季节性浸水条件下软土路基稳定性探讨

钟榕芳

摘要：季节性浸水软土地区岩土体强度参数受干湿循环影响较大，文章以实际工程为例，通过三轴试验研究干湿循环作用下路基土体强度参数变化特征，并采用数值模拟方法分析路基稳定性。研究表明：试样强度参数与干湿循环次数关系密切，干湿循环4次后，强度参数趋于稳定;在干湿循环8次后，路基最大变形量达到10.0 cm;在路基支护时应当考虑路基浸水带来的强度变化，避免支护强度不够造成路基失稳。

关键词：软土路基;干湿循环;强度;数值模拟

0 引言

在交通运输工程项目建设过程中，往往会遇到地形变化起伏较大的现象，针对这种情况，通常采用开挖、回填等方式改变原有地形，以满足主体工程建设的需求。路基作为道路建设的基础部分，其稳定性关系到整个工程的正常使用安全，針对路基稳定性进行研究具有十分重要的意义。齐鲁宁等[1]结合G109工程实例，对冻土区挖方路基边坡稳定性进行研究，为工程施工提供参考;张冲冲等[2]采用数值模拟方法对红黏土路基在降雨作用下的稳定性情况进行研究，认为红黏土对路基稳定影响较小;陈强等对[3]V型沟谷地区填方路基稳定性进行研究，认为V型谷坡度对路基变形影响较大;张凌晨等[4]为了研究路基边坡稳定性情况，提出了一种新条分法，可体现路基边坡渐进演变过程;郭天惠等[5]采用有限元数值模拟方法分析了不同填筑高度对路基变形的影响。针对路基变形、稳定性等的研究已经取得了较多的成果，所采用的主要手段包括数值模拟[6-8]、力学实验[9]等。本文以实际工程为例，通过室内试验获取干湿循环作用下路基岩土体强度参数变化特征，并结合数值模拟方法分析路基稳定性情况。

1 工程概况

为了研究季节性降水影响作用下路基边坡的稳定性情况，选取我国南方某在建公路为研究对象。该道路路基高度为6.0 m，单车道宽度为3.75 m，道路表面属于不透水层，季节性降水主要从路基边坡入渗。

2 干湿循环作用下土体强度变化研究

2.1 干湿循环实验条件

2.1.1 实验材料和设备

为了保证室内力学试验结果可以应用于工程实践，在工程现场获取室内力学试验所需要的试样材料。干湿循环试验采用恒湿箱，以保证良好的试验条件，从而获取更为可靠的实验数据。

2.1.2 实验步骤

试验温度主要依据工程所在地的气候条件设定，参照当前干湿循环试验成果[10-11]，对试样进行0、1、2、4、6、8次干湿循环，获取不同循环次数下试样的应力-应变曲线以及抗剪强度参数。实验步骤如下：南方地区夏季降水较多，主要模拟当地夏季气候条件，设置试验箱温度为27 ℃，湿度为75%，对饱和试样进行干燥处理;试样饱水采用抽气饱水的方法，含水率达到22%时即可，此时，完成一次试样的干湿循环。选取不同循环次数的试样，完成三轴试验，围压分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa。实验剪切速率为0.015 mm/min，设置轴向应变速率为0.012 %/min。当试样轴向应变>20%时，实验即可结束。

2.2 干湿循环作用下力学特性研究

2.2.1 应力-应变曲线与干湿循环次数关系

不同试验条件下不同干湿循环次数试样的偏应力-轴向应变曲线见图1。从图中可知，未进行干湿循环的试样，偏应力-轴向应变变化较为稳定，仅表现为较弱的应变软化现象。在三轴试验初期，随着应变的增大，剪应力急剧增大，随后应变逐渐增大，剪应力增加速率逐渐降低并趋于稳定。干湿循环处理后的试样，表现出明显的应变软化现象，随着循环次数增加、围压减小，应变软化现象越明显，软化程度越剧烈。干湿循环处理降低了岩土体的抗破坏能力。

通过分析不同实验条件下试样的偏应力-轴向应变关系曲线可知：（1）干湿循环影响下，试样出现应变软化现象;（2）在相同围压下，干湿循环次数越多，试样破坏峰值强度越低，强度参数下降越明显;（3）通过对试验结果的拟合分析，在50 kPa围压下偏应力与循环次数关系见图2，并满足如下关系：y=-37.90ln（x）+266.05（R2=0.946 4）。

2.2.2 抗剪强度参数与干湿循环次数关系

抗剪强度参数是反应岩土体抗破坏能力的重要参数。试样初始粘聚力、内摩擦角分别为64.5 kPa、24.5°。基于摩尔-库伦准则分析干湿循环三轴试验结果，通过应力-应变曲线可知，试样的抗剪强度参数在第一次干湿循环后变化最为明显，随着干湿循环次数的增加，试样抗剪强度参数变化幅度逐渐降低，8次干湿循环后粘聚力下降约40.0%，内摩擦角增大约7.5%，在4次干湿循环处理后，试样参数逐渐趋于稳定。

通过对不同试验条件的粘聚力（c）和内摩擦角（φ）与干湿循环次数的关系，绘制关系曲线见下页图3。从图中可知，粘聚力与干湿循环次数的关系曲线为：y=-9.10ln（x）+64.5（R2=0.965 2）;内摩擦角与干湿循环次数的关系曲线为：y=0.34ln（x）+25.50（R2=0.900 5）。

3 软土路基边坡稳定性分析

3.1 数值模拟模型建立及参数选取

根据前文所讲的软土路基原型，建立该软土路基的数值模拟模型，计算参数根据室内干湿循环试验结果选取。建立的数值模拟模型见图4。

3.2 计算结果分析

3.2.1 软土路基稳定性系数分析

采用不同循环次数试验成果作为软土路基边坡稳定性的计算参数，研究不同循环次数条件下软土路基的稳定性情况，绘制路基稳定性系数与干湿循环次数的关系（见图5）。从图5中可知，随着岩土体干湿循环次数的增加，路基岩土体参数出现一定程度的降低，此时，边坡稳定性系数也产生一定的下降，干湿循环4次后，岩土体参数趋于稳定，边坡稳定性系数也趋于稳定。试验结果表明，软土路基边坡稳定性对于粘聚力较为敏感。

3.2.2 变形破坏特征分析

未进行干湿循环试验和进行8次干湿循环试验的路基变形云图见图6。未进行干湿循环试验的路基边坡最大变形量为5 cm，完成8次干湿循环试验的路基边坡最大变形量为10 cm，路基邊坡最大变形位置位于斜坡中上部。两次试验结果可知，多次干湿循环试验后路基稳定性系数和最大位移均有所增加，在路基边坡支护过程中应当提高重视。

4 结语

根据干湿循环试验结果可知，原状试样主要为应变稳定型，干湿循环试验后，试样应力-应变曲线表现为应变软化现象。进行干湿循环处理后，试样强度出现变化，随着循环次数增加，强度变化速度逐渐降低，8次干湿循环试验后，内摩擦角增大约为7.5%，粘聚力下降约为40%。软土路基稳定性变化情况与干湿循环强度参数变化趋于一致，4次干湿循环后强度参数趋于稳定;路基位移量在8次干湿循环后达到了10 cm。季节性软土地区路基支护应注意干湿循环带来强度参数变化，避免支护强度不够，造成路基失稳。

参考文献：

[1]齐鲁宁，张 威，王 伟.多年冻土地区公路挖方路基稳定性分析研究[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（10）：93-95.

[2]张冲冲，毛吉成，许广飞.降雨条件下非均质红黏土路基的稳定性分析[J].水利科技与经济，2019，25（6）：11-14.

[3]陈 强，李凤成，于兴国，等.基于FLAC3D的V型沟谷高填方路基稳定性分析[J].四川建筑，2019，39（6）：133-135.

[4]张凌晨，卢应发.一种新条分法在路基边坡稳定分析中的应用[J].公路，2019，64（12）：26-33.

[5]郭天惠，崔秀鹏，李再高.基于有限元分析的红砂岩填料路基沉降与稳定性分析[J].公路，2019，64（7）：271-274.

[6]曲汉波.泊松曲线法及仿真模拟计算法在市政道路软土路基沉降计算中的应用[J].内江科技，2019，40（12）：54-56.

[7]李士中.合肥地区新建盾构隧道下穿铁路路基段地层预加固措施研究[J].铁道建筑，2019，59（12）：60-64.

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[11]张新民.干湿循环对土体级配分形特性影响分析[J].水电能源科学，2020，38（1）：139-142.

收稿日期：2020-05-27