干湿循环作用下膨胀岩力学性质及岸坡稳定性分析

王启凡，安琳琳，蒋晓艳，刘菲菲

(1.华设设计集团股份有限公司常州分公司，213000；2.徐州市水利建筑设计研究院有限公司，江苏 徐州 221000；3.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001)

岩土体干湿循环是导致岩土体工程力学特性发生变化的一个重要因素。一般情况下，随着岩土体干湿循环次数的增多，岩土体力学参数将不断发生劣化，从而对边坡工程的安全带来不利影响。因此，研究岩土体干湿循环作用下的力学变化特性是非常必要的，可为边坡工程稳定性分析提供参考。

目前，有较多的专家、学者对岩土体干湿循环进行了较为深入的研究，取得了丰硕的成果。根据前人研究成果可以得知，干湿循环不但可以造成岩土体在微观层面上发生变化，在宏观层面上也将对岩土体的强度参数产生影响，导致边坡失稳等不利现象[1-4]。

通过对膨胀土进行干湿循环力学实验，研究不同围压条件下膨胀土的抗剪强度参数变化情况，分析干湿循环作用对膨胀土强度变化的影响，采用FLAC有限元数数值模拟方法对干湿循环作用下膨胀土边坡的稳定性变化进行分析。

1 实验条件

1.1 实验材料及实验设备

实验材料通过在膨胀土边坡现场人工采集的方式获得。为了保证实验结果的可靠性，采用恒温恒湿箱体提供干湿循环实验环境，以模拟试样在自然环境中的干湿变化过程。

1.2 实验步骤

实验环境模拟边坡所在区域的实际环境条件，干湿循环分别进行1、2、4、6、8次循环。具体的实验步骤已有较多人进行了详细的论述，此处不再赘述[5-7]。

将未进行处理的样品、进行干湿循环的样品进行三轴实验。围压分别设置为50、100、200、300kPa。在不同围压条件下实验样品进行固结，并保持围压不变的条件下进行剪切实验。

2 干湿循环作用下膨胀土力学特性研究

2.1 应力—应变关系

绘制不同实验条件下，试样最大、最小主应力之差与轴向应变的关系曲线，如图1所示。根据试验结果可以得知，未经处理的试样应力—应变关系曲线呈稳定变化过程，应变软化现象并不显著。在剪切试验的初期阶段，试样的剪应力增速明显，试样内部剪应力迅速增大；随着试样应变不断增大，试样的剪应力逐渐趋于稳定状态。利用恒温恒湿箱进行干湿循环后，试样的应力—应变曲线出现了较为明显的应变软化情况，随着试验围压的增大，应变软化现象逐渐减弱。干湿循环次数的增多将导致试样抗剪能力降低。

图1 偏应力与轴向应变关系曲线

根据数据拟合分析，干湿循环次数与岩土体偏应力的关系曲线如图2所示，从图中数据可以得知：y=-40.02ln(x)+268.21，其中x为循环系数，y为岩土体的偏应力。

图2 偏应力与循环次数关系曲线(σ=50kPa)

图3 抗剪强度参数与干湿循环次数关系

2.2 抗剪强度

抗剪强度参数是岩土体的力学参数之一，对边坡的稳定性影响较大。因此，分析抗剪强度参数变化特性与干湿循环次数的关系是非常必要的。根据试验结果，基于摩尔-库伦准则获取岩土体强度参数同干湿循环试验的关系。

根据实验结果可以得知，随着干湿循环次数的增加，岩土体抗剪强度参数的内摩擦角具有下降趋势，但是随着干湿循环次数的增多，内摩擦角参数下降速率不断降低。

由试验结果可知，在首次干湿循环后，岩土体抗剪强度参数下降最为严重，当干湿循环次数达到6次时，抗剪强度参数基本趋于稳定。

根据数据统计分析，岩土体内摩擦角与干湿循环次数关系如下：y=-8.144ln(x)+53.3330(R2=0.9038)；岩土体内聚力与干湿循环次数关系为：y=0.3825ln(x)+25.545(R2=0.9082)。出现上述变化的主要原因如下：在干湿循环作用下，岩土体颗粒间的胶结程度出现破坏，导致岩土体的内聚力受到较大的影响，出现强度衰减，与初始内聚力相比，8次循环后内聚力衰减约40%；而在干湿循环影响下，岩土体颗粒间的孔隙减小，摩擦力增大，从而导致岩土体的内摩擦角增大，与初始内摩擦角相比，增大约7.6%。

3 边坡稳定性研究

边坡稳定性岩土工程领域研究的重点课题之一。除边坡自身破坏导致的不良影响外，边坡破坏亦将对周边拟建物带来不利影响。

数值模拟方法是岩土工程中常用的研究方法，通过建立数值模拟模型，可以分析边坡的变形破坏机制，计算速度快、结果准确，在诸多工程中得到了使用，取得了良好的成果。

根据现场调查，边坡土体主要为膨胀土，结合前述岩土体干湿循环作用下的力学特性，分析不同干湿循环次数下，边坡的稳定性情况，为下一步工作提供参考。

3.1 数值模拟模型建立及参数选取

边坡数值模拟采用FLAC 3D计算软件[8-10]，选取边坡最不利断面进行分析计算。数值模拟计算参数采用干湿循环试验成果，如图4所示。

图4 数值模拟计算模型

3.2 结果分析

3.2.1 稳定性系数分析

根据不同干湿循环次数条件下边坡的稳定性情况，绘制稳定性系数和干湿循环次数的关系曲线，由下图可以得知，边坡稳定性系数随着干湿循环次数的增多而减小。表明干湿循环导致边坡岩土体力学特性发生劣化，导致边坡稳定性下降，如图5所示。

图5 循环试验下边坡稳定性系数变化

3.2.2 变形破坏特征分析

针对试验进行8次后的边坡变形云图，分析斜坡的变形响应机制。

进行干湿循环条件时，边坡稳定性整体处于相对较好的水平，边坡稳定性变化较小且变形小于2cm，如图6所示。

图6 干湿循环变形云图

4 结语

(1)未进行干湿循环试样的应力—应变为稳定性或软化型，干湿循环后试样呈现应变软化特性。随循环次数增加，软化效果越明显。

(2)通过干湿循环的进行，岩土体强度变化速率呈现较为明显的减慢现象。实验表明在进行第6次循环后，岩土体强度变化达到稳定状态。

(3)通过数值模拟分析岩土体干湿循环次数对边坡稳定性的影响结果可知，随着干湿循环次数增大，边坡稳定性降低，变形影响范围增大。在工程实践中不可忽略岩土体干湿循环作用对边坡的影响，尤其是涉水工程、干湿循环作用强烈的工程。