梁付云

（山東省蘭陵縣水利局，山東 蘭陵 277700）

0 引言

庫岸邊坡巖土體特性對庫岸邊坡具有較大的影響作用。魯巍巍等、曹偉等[1～2]從庫岸邊坡巖土體滲透特性出發(fā)，采用數(shù)值模擬的方法研究庫水位下降過程中邊坡浸潤線位置的變化和邊坡安全系數(shù)的變化，結(jié)果表明邊坡飽和滲透系數(shù)對浸潤線和邊坡穩(wěn)定性影響較大。劉磊等[3]對降雨引起庫水位變動情況下岸坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，提出了降雨工況下岸坡穩(wěn)定性的評價方法以及岸坡巖土體參數(shù)的獲取方法。楊金林等[4]以實際工程為例使用數(shù)值模擬的方法對庫水位變化情況下岸坡穩(wěn)定性變化進(jìn)行研究，認(rèn)為水位變化引起巖土體參數(shù)變化是造成邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生改變的主要原因。何金龍等[5]、鄧華鋒等[6]分別使用室內(nèi)物理模型試驗和力學(xué)機(jī)制解釋的的方法，研究庫水位變動過程中邊坡穩(wěn)定性的變化情況，以及巖土體強(qiáng)度變化與庫水浸泡時間之間的關(guān)系，結(jié)果表明巖土體抗剪強(qiáng)度隨著庫水浸泡時間先減小后增大。庫水位不是一個固定值，是隨著季節(jié)、降水等條件改變的一個動態(tài)值。因此，庫岸邊坡巖土體將經(jīng)歷多次干燥—濕潤—干燥—濕潤等循環(huán)作用。室內(nèi)干濕循環(huán)試驗是目前常用的一種對巖土體干濕循環(huán)作用下強(qiáng)度變化特征進(jìn)行分析研究方法。黃英等[7]使用干濕循環(huán)試驗對云南紅土的土水特征進(jìn)行研究；楊文青等[8]使用干濕循環(huán)試驗對改良紅黏土力學(xué)特性進(jìn)行研究；葉萬軍等[9]對干濕循環(huán)過程中黃土中水分運(yùn)移特征進(jìn)行研究；張雁等[10]使用干濕循環(huán)試驗研究煤矸石對膨脹土穩(wěn)定性的影響特征。庫水位的變動會引起邊坡巖土體不斷進(jìn)行干濕循環(huán)，引起巖體強(qiáng)度發(fā)生變化，因此，在前人研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行室內(nèi)干濕循環(huán)實驗，對巖土體干濕循環(huán)強(qiáng)度劣化特征進(jìn)行研究，為邊坡穩(wěn)定性評價提供強(qiáng)度參數(shù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料和設(shè)備

實驗材料通過人工獲取，在現(xiàn)場取得岸坡的原狀樣。采用目前較為先進(jìn)的恒溫恒濕箱保證良好的實驗環(huán)境，模擬實際工況，獲取較為可靠的實驗結(jié)果。

1.2 實驗步驟

實驗所用設(shè)備為恒溫恒濕實驗箱。模擬研究庫岸邊坡所在地的環(huán)境氣候條件。對試樣分別進(jìn)行1、2、4、6、8次干濕循環(huán)實驗。具體實驗操作步驟如下：

因為山東省臨沂市夏季降水較多，庫水位變化頻繁，將實驗樣品放入實驗箱，模擬當(dāng)?shù)叵募練夂?。設(shè)置溫度為：25℃，濕度為75%的實驗箱環(huán)境對現(xiàn)場取得的樣品進(jìn)行干燥處理。當(dāng)達(dá)到實驗樣品的縮限時，可停止干燥。對樣品進(jìn)行抽氣飽水，再次進(jìn)行干燥，當(dāng)含水率變?yōu)?0%時，即完成1次干濕循環(huán)。

將未進(jìn)行處理的樣品（原狀樣）、進(jìn)行干濕循環(huán)的樣品。進(jìn)行三軸實驗，選用4種圍壓，分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa。在不同的圍壓下進(jìn)行固結(jié)，并保持圍壓不變的情況下進(jìn)行剪切實驗，實驗過程中剪切速率控制為0.015 mm/min，設(shè)置軸向應(yīng)變速率為0.012%/min，軸向應(yīng)變超過20%時，可停止加載。

2 干濕循環(huán)作用下力學(xué)特性研究

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

不同圍壓下，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之差（偏應(yīng)力）和軸向應(yīng)變的關(guān)系見圖1。原始試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線變化與進(jìn)行干濕循環(huán)試驗的結(jié)果相比較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)出較弱的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。剪應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：應(yīng)變初期，剪應(yīng)力急劇增大，隨著應(yīng)變的增加剪應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，圍壓越小，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯，軟化程度高。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，造成實驗樣品抗破壞能力降低。

對多種實驗環(huán)境下（原狀樣實驗和干濕循環(huán)實驗）樣品的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行分析對比。干濕循環(huán)作用下，試樣應(yīng)變軟化現(xiàn)象較為明顯。在圍壓相同的情況下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，干濕循環(huán)作用下試樣的破壞強(qiáng)度降低較大，力學(xué)特性急劇劣化。通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合分析獲取巖土體偏應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線見圖2；關(guān)系式為：y=-38.91ln(x)+266.33，其中x為循環(huán)系數(shù)，y為偏應(yīng)力。

圖1 不同循環(huán)次數(shù)下試樣的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系曲線

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣的偏應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線（σ=50 kPa）

2.2 抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度是巖土體的一個重要力學(xué)特性，其大小對巖土體穩(wěn)定性具有重要的影響作用。試驗樣品原始C值為64.5 kPa，φ值為24.5°。使用摩爾—庫倫準(zhǔn)則，對干濕循環(huán)條件下試樣的實驗結(jié)果進(jìn)行分析。獲取粘聚力和內(nèi)摩擦角在進(jìn)行干濕循環(huán)后的變化特征。通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出，樣品強(qiáng)度參數(shù)（C，φ值）在完成第一次干濕循環(huán)實驗后產(chǎn)生最大幅度的降低。進(jìn)行8次干濕循環(huán)后C值降低約42.5%，φ值增大約6.7%（與天然狀態(tài)數(shù)據(jù)對比）。在循環(huán)實驗環(huán)境下，樣品強(qiáng)度參數(shù)將趨于一個穩(wěn)定值?？梢园l(fā)現(xiàn)：干濕循環(huán)4次后巖土體強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定。常丹，Yu等[11-12]認(rèn)為巖土體的內(nèi)聚力（C值）由巖土顆粒之間的膠結(jié)程度決定，內(nèi)摩擦角（φ值）由巖土顆粒之間的粗糙程度決定。干濕循環(huán)作用下，在水的物理化學(xué)作用下，降低了巖土體顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度，這就導(dǎo)致了在實驗過程中巖土體的內(nèi)聚力（C值）逐漸減小。然而，隨著干濕循環(huán)試驗的進(jìn)行，巖土體顆粒之間的孔隙逐漸減小，這在一定程度上增加了顆粒之間的摩擦強(qiáng)度，因此，在試驗過程中，巖土體的內(nèi)摩擦角（φ值）呈現(xiàn)相對增大的趨勢。通過擬合分析獲取不同工況下內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，見圖3。內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系為：y=0.3475ln(x)+25.482。內(nèi)聚力與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線為：y=-9.105ln(x)+55.137。

圖3 C，φ值與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

3 結(jié)論

（1）未進(jìn)行干濕循環(huán)試驗的樣品應(yīng)力—應(yīng)變?yōu)榉€(wěn)定性或輕微應(yīng)變軟化型。樣品經(jīng)過干濕循環(huán)作用后，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)變軟化特征。應(yīng)變軟化現(xiàn)象隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加越來越明顯。

（2）隨著巖體干濕循環(huán)試驗次數(shù)的增加，巖樣的內(nèi)聚力（C值）產(chǎn)生明顯的下降，內(nèi)聚力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系如下：y=-9.105ln(x)+55.137；內(nèi)摩擦角（φ值）出現(xiàn)小幅度的提升，內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)關(guān)系如下：y=0.3475ln(x)+25.482。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖土體強(qiáng)度變化速率逐漸減慢。通過室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，4次干濕循環(huán)試驗后強(qiáng)度變化達(dá)到穩(wěn)定；8次干濕循環(huán)試驗后C值降低約42.5%，φ值增大約6.7%（與天然狀態(tài)數(shù)據(jù)對比）。