馬江平

（張家口路緣公路工程有限責任公司，河北 張家口 075000）

路基邊坡土體常年經歷蒸發(fā)降雨、地下水位升降等引起的干濕循環(huán)，其內部結構發(fā)生變化，導致土體物理性質劣化。大部分時期路基邊坡土體處于非飽和土狀態(tài)，具有一定承載力。一旦經歷強降雨，邊坡土體充分浸水，在干濕循環(huán)的劣化作用及水的潤滑作用下，路基邊坡極有可能發(fā)生淺層滑塌。因此，研究干濕循環(huán)作用后飽和狀態(tài)的路基邊坡土體的力學特性具有重要理論和工程意義，可為公路路基邊坡穩(wěn)定性評價提供參考。

一、試驗材料及試驗方案

（一）土樣制備

試驗土樣取某公路路基施工場地，原始土樣經碾碎烘干過2mm篩，依據《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430-2020）[1]開展室內基礎試驗測試其基本物理性質，物理性質指標如表1所示。根據其塑性指數可判斷為粉質黏土。依據土體最優(yōu)含水率與最大干密度，采用95%的壓實度完成土料配置與試件制作，試件尺寸為直徑61.8mm、高20mm。

表1 土樣的物理性質指標

（二）試驗方案

干濕循環(huán)試驗方案如下：干燥過程，將制備完成的試件放在103℃（±5℃）的烘箱中，干燥至含水率為0；補水過程，將試樣裝入飽和器中抽真空2h，之后浸水10h使試樣充分飽和，以期模擬最極端氣候情況；完成上述兩步即為一個完整的干濕循環(huán)，試驗設計分為0、1、3、5、9、15次6個干濕循環(huán)等級。干濕循環(huán)完成后，將試件飽和處理后做直剪試驗。直剪試驗采用豎向壓力：50kPa、100kPa和150kPa；加載速率設置：0.8mm/min。

二、試驗結果整理分析

（一）剪應力-剪應變關系曲線特征

各干濕循環(huán)次數下飽和路基土直剪試驗的剪應力-剪應變關系曲線如圖1所示。由圖可見，干濕循環(huán)次數對剪應力-剪應變曲線形態(tài)影響并不明顯，主要引起剪應力降低，未經歷干濕循環(huán)的試件其剪應力明顯高于經歷干濕循環(huán)的試件，隨著干濕循環(huán)次數增加剪應力降低愈加不明顯。在干濕循環(huán)的過程中，經水流對土體的沖刷作用，造成細顆粒流失，土體骨架結構受損。干濕循環(huán)初期沖刷作用明顯，土體骨架結構受損顯著，剪應力降低明顯，后期骨架結構逐漸穩(wěn)定，剪應力降低趨勢趨于平緩。

圖1 不同干濕循環(huán)條件下剪應力-剪應變關系曲線

（二）抗剪強度及其指標變化特征

《土工試驗方法標準》（GBT 50123-2019）中規(guī)定了直剪試驗抗剪強度取值標準：對于存在明顯峰值點的剪應力-剪切位移曲線，抗剪強度取峰值點處剪應力；對于沒有明顯峰值點的剪應力-剪切位移曲線，抗剪強度取剪切位移?L=4mm（剪應變ε=0.065）處對應剪應力。抗剪強度隨干濕循環(huán)變化曲線如圖2所示。隨著干濕循環(huán)次數增加，抗剪強度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。干濕循環(huán)前期結構劣化嚴重，后期骨架結構穩(wěn)定，并隨干濕循環(huán)次數的增加劣化逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 抗剪強度與干濕循環(huán)次數關系曲線

不同干濕循環(huán)次數條件下，對抗剪強度與豎向壓力做線性擬合，如圖3所示。根據庫倫定律得到抗剪強度指標黏聚力c和內摩擦角φ，二者受干濕循環(huán)影響的關系曲線如圖4所示。受干濕循環(huán)影響，黏聚力逐漸減小并趨于穩(wěn)定，內摩擦角基本保持不變。干濕循環(huán)過程中土樣的吸附結合水不斷經歷形成-失去。補水過程中，自由水中的氫氧團會破壞吸附結合水表層不穩(wěn)定的范德華力和氫鍵，使黏土表面的正、負電荷趨于平衡，降低土粒的電勢能，導致吸附結合水含量減少。因此飽和土中，失去的弱結合水由不具有固相性的自由水代替，土粒之間的吸引力變差，導致黏聚力變弱。

圖3 抗剪強度與豎向應力關系曲線

圖4 抗剪強度指標與干濕循環(huán)次數關系曲線

三、鄧肯-張模型的應用

鄧肯-張雙曲線模型因其概念清晰，簡單易于理解，且能較好地反映土體的非線性形態(tài)，在巖土工程中應用非常廣泛。鄧肯-張模型最初是用于土體三軸試驗應力-應變關系的擬合，以Clough和Duncan為代表的部分學者嘗試將該模型運用在直剪試驗上，發(fā)現(xiàn)土和混凝土接觸面處的剪應力和相對剪切位移也符合雙曲線關系[3]。因此，利用鄧肯-張雙曲線模型分析路基邊坡飽和土體在豎向壓力σn=150kPa時的剪應力-應變關系。

三軸試驗中根據應力-應變關系得到的雙曲線函數，推廣至直剪試驗，則不同法向壓力下剪應力與剪應變間關系可以表示為：

式中：τ為剪應力；ε為剪應變；Esi為初始切線剪切模量；τult為應變趨于無窮大時的極限剪應力。

初始切線剪切模量Esi與法向應力σn也存在如下關系，根據直剪試驗結果，對lg(Esi/pa)和lg(σn/pa)做線性擬合即可得到參數k、n的值。

式中：k為剪切模量系數；n為剪切模量指數系數；pa為標準大氣壓值，取101.4kPa。

定義破壞比Rf，表達式為

式中：τf為破壞剪應力，取剪切位移?L=4mm（剪應變ε=0.065）對應的剪應力；τult為極限剪應力，取剪切位移?L=6mm（剪應變ε=0.097）對應的剪應力。

依據上述公式可得到豎向壓力σn=150kPa時不同干濕循環(huán)次數條件下k、n、c、φ、Rf等參數的具體值，如表2所示，根據Mohr-Coulomb強度準則，并結合式(1)式(2)可得到切線模量計算公式如下：

表2 不同凍干濕循環(huán)次數條件下鄧肯-張雙曲線模型參數

通過上述鄧肯-張模型公式模擬應力-應變曲線對比相同試驗條件下測得的應力-應變曲線，結果如圖5所示，二者變形特性基本一致，說明鄧肯-張模型運用到飽和土直剪試驗的剪應力-剪應變分析具有可行性。但由于雙曲線函數關系的限制性，對于豎向壓力較小、剪應力-剪應變呈現(xiàn)軟化性破壞的土體模型并不適用，存在一定缺憾。

圖5 剪應力-剪應變關系曲線實測值與模型擬合曲線對比

四、結語

豎向壓力對剪應力-剪應變關系曲線影響顯著，豎向壓力越大剪應力-剪應變關系曲線越趨向于應變硬化型破壞；干濕循環(huán)會引起抗剪強度劣化，前期劣化顯著，隨著干濕循環(huán)次數的增加劣化趨于穩(wěn)定；干濕循環(huán)的劣化作用，主要表現(xiàn)在對于黏聚力的劣化，經歷干濕循環(huán)的飽和土內部結合水含量減少，黏聚力降低；利用鄧肯-張雙曲線模型對豎向壓力σn=150kPa時的剪應力-應變關系做數據擬合，擬合效果良好，對于剪應力-剪應變關系滿足雙曲線函數關系的直剪試驗，鄧肯-張雙曲線模型具有適用性。