥，当含水率变为20%时，即完成1次干湿循环。

将未进行处理的样品（原状样）、进行干湿循环的样品。进行三轴实验，选用4种围压，分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa。在不同的围压下进行固结，并保持围压不变的情况下进行剪切实验，实验过程中剪切速率控制为0.015 mm/min，设置轴向应变速率为0.012%/min，轴向应变超过20%时，可停止加载。

2 干湿循环作用下力学特性研究

2.1 应力—应变关系

不同围压下，最大主应力和最小主应力之差（偏应力）和轴向应变的关系见图1。原始试样的应力应变关系曲线变化与进行干湿循环试验的结果相比较为稳定，呈现出较弱的应变软化现象。剪应力与应变的关系为：应变初期，剪应力急剧增大，随着应变的增加剪应力逐渐趋于稳定。干湿循环应力—应变关系曲线呈现出明显的应变软化现象，围压越小，应变软化现象越明显，软化程度高。随着干湿循环次数增加，造成实验样品抗破坏能力降低。

对多种实验环境下（原状样实验和干湿循环实验）样品的应力—应变关系曲线进行分析对比。干湿循环作用下，试样应变软化现象较为明显。在围压相同的情况下，随着循环次数增加，干湿循环作用下试样的破坏强度降低较大，力学特性急剧劣化。通过对实验数据的拟合分析获取岩土体偏应力与循环次数的关系曲线见图2；关系式为：y=-38.91ln(x)+266.33，其中x为循环系数，y为偏应力。

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

图2 不同干湿循环次数下试样的偏应力与循环次数关系曲线（σ=50 kPa）

2.2 抗剪强度

抗剪强度是岩土体的一个重要力学特性，其大小对岩土体稳定性具有重要的影响作用。试验样品原始C值为64.5 kPa，φ值为24.5°。使用摩尔—库伦准则，对干湿循环条件下试样的实验结果进行分析。获取粘聚力和内摩擦角在进行干湿循环后的变化特征。通过应力—应变曲线可以看出，样品强度参数（C，φ值）在完成第一次干湿循环实验后产生最大幅度的降低。进行8次干湿循环后C值降低约42.5%，φ值增大约6.7%（与天然状态数据对比）。在循环实验环境下，样品强度参数将趋于一个稳定值。可以发现：干湿循环4次后岩土体强度变化趋于稳定。常丹，Yu等[11-12]认为岩土体的内聚力（C值）由岩土颗粒之间的胶结程度决定，内摩擦角（φ值）由岩土颗粒之间的粗糙程度决定。干湿循环作用下，在水的物理化学作用下，降低了岩土体颗粒之间的胶结强度，这就导致了在实验过程中岩土体的内聚力（C值）逐渐减小。然而，随着干湿循环试验的进行，岩土体颗粒之间的孔隙逐渐减小，这在一定程度上增加了颗粒之间的摩擦强度，因此，在试验过程中，岩土体的内摩擦角（φ值）呈现相对增大的趋势。通过拟合分析获取不同工况下内聚力和内摩擦角与循环次数的关系曲线，见图3。内摩擦角与干湿循环次数的关系为：y=0.3475ln(x)+25.482。内聚力与干湿循环次数的关系曲线为：y=-9.105ln(x)+55.137。

图3 C，φ值与干湿循环次数关系曲线

3 结论

（1）未进行干湿循环试验的样品应力—应变为稳定性或轻微应变软化型。样品经过干湿循环作用后，应力应变曲线呈现出较为明显的应变软化特征。应变软化现象随着干湿循环次数的增加越来越明显。

（2）随着岩体干湿循环试验次数的增加，岩样的内聚力（C值）产生明显的下降，内聚力与循环次数关系如下：y=-9.105ln(x)+55.137；内摩擦角（φ值）出现小幅度的提升，内摩擦角与循环次数关系如下：y=0.3475ln(x)+25.482。随着干湿循环次数的增加，岩土体强度变化速率逐渐减慢。通过室内干湿循环试验，4次干湿循环试验后强度变化达到稳定；8次干湿循环试验后C值降低约42.5%，φ值增大约6.7%（与天然状态数据对比）。