土石混合边坡含石量变化对稳定性的影响分析

董 骜 （安徽省交控建设管理有限公司，安徽 合肥 236111）

土石混填体是典型的非均质散体材料，主要成分有两个，一是土块，二是块石，其在山区公路中得到深入推广。由于这一材料中包括的物质存在一定的复杂性，其结构分布无具体特性，导致在研究工程力学性能时，存在很大的难度。因此，国内外学者深入探究力学特性，同时研究其路用性能，获得不少研究成果[1-3]。唐庆永等[4]针对现行路基压实质量常规评价指标的不足，基于路基填筑材料与振动压路机动态作用原理，总结归纳出路基连续压实质量评价指标；Ding[5]为避免实验室测试中同一样品中岩石空间分布的差异对土壤-岩石混合物渗透率的影响，以阀值控制法为依托，将土壤-岩石混合物数值模拟法总结出来。这些研究成果很难进行比较分析，同时在工程实践中仍然有很多未解决的问题，需要对其深入探究。为将上述问题有效解决，本文进行了直剪试验，对含石量影响边坡稳定性的情况进行分析，这对今后类似工程分析以及施工配比分析起到重要积极作用。

1 土石混填体基本试验研究

为研究某公路沿线土石混合体的性质，从沿线代表性土石混合边坡进行取样，发现公路土石混合体边坡组成物质的颗粒直径变化幅度大，从小于1mm到超过5m。显然，边坡组成物质中部分块石尺寸很大，但对于高达几十米甚至上百米的边坡，其相对尺寸较小，土石混合边坡具有很大的尺寸效应。

1.1 土石混填体的密度与比重

本文进行两次平行测定，首次试验的干密度为1.50g/cm3，此后又进行一次平行测定，其干密度为 1.62g/cm3，其平行差值小于0.03g/cm3，则其最终的干密度为1.61g/cm3。土石混填体土粒占比超过2.6，将其均值计算出来，其最后占比2.67。

1.2 土石混填体的液、塑限

以液、塑限联合测定法为依托，对其科学检验，如果圆锥下沉深度处于2.95mm，那么其含水率高于24%，如果这一下沉深度为17mm时，其含水率高于40%。所以，其细粒土液限超过40%，塑限超过24%，将塑限指数计算出来，其值是16.87，其液限指数达到0.32。

在h-w图上，查得纵坐标入土深度h=20mm所对应的横坐标的含水量w，即为该土样的液限wL。求出液限，通过液限wL与塑限时入土深度hP的关系曲线，查得hP，再由h-w图求出入土深度为hP时所对应的含水量，即为该土样的塑限wP。

液限wL与塑限时入土深度hP（wL-hP）的关系曲线，是按经验公式（1）的计算值绘制而成，其经验公式：

1.3 土石混填体的颗粒级配

为了解所研究工程路段土石混填体的级配情况，采用筛分法进行测定，由土石混填体颗粒级配曲线可得其限定粒径=20，中值粒径=5，有效粒径=0.82。由此得出Cu=24.39，Cc=1.52。使不均匀系数超过5的条件得以满足，同时Cc在1～3这一土石混填体颗粒级配要好一些。

1.4 土石混填体的击实试验

应用干土法，把待用土样在不同水分中放入进来，将其闷料24h，对其击实，其击实曲线见图1所示。土石混填路基里，其粘土最佳含水率超过18%，干密度最大值是1.73 g/cm3。

图1 不同含石量土石混填体击实曲线

2 含石量对土石混填体抗剪强度的影响规律

利用直剪试验，能够获取抗剪强度影响曲线,其含石量不一样，具体见图2所示。通过图2看出，由于含石量越来越多，垂直应力开始不同，使得抗剪强度进一步上涨。抗剪强度的上涨大多是由于结构出现改变，自悬浮式向骨架式进行转变。由图2看出，尽管其他条件不发生变化，由于含石量不断上涨，粘聚力不断增加，随后下降，内摩擦角进一步上涨。主要是因为含石量发生变化，其越来越大，导致骨架出现，从而令咬合作用突显，因此，使得内摩擦角进一步加大。在这期间，颗粒中的咬合作用使得粘聚力不断上涨，然而由于含石量的上涨，使得细颗粒含量不断下降，细颗粒间粘结力不断下降，导致前者的粘聚力与后者相比要大一些，从整体来看，粘聚力越来越小的态势体现出来。

图2 含石量对土石混填体抗剪强度及抗剪强度指标的影响

3 土石混填路基边坡稳定性分析

3.1 有限元计算模型的建立

土石混填路基是以土石混填体为主，特点是松散，将弹塑性材料应用，实施模拟比较适宜，而且这一模型的公式较为简单，计算参数获取也十分容易，所以本文将其作为本构模型。此外，根据路基对称性的要求，把路基作为有限元模型来看待。把路基边坡概化成最具代表性的计算模型，路基面宽度是20m，底部宽度是其两倍，坡高10m，坡比是1：1；如何使边界的影响降低，在自重情况下，对边坡稳定性给予考虑，使模型向下拓展2m，向两旁拓展2m。构建有限元模型，原点在模型中线的底部，同时X轴右侧是非负的，Y轴向上是非负，具体见图3所示。

图3 有限元模型

把模型两侧设置成水平方向，对其位移进行约束；把其底部设置成水平、垂直约束，将其位移进行约束；对于顶面以及坡面来说，不对其进行定位移约束，使其能够自主变化。针对边坡模型而言，科学运用自重应力场。结合模型的网格划分，其结点共计545个，单元共计496个，单元类型以四边形单元为主。本文的模型以Mohr-Coulomb模型为主，对其实施有限元计算，在含石量不一样时，获取石混填体力学参数，具体见下表所示。

不同含石量土石混填体力学参数

3.2 含石量对土石混填路基边坡稳定性影响分析

结合计算结果，关键指标柱状图见图4所示。通过图4看出，由于边坡中含石量越来越多，其处于极限情况下，最大拉应力值是增加的，而且其最大塑性应变是逐渐降低的。这是由于含石量的上涨，使得混填体重度不断上涨，路基边坡承受力加大，边坡应力值也越来越大，而且由于含石量的变化，导致抗剪强度进一步加大，使得边坡失稳现象越来越突出，必须进一步克服内力。所以，对于极限位置来说，坡体的最大拉应力值也发生了改变，其值开始增长。此外，由于含石量越来越多，泊松比越来越大，导致抗变形不断上涨，因此，对于极限条件来说，它的最大塑性应变也是不断下降的。结合这些数据能够得出，在路基边坡中，石块含量越来越多，能够显著提高整体力学特性，从而真正保证边坡稳定性。

图4 含石量对土石混填体边坡关键指标的影响

与此同时，含石量从50%逐渐增大至 80%，安全系数分别为 1.39、1.75、1.86、1.90。可以看出，由于含石量的不断上涨，其安全系数越来越大，非线性增长无规律可言，这是由于含石量出现改变，使得抗剪强度上涨而形成的。此外，含石量在50%～60%时，它的这一系数超过二十个点，含石量出现改变，在60%～70%变化时，这一系数与6%相接近。而含石量由70%变化为80%，安全系数高于2%，这就意味着，含石量在50%变化为60%的情况下，其安全系数的上涨是最显著的。

从总体来看，如果含石量与限值相比高一些，则其结构发生变化，会自骨架密实结构逐渐变化为骨架孔隙结构，含石量上涨不单会使坡体体力上涨，同时其抗剪强度不断下降，因为含石量发生变化，导致边坡安全系数越来越小。

4 边坡防护措施

结合计算分析结果，处于临界稳定或者欠稳定土石混合体边坡容易在降水、地震或者人工坡角开挖的作用下失去稳定，对不同破坏模式的土石混合边坡，要根据其稳定性分析研究成果进行针对性治理，主要采取以下措施。

①进行防排水处理。首先，在土石混合体与基岩接触上部修建截水沟，拦截边坡汇流来水，防止水流沿薄弱面下渗；其次，在土石混合体边坡坡体修建引水沟渠，将边坡水及时引排，减少坡体下渗。

②加固坡角或坡面防护。在工程修建时避免边坡坡脚开挖，修建地方路时应尽量绕行，尤其是对于边坡的整体式破坏，要采取限制坡体整体滑动的措施，对坡脚进行加固，实际工程中二级平台沿路线方向布设抗滑桩加强边坡整体稳定。对于边坡的局部坡面破坏，可以采用坡面防护、局部卸载和坡脚加固的方式进行综合治理。

③要加强边坡的监控量测。结合计算和现场监测，应选择在边坡相对稳定阶段进行防护加固施工，避免边坡发生最终失稳。

5 结论

文章利用控制变量法，在含石量不同的情况下，实施直剪试验，以此为依托，分析边坡稳定性情况，具体内容如下。

①实施物理力学性能试验，获取原始级配，对土的干密度等参数进行分析，利用击实试验，在含石量不一样的情况下，分析土石混填体的最佳含水量，从而为直剪试验打下坚实基础。针对单一变量控制，它的含石量基本在50%～80%，致其抗剪强度进一步增加。

②以强度折减有限元法为依托，计算边坡稳定性，由于含石量上涨，使得边坡在极限情况下，最大应力值进一步增长，而且最大塑性应变值是逐渐降低，由于含石量的上涨，使得边坡安全系数不断上升同时在含石量自50%上涨到60%的情况下，边坡安全系数的上升最为显著。