考虑含水率影响的压实黄土路堤稳定性研究

吴文彪，郑俊杰，曹文昭

（华中科技大学 岩土与地下工程研究所，湖北 武汉 430074）

1 引 言

随着国民经济的快速发展和西部大开发战略的深入，国家对西部地区基础设施建设的投入不断加大，高速公路建设得到了大力发展。受黄土地区地形地貌条件的制约，采用黄土填料的高填路堤已成为主要的路基型式之一，其填土高度常在20 m以上[1]。路堤压实黄土是在非饱和状态下经人工压实而形成的，是典型的非饱和重塑土[2]，其抗剪强度和变形特性受含水率变化的影响很大[3]，由降雨等因素引起的压实黄土高填方路堤边坡失稳时有发生[4]，严重影响了高速公路的长期运营性能，并为行车安全带来隐患[5]。考虑饱和度对压实黄土抗剪强度的影响，研究含水率变化对黄土高填方路堤稳定性的影响，可为黄土高填方路堤的设计与施工提供重要参考。

周勤等[6]通过进行压实黄土的室内回弹模量试验、湿陷试验、动三轴试验和抗剪强度试验，分析了压实度和含水率对压实黄土的静态回弹模量、附加压缩变形、动模量、动阻尼比和抗剪强度等的影响。王林浩等[7]对山西吕梁某地压实黄土状粉土进行24组直剪试验，讨论了含水率和干密度对压实黄土状粉土抗剪强度指标的影响。申春妮等[8]进行了一系列控制吸力、含水率和干密度的直剪试验，研究了重塑非饱和土的抗剪强度特性。黄琨等[9]对原状土和两种控制含水率方法的重塑土进行直剪试验，发现含水率对抗剪强度的影响主要是降低了土的黏聚力，对内摩擦角的影响较小。

土坡稳定性问题是岩土工程学科中最古老典型的研究课题之一[10]，利用土工合成材料加筋处理堤坝软基是一种常见且行之有效的方法[11]。Long等[12]通过数值和理论两种方法对比分析了未加筋路堤与加筋路堤的稳定性，指出由于加筋路堤中考虑了滑裂面上加筋材料附加的摩擦力，路堤稳定性明显提高。魏红卫[13]通过建立高陡加筋路堤的有限元数值模型，分析了加筋路堤的稳定性及其影响因素。王志斌等[14]通过大比例模型试验，对比分析了斜坡地基上土工格栅加筋和未加筋填方路堤在坡顶荷载作用下的变形与破坏规律。试验结果表明，土工格栅能够大幅减小斜坡地基上填方路堤的水平位移，提高路堤的稳定性。

本文对山－平高速公路 K210+987～K211+087现场试验段黄土路堤填料进行一系列室内击实试验和三轴试验，讨论含水率对重塑压实黄土物理力学性质的影响，并结合试验结果，建立数值分析模型，对不同含水率的填土加筋路堤进行稳定性分析。

2 试验研究

2.1 击实试验

根据《公路土工试验规程》[15]（以下简称规程），采用轻型击实试验方法，按4分法配置5种不同含水率试样，按照规程相应试验步骤分别击实，得到含水率与干密度的关系曲线如图1所示。

图1 干密度与含水率关系曲线Fig.1 Relationship between dry density and water content

从图中可以看出，该黄土路堤填料最佳含水率为11.5%，最大干密度为1.924 g/cm3。

2.2 试样制备

配制含水率为11.5%的土样（实际为11.04%），用饱和器（φ39.1 mm×80 mm）分4层击实制样。图 2为试样干密度、压实度和锤击次数的关系曲线。随着锤击次数的增加，土样的干密度和压实度同步增大。当锤击次数为 20击时，土样压实度为84.5%，锤击次数为35击时，土样压实度大于85%。陈开圣等[16]制备试样时所选压实度分别为 85%、90%及95%，本试验中选择制备压实度为85%的土样，即控制土样制备锤击数为20击。

图2 干密度、压实度与锤击次数关系曲线Fig.2 Curves of dry density and compaction degree vs. blow count

分别配制含水率为8%、10%、12%、14%、16%和18%的土样，采用饱和器分4层击实制样，得到不同含水率时土样密度和干密度值，见表1。密度、干密度和饱和度随含水率变化曲线如图3所示。

表1 含水率对土样密度的影响Table 1 Effect of water content on density of soil samples

图3 密度、饱和度与含水率关系曲线Fig.3 Curves of density and degree of saturation vs. water content

由表1和图3可知，随着含水率（饱和度）的增加，土样密度呈上升趋势，干密度则按减小－增大－减小的趋势变化；密度最大差值为0.388 g/cm3，占初始密度的23.4%，干密度最大差值为0.208 g/cm3，占初始干密度的 13.6%，可见含水率的增加对密度和干密度的影响都较大。填土含水率每增加 2%，密度增量最大达到 0.119 g/cm3，占初始密度的6.62%，干密度增量最大达到0.101 g/cm3，占初始干密度的6.19%，增量幅值也较大。

2.3 三轴剪切试验

对制备的土样进行不固结不排水三轴剪切试验，剪切速率控制为0.8 mm/min，模拟现场快速施工条件，绘制不同含水率下土样在100、200、300 kPa围压下的三轴压缩曲线，选取相应峰值点或15%应变对应点绘制各含水率土样的摩尔-库仑曲线，得到不同含水率土样的抗剪强度，见表 2。土样黏聚力及内摩擦角与含水率的关系曲线如图4所示。

表2 不同含水率土样抗剪强度Table 2 Shear strength of soil samples with different water contents

图4 填土含水率对抗剪强度的影响Fig.4 Shear strength vs. water content

从图 4中可以看出，压实黄土试样黏聚力在60～80 kPa之间变化，随含水率变化，黏聚力先增后减，然后再增；压实黄土试样内摩擦角开始在28°上下波动，当含水率大于16%时，内摩擦角急剧下降。分析原因，可能是因为此时试样饱和度已达80%以上，试样内部水的润滑作用明显高于其胶结作用。综上可知，非饱和压实黄土试样的黏聚力和内摩擦角与含水率的关系并不是单调的递增或递减关系，而是随着含水率的增加，黏聚力和内摩擦角呈现一增一减的规律，即当黏聚力增加时，内摩擦角减小；当黏聚力减小时，内摩擦角增加，具有一定的互补性。压实黄土试样黏聚力的变化较明显，内摩擦角变化较小，当含水率到达17.90%后，内摩擦角大幅减小，黏聚力同时达到一较高值。

3 数值建模分析

3.1 工程概况

选取山-平高速公路 K210+987～K211+087现场试验路段为分析对象，建立数值分析模型，模型几何尺寸如图5所示，相关物理力学参数见表3（土工格栅轴向刚度EA=86.0 MN/m）。对 50 kPa和20 kPa荷载作用下的不加筋、加2层、3层和4层土工格栅4种路堤加筋工况，运用FLAC3D软件建立数值模型，采用强度折减法计算边坡的安全系数K，研究填土含水率对加筋路堤稳定性的影响。

图5 试验路段断面示意图Fig.5 Sketch of trial embankment section

表3 试验段土层物理力学参数Table 3 Physico-mechanical properties of strata in test field

3.2 填土含水率的影响

3.2.1 含水率对加筋路堤安全系数的影响

采用试验所得压实黄土不同含水率时对应的密度和抗剪强度进行数值分析（对路堤填土抗剪强度进行折减，填土密度采用不同含水率时对应的密度），得到不同工况下路堤安全系数与填土含水率的关系曲线如图6所示。从图中可以看出，当考虑含水率对填土密度及抗剪强度的影响时，路堤安全系数随含水率的增大而减小。对比不加筋材、加2层、3层和4层土工格栅工况下的路堤安全系数可知，路堤稳定性随加设土工格栅层数的增加而增大，在路堤中加设土工格栅能大大提高路堤的稳定性。

图6 含水率对加筋路堤安全系数的影响Fig.6 Safety factor of geogrid reinforced embankment and water content of compacted loess

3.2.2 含水率对加筋路堤滑动面的影响

图7 不同含水率时加筋路堤的潜在滑动面Fig.7 Potential sliding surface of geogrid reinforced embankment with different water contents

图7为不同含水率下加筋形式对路堤潜在滑动面的影响。路堤潜在滑动面位置和形状随含水率的变化不大，可能是所考虑的含水率的变化范围不够大。由于填土含水率超过18%后，试样制备较难成功，使得试验研究的填土含水率的变化范围有限。从图7中可以看出，不加筋时路堤滑动面都是从路堤顶面贯通至路堤左侧，随含水率的增大，滑动面越往深处发展，而加设2层、3层和4层土工格栅的加筋路堤滑动面都是从路堤右侧坡脚贯通至路堤左侧坡脚，贯通区所在位置跟冲沟所在位置相似，表明在路堤中加设土工格栅可以提高路堤的整体性，不易出现滑坡现象。同时，随含水率的增加，滑动面往深处发展，安全系数减小，路堤趋于不稳定。

4 结 论

（1）含水率的增加对密度和干密度的影响都较大，随着含水率（饱和度）的增加，土样密度呈上升趋势，干密度则按减小－增大－减小趋势变化；密度、干密度最大差值分别占初始密度、初始干密度的23.4%和13.6%。

（2）随着含水率的增加，填土黏聚力和内摩擦角呈现一增一减的规律，即当黏聚力增加时，内摩擦角减小；当黏聚力减小时，内摩擦角增加。当含水率高于16%时填土内摩擦有明显下降趋势。

（3）综合考虑含水率对填土密度和抗剪强度的影响，路堤安全系数随含水率的增大而明显减小，路堤稳定性降低。

（4）路堤加设土工格栅后，整体性提高，不易出现滑坡现象，加筋能有效提高路堤的稳定性。随着含水率的增加，滑动面往深处发展，滑动面范围增大，路堤趋于不稳定。

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