含水率增长条件下路基边坡的稳定性研究

王志阳 崔宏环 马玉涛

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

含水率增长条件下路基边坡的稳定性研究

王志阳 崔宏环 马玉涛

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

针对河北省境内张家口、承德地区的山前冲洪积扇的粉质粘土路基在长期运营过程中由于裂缝而引起路基进水的现象，结合宣大公路养护大修工程，主要研究不同含水率条件下路基土强度及模量的变化情况，得出路基土粘聚力和内摩擦角及弹性模量随着含水量增加的变化趋势.结果表明：土的粘聚力和内摩擦角随着含水量的逐渐增加而逐渐变小并趋于稳定，剪切模量随着含水率的增加逐渐减低.同时，利用里正岩土软件，分析路基边坡稳定性在含水量增加的情况下的变化趋势，提出路基边坡在含水率增加的情况下的预防或处理办法，对指导张家口、承德地区路基的设计以及施工以及延长道路的使用寿命有重要的意义.

交通荷载；含水率；强度指标；弹性模量

0 引 言

河北省境内张家口、承德地区很多是山前冲洪积扇的粉质粘土地基，土质稳定性差，并具有强烈的毛细现象及水敏性特征，导致路基在长期运营过程中极易出现强度不足、不均匀沉降显著等病害特征，造成此地区公路路面早期病害极为严重;同时，受降雨、车辆动载等因素的影响，填方路基还可能会发生侧滑失稳现象，造成人员伤亡、交通断绝的严重后果.如下图所示：

因此，结合宣大公路养护大修工程，针对粉质粘土路基的吸水特性进行试验研究.本文通过直接剪切实验，研究路基土在从起始最优含水率由于地表水下渗直至达到饱和含水率的过程中，土的强度及模量变化指标.得出土体在含水量增加过程中的实际变化规律，进而研究张家口、承德地区土体的强度变化规律，提出路基土在含水量逐渐增加条件下的预防与处理办法，对指导张家口、承德地区路基的设计以及施工以及延长道路的使用寿命有重要的意义.

1 实验简介

1.1 土样、仪器以及实验方案

路基在交通荷载作用下的研究是一个重要的问题，国内外学者对此做出了很多的研究.Larew和Leonards(1962)[1]最早提出饱和软粘土存在临界循环应力比的概念，最后定义为不导致土体破坏的最大循环应力比[2]；冯秀丽[3]利用粉土开展室内动三轴试验，研究出动荷载作用下粉土的动应力与动应变的关系曲线，同时模拟出波浪荷载作用下粉土中孔压的变化规律；周建[4]对土体在循环荷载下的孔隙水压力进行了研究，她认为孔压受到循环应力比、加荷周数、超固结比、加荷频率等的影响，且影响应变的因素也很多，建议引入一个不随各种影响因素变化的客观基准量，即加荷周数来间接反映土体孔压与应变的关系.

虽然对于交通荷载作用下的路基动力性能做出了众多的研究，在动强度、动摩擦角、阻尼比等各种重要参数得研究中都取得了相当大的进步，但始终存在着一个致命性的问题就是学者们的研究成果始终不能统一化，例如有些研究针对特殊土壤、部分研究针对地区性土体等等.这些问题导致人们对于上述的研究并不能用于实际设计规范之中，并且在公路的设计与养护期间都不能使用上述实验方法或者实验手段所得到的实验数据，所以这些研究对于公路的实际作用并不大.路基进水会直接导致路基强度的降低，从而引起粘聚力与内摩擦角的变化，所以通过对粘聚力与内摩擦角的变化情况，我们可以直观的了解到路基进水之后的变化情况.针对以上情况，通过查阅《公路路基设计规范》并结合张家口地区实际情况，本实验采取规范所要求的强度指标测定方法中的直剪快剪进行试验，交通荷载拟静力学分析，依托《公路路基设计规范》，所得研究可以直接用于公路路基设计与养护之中.

实验所用为宣大公路K147+528标段路基旁的重塑土样，各物理力学指标为WL=31%，WP=18，塑性指数IP=13，土粒密度ds=1.71.颗粒筛分曲线以及击实试验曲线如下图所示.

本实验采用应变控制式匣式直剪仪，分别对不同含水率相同压实度条件下的土样进行快剪实验.查阅公路路基设计规范可知，高速公路上路堤的压实度要求应大于等于94%，本实验取压实度为98%的压实试件.根据击实试验结果可知当压实度为98%时，干密度应为1.64 g/cm3.为了得到不同含水率条件下的试样，我们采用自然条件下的风干土，通过计算配比出不同含水率的试样，通过饱和罐采用真空饱和的方法饱和直剪试件.并对不同含水率的试件用保鲜膜包裹，放入封闭养护缸进行养护，同时在直剪前和直剪后对土样进行含水率实验，来保证实验过程中含水率的稳定.由于影响土强度的因素有很多，所以我们努力排出其他因素对土样的干扰，以保证实验结果的正确性.

图1 粒径分析曲线 图2 含水率与干密度的关系曲线

根据图1我们可知，路基土砂粒(2～0.074 mm)成分占到了22%，并且黏粒(<0.002 mm)成分占总粒径的17%，综合液塑限数据，根细粒土分类可知，定义土性为粉质轻亚粘土.根据图2可以清晰的知道，土样的干密度在含水率为17%之前随含水量的增加而逐渐变大，在17%左右达到峰值.土样的最大干密度为1.67 g/cm3，最优含水率为为17.2%.根据饱和曲线可知，当干密度为1.64 g/cm3时，饱和含水率在24%附近.

1.2 实验结果

表1 直剪实验结果整理

1.3 实验结果分析

首先，观察峰值强度τf与含水量的关系，如下图3所示，同时画出不同含水率条件下强度包线图如图4所示：

图3 抗剪强度与含水率关系曲线 图4 垂直应力与剪应力的关系

由图3可以看出，不同压力下抗剪强度随着含水量变化的规律.由图我们可以清楚看到，在同一垂直压力下土样的抗剪强度峰值随含水量的增大而减小.当压力较小时比压力较大时土样峰值强度减小更为明显，当压力比较大时，含水量的变化对土样峰值强度的影响就相对较小了.这可能是因为当压力较大时，土样在压力作用下更为密实，此时土中水量的变化对土样的影响相对较小了.根据图我们可以清楚地认识到，当土样含水率从最优含水率增加时，峰值减小的很快，由此我们可以知道，当路基由于裂缝等原因而使地面水进入时，即使水量变化很小，但是强度会降低很多，所以通过实验我们也可以知道含水量的变化是对于路基影响很大的一个原因.

同时给出不同垂直压力下抗剪强度与含水量的公式：当垂直压力P=50 KPa时，τf=3473.e-0.14ω；当垂直压力P=100 KPa，τf=1990.e-0.13ω；当垂直压力P=200 KPa时，τf=1209.e-0.13ω.

由图4我们可以比较清楚的看出抗剪强度包线表现出很好的线性关系.强度包线的截距与倾角都随着含水率的增加而逐渐减小，也就是说，土的粘聚力c和内摩擦φ都随着含水率的增加而出现减小的趋势，但值得注意的是，通过表1里的数据以及图4的曲线变化情况，我们知道，土的粘聚力c和内摩擦φ当含水率增加到一定的范围内，粘聚力和内摩擦减小的速度会越来越低，说明此时会逐渐趋于一个稳定状态.这个结论同时证明了，我们要在路基进水的初始阶段就对路基进行处理，因为随着含水量的增加，路基的强度会逐渐降低，但是在初始阶段的处理是最为有效的处理方式.

由图5我们可以知道，粘聚力随含水量的增加逐渐减小，并近似呈现一种线性关系.对粘聚力进行微观分析我们可知，粘聚力是粘土强度的主要组成部分，由于粘土颗粒小，比表面积相对较大，颗粒之间彼此吸引，具有一定粘滞性的结合水存在可使颗粒形成水胶联结，从而为土体提供较大的剪切阻力.粘聚力主要跟土的结构强度有关，与垂直压力的关系并不明显.土的结构强度跟含水量有很大的关系，含水量越大，颗粒之间的联结力相对就越小，而因为粘聚力是粘土抗剪强度的主要组成部分，所以当含水量增加时，抗剪强度就会明显减小.通过实验数据我们可以明显知道，粘聚力随含水量增加减小近似呈现一种线性关系.这种情况给予我们充分的认识，对于公路的养护来说，含水量的逐渐增加会一直破坏路基土的强度，这是一个逐渐增长的过程，对于路基进水情况处理不充分，就会使其强度越来越低，直至破坏.

图5 粘聚力与含水率关系曲线 图6 内摩擦角与含水率关系曲线

图7 剪切模量与垂直应力关系曲线 图8 剪切模量与含水率关系曲线

同时给出粘聚力和内摩擦角与含水率的关系式：

c=709.2e-0.12ω.

φ=383.5e-0.12ω.

根据图6，我们可以看出，内摩擦角由含水率逐渐增加而减小，但减小趋势逐渐变缓，在饱和含水率周围趋于稳定.由微观机理我们可以知道，对于粘性土来说，在烘干状态下表面离子并非完全水化，当加入水后，水合离子对颗粒表面起较弱的接触，水分在土粒表面形成润滑剂，使内摩擦角φ变小.所以根据实验结果，结合宣大公路养护工程，从内摩擦角的方面考虑公路养护，我们也应在路面裂缝初期，对公路路面进行养护，防止水分进入路基土中.

查阅公路路基设计规范可知，路堤和地基的整体稳定性分析采用简化Bishop法，稳定安全系数FS按下式计算

(1)

式中：Wi——第i土条重力；

αi——第i土低划面的倾角；

Qi——第i土垂直方向外力；

Ki——系数，由于土条所在位置分别计算.

当土条i滑弧位于地基中时

(2)

Wdi——第i土条地基部分的重力；

Wti——第i土条路堤部分的重力；

bi——第i土条宽度；

U——地基平均固结度；

cdiφdi——第i土条滑弧所在地基土层的粘接力和内摩擦角；

mαi——系数，由(3)式决定；

(3)

φi——第i土条滑弧所在土层的内摩擦角，滑弧位于地基中时取地基土的内摩擦角，位于路堤中时取路堤土的内摩擦角；

其余符号意义同前.

通过Bishop法公式可知，由于地下水的变动渗入路基或由于地表水受阻塞或路基排水系统排水不良滞留在路基两旁，随着时间的延长渗入路基而导致路基的含水量增加，进而导致粘聚力与内摩擦角都逐渐减小，相应的稳定安全系数Fs会逐渐减低，路堤和地基的整体稳定性减小，发生路基边坡失稳破坏.

图7和图8可知，剪切模量随含水率的增加而减小最后趋于稳定，随垂直应力的增加而逐渐增大，根据剪切模量的意义，图7与图8从另一方面证实了上述的结论.

2 稳定性分析

通过理正岩土中的边坡稳定性分析，通过对同一边坡改变实验所得的参数值，分别分析四种含水率条件下的最不利条件下的滑动圆心与滑动半径，同时计算出滑动安全系数.

最不利 滑动面: 最不利 滑动面:

滑动圆心 =(3.514,7.714)(m) 滑动圆心 =(3.514,7.714)(m)

滑动半径 =11.489(m) 滑动半径 =11.489(m)

滑动安全系数=1.751 滑动安全系数=1.581

图9 W=17.2边坡稳定情况 图9 W=20.3边坡稳定情况

最不利滑动面: 最不利滑动面:

滑动圆心 =(3.514,7.714)(m) 滑动圆心 =(3.143,8.642)(m)

滑动半径 =11.489(m) 滑动半径 =11.874(m)

滑动安全系数=1.299 滑动安全系数=1.105

图9 W=22.4边坡稳定情况 图9 W=24.2边坡稳定情况

图9 边坡稳定系数与含水率的关系

通过左侧图9我们可知知道，路基边坡稳定系数随着含水率的增加而减小，同时减小速度逐渐增加.这一理论同时从侧面反映出了粘聚力与内摩擦角随着含水率的变化情况.这个理论更加证明了我们要预防路基以及边坡渗水，同时对于已经渗水的路基及边坡要及时进行处理，避免引发更大的路基边坡破坏，进而避免交通事故的发生.

3 路基防水方法

路基排水设计的目的就是把影响路基强度和稳定性的地下水及地面水及时的排出公路范围，在路基的使用过程中保持路基的干燥、稳定的状态.对于山区公路路基的排水一般采用的是“拦，截，疏，排”这四种处理方法.对于张家口地区山前冲洪积扇的粉质粘土地基，查阅相关文献，提出以下防治方法.

3.1 地面排水

对于张家口地区的路基来说，地表水受阻塞或路基排水系统排水不良而滞留在路基两旁，随时间的延长，渗入路基.同时，雨水通过破损破损的路面、中央分隔带、绿化带、土路肩和边沟侵入路基.已有研究表明，降雨入渗主要分布于路基边坡的浅层区域，雨水渗入量的多少与降雨量、降雨历时和渗透系数密切相关，强降雨能够造成路基边坡冲刷严重，使路基发生浅层滑坡.所以，对于张家口山区来说，地面水的影响最为主要，针对张家口等山区特点，提出以下几点建议.

(1)截水沟：对于路基坡面来说，应将各种排水措施综合起来，根据实际情况合理安排，使积水可以迅速排出公路路界以外.对于山区公路来讲，截水沟是重要的排水措施.首先，我们要实际考虑边坡的水流方向，精确计算边坡的汇水面积，为截水沟的结构设计提供精准可靠的依据；其次，我们要充分考虑雨水对坡面冲刷的影响程度，在汇水量较大或边坡教陡的地方适当增加截水沟数量，尽可能拦截所有流向路基的水；最后，我们要布置合理的急流槽位置，使截水沟的水可以迅速有效的排出，以防给水对路基边坡的影响.

(2)坡面防护：破面的防护措施可以分为绿化防护，支挡防护和抹面防护.绿化防护可以在边坡上种草及植树，可以防止边坡表面水土流失，固结表面土体，同时，对于渗入路基中的水可以充分吸收，增强路基的稳定性；同时可以降低水流流速，防治水流对路基的冲刷.种草应选择易成活、根系发达、生长迅速或者匍匐茎的种类，树木应选择张家口地区当地容易成活且根深枝密的品种.抹面防护可以减轻雨水对于路基边坡的冲刷，避免坡面的风化，支挡结构可以保护路基边坡稳定且是边坡免受雨水的侵害.

3.2 地下排水

对于张家口地区来说，地下水带来的影响虽然没有地表水的危害较大，但是也是不容忽略的因素.路基中如果存在地下水，会使得路基变软、塌陷、并严重影响路面结构的安全.针对张家口地区的公路路基，地下排水主要给出一下几条建议：

(1)当路基的基底层在局部范围内有泉水时，设置路基的横向盲沟，把水引排至路边纵向盲沟中或者路堑边沟内.横向盲沟应采用矩形级配碎石集水沟，同时下部埋设软式透水管.

(2)以防路堑处含水层的水像公路路基渗入，在路基边缘两侧设置纵向盲沟，同时应根据实际情况与山区特点设置不同走向或形式的排水系统.

(3)当设置管式或者盲沟时，埋置深度应根据地下水位以及地下水高程等因素综合确定，尺寸设计应考虑山体水位的高低、盲沟的坡度及坡长、抽口情况以及其他因素.对于山区路基地下排水的设计，我们要考虑基本设计因素的前提下，同时兼顾山区走势以及山区地基的实际情况，综合设计及施工排水系统.做到理论与实际相结合，更好的处理张家口地区山区路基的地下排水工作.

slope stability research under the conditions of increased moisture

WANGZhi-yang,CUIHong-huan,MAYu-tao

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering Hebei Zhangjiakou,07500,China)

Directed at the phenomenon that silty clay roadbed in the piedmont alluvial-pluvial fan caused the roadbed to be watered due to cracks in the long-term operation in Zhangjiakou and Chengde in Hebei Province,combined with XUAN-DA road maintenance project,the changes in soil strength and modulus because of the different moisture content are mainly study,and the trend of the soil cohesion and internal friction angle under conditions of increasing moisture is obtained. Results shows that soil cohesion and internal friction angle reduces and gradually comes to a stability as the moisture content increases.Modulus reduces as the moisture content increases.At the same time,by using the software of Lizheng geological structure,the trend of the slope stability under conditions of increased moisture is analyzed,and the approaches are proposed to prevent or deal with the roadbed slope under condition of increasing moisture.For the roadbed of design and construction as well as extending the life of the road,it has important guiding significance.

traffic loads;moisture content；strength index;modulus

2015-06-13

河北建筑工程学院科研基金项目：交通荷载作用下路基路面结构的动静力稳定性研(Z-2013080)

王志阳(1992-)，男，硕士研究生.

TU 4

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