不同含水量下高填方順層邊坡土巖界面直剪試驗(yàn)研究

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

試驗(yàn)與研究

不同含水量下高填方順層邊坡土巖界面直剪試驗(yàn)研究

劉宏力李開迪袁奇廖俊秦龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州貴陽550081)

由于巖性上存在軟硬突變，以及降雨下滲時(shí)地下水沿土巖界面向坡腳滲流，高填方順層邊坡的土巖界面常為邊坡破壞的潛在滑動(dòng)面。為了給邊坡防護(hù)提供參考依據(jù)，利用不同含水量土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，探究土巖界面的剪切特性。結(jié)果表明，不同含水量的土巖界面在剪切過程中表現(xiàn)出不同程度的軟化特征，正應(yīng)力越大，界面應(yīng)變軟化越明顯。

高填方；順層邊坡；土巖界面；直剪試驗(yàn)

由于貴州地處云貴高原東部，區(qū)域地層受多期構(gòu)造作用，造成地貌溝谷分布多，地貌高差大[1-2]。伴隨貴州省內(nèi)高速公路和各等級(jí)公路改擴(kuò)建工程的蓬勃發(fā)展，公路隧道及挖方邊坡數(shù)量都較大。由于填方路基對(duì)于消化棄方具有良好效果，亦可避免另尋棄土場(chǎng)造成對(duì)田地的永久侵占，因此，高填方在貴州省內(nèi)高速公路和各等級(jí)道路建設(shè)過程中并不鮮見。盡管秉承“地質(zhì)選線”的設(shè)計(jì)理念，基巖為順層邊坡的各種填方邊坡依舊存在[3]。

順層巖質(zhì)邊坡的滑塌與穩(wěn)定性理論分析已被較多學(xué)者進(jìn)行過廣泛研究。蔣建平等認(rèn)為包含土巖界面在內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)面控制著土體的變形和破壞[4]。吁燃等對(duì)高挖方的順層坡潰屈破壞進(jìn)行了理論分析，并結(jié)合不同工況進(jìn)行了穩(wěn)定性對(duì)比[5]。韋達(dá)等分析了不同模式下順層巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)面的確定方法[6]。鄒宗興等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪結(jié)合理論分析，劃分了順層滑坡模式[7]。對(duì)于填方路基的順層坡問題，王蓉蓉等根據(jù)鉆孔土樣在室內(nèi)配比試驗(yàn)了含水量對(duì)風(fēng)化界面剪切特性的影響[8]。袁奇等對(duì)下里哈高速公路順層填方路基順層邊坡防護(hù)做了穩(wěn)定性計(jì)算[9]。然而，由于各順層邊坡工程地質(zhì)條件有別，支護(hù)方式不同，且填筑體的巖性與下伏基巖存在軟硬的突變，當(dāng)降雨下滲到填方路堤的基底，地下水沿基巖頂面向坡腳滲流，地下水在基巖頂面淤積，對(duì)土體有軟化的作用，順層填方路堤邊坡沿土巖界面滑塌的事例并不鮮見。

含水量作為影響巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，影響著高填方路堤土巖界面的抗剪強(qiáng)度。王蓉蓉根據(jù)對(duì)風(fēng)化界面不同含水量的剪切特性進(jìn)行了研究[8]。盧廷浩等對(duì)利用室內(nèi)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)接觸面進(jìn)行了強(qiáng)度規(guī)律探索[10]。綜合以上，本文利用貴州S304省道某段高填方順層路堤邊坡所取巖土樣，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)，探究含水量對(duì)土巖界面的剪切特性的影響，從而為邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

S304省道位于貴州省桐梓縣，處于黔北高山地區(qū)向四川盆地過渡區(qū)域，區(qū)域地面起伏大，高差大。道路起于桐梓縣花秋鎮(zhèn)，終于桐梓河畔的圓滿罐鄉(xiāng)，地貌高程落差達(dá)到669.5 m。區(qū)域年平均降雨1 038.8 mm，主要集中于夏秋兩季，夏秋兩季區(qū)域內(nèi)地層極為富水。本段高填方順層陡坡路段全長(zhǎng)80 m，起止樁號(hào)為K7+500和K7+580，中心最大填高13.39 m，最大邊坡高度為45.30 m。地層由新到老分別為灰褐、灰黃色第四系(Qel+dl)松散坡積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)泥巖、頁(yè)巖。巖層產(chǎn)狀為130°∠20°。路線走向?yàn)?33°，因此該路段為典型的高填方順層陡坡路堤，K7+560為該段路堤典型工程地質(zhì)剖面，見圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域工程地質(zhì)橫斷面示意

2 直剪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及方法

取野外調(diào)繪坡積粉質(zhì)黏土約10 kg，結(jié)合鉆孔巖芯樣基巖強(qiáng)風(fēng)化層樣約5 kg。坡積粉質(zhì)黏土烘干通過2 mm篩分取出細(xì)粒土供試驗(yàn)使用。所得主要參數(shù)如下：ρs=2.55 g/cm3，土樣干密度ρd=1.82 g/cm3，最佳含水量為12.73%。將所得細(xì)粒土均勻加水，配比含水量設(shè)定為8.1%，10.2%，12.7%，15.8%，19.9%，24.7%。保持所用試樣干密度一致為ρd=1.82 g/cm3。

為模擬土巖界面的巖性軟弱突變，對(duì)剪切試驗(yàn)進(jìn)行改變，下剪切盒放置強(qiáng)風(fēng)化泥巖樣，保持層面與剪切面平行，下剪切盒空隙之處用相應(yīng)含水量配比的坡積粉質(zhì)黏土樣充填，上剪切盒放置相應(yīng)含水量配比的土樣試驗(yàn)，下剪切盒內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化巖樣一次試驗(yàn)后不再使用，重新放置下剪切盒巖樣，見圖2。利用等應(yīng)變直剪儀，法向應(yīng)力設(shè)置為400，200，100，50 kPa。速率剪切保持為4 r/min，具體實(shí)驗(yàn)步驟按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行操作[11]。

圖2 剪切試驗(yàn)剪切盒示意

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)含水量為12.7%和24.7%的兩組典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖3。土巖界面在不同含水量的剪切過程中，都呈現(xiàn)一定程度的應(yīng)變軟化；對(duì)比含水量為12.7%及含水量為24.7%下四組法向應(yīng)力試驗(yàn)可以看出，法向應(yīng)力越大，模擬所得的土巖界面剪切應(yīng)變軟化越明顯。

圖3 12.7%和24.7%含水量下剪應(yīng)力-位移曲線

對(duì)6組不同含水量共24組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類擬合，得到表1。將粘聚力(C)、內(nèi)摩擦角(φ)和含水量的關(guān)系繪制得到圖4。

表1 不同含水量下的C和φ

根據(jù)圖4分析可知，當(dāng)試樣含水量為12.7%時(shí)，土巖界面的粘聚力和內(nèi)摩擦角都存在著極大值。當(dāng)含水量低于12.7%時(shí)，隨著含水量增大，土巖界面剪切過程中粘聚力和內(nèi)摩擦角都相應(yīng)增大；當(dāng)含水量高于12.7%時(shí)，含水量增大，土巖界面剪切過程中粘

圖4 內(nèi)摩擦角、粘聚力與含水量關(guān)系

聚力和內(nèi)摩擦角卻隨之減小。但界面剪切含水量為24.7%時(shí)，粘聚力為零。分析認(rèn)為，這是由于含水量增大，水充滿土顆粒間的孔隙，造成土巖界面出現(xiàn)剪切滑移現(xiàn)象所致。

3 設(shè)計(jì)措施

由于該區(qū)域降雨主要集中在夏秋兩季，年平均降雨量為1 038.8 mm，根據(jù)本次試驗(yàn)，土巖界面的抗剪強(qiáng)度在含水量變化所呈現(xiàn)的先增大后降低的情況可從以下兩個(gè)方面進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)：①對(duì)土巖界面開挖臺(tái)階，使填筑體與基巖呈鋸齒狀接觸，避免順層的土巖界面成為高填方順層邊坡的軟弱結(jié)構(gòu)面。根據(jù)以往貴州省內(nèi)高填方邊坡的設(shè)計(jì)，臺(tái)階寬度存在2 m、3 m、4 m及5 m不同寬度的臺(tái)階，根據(jù)施工反饋結(jié)合道路運(yùn)行后填方路基的穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)，建議臺(tái)階寬度以4 m為宜。②清除表層松散粉質(zhì)黏土，填筑透水性材料，設(shè)置盲溝，及時(shí)排除地下水，避免地下水在土巖界面的淤積，造成高填方路堤邊坡土巖界面的巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)的軟化和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的弱化。

4 結(jié) 論

本文以貴州省桐梓縣S304省道K7+500～K7+580高填方順層邊坡為背景，利用室內(nèi)直剪試驗(yàn)探究不同含水量下高填方順層邊坡土巖界面的剪切特性。主要結(jié)論如下：

(1) 不同含水量下土巖界面的剪切都存在一定程度的應(yīng)變軟化，試驗(yàn)法向應(yīng)力越大，應(yīng)變軟化越明顯。

(2) 當(dāng)含水量低于12.7%時(shí)，隨著含水量增大，土巖界面剪切過程中粘聚力和內(nèi)摩擦角都相應(yīng)增大；當(dāng)含水量高于12.7%時(shí)，含水量增大，土巖界面剪切過程中粘聚力和內(nèi)摩擦角卻隨之減小。但界面剪切含水量為 24.7%時(shí)，粘聚力為零。

(3) 建議邊坡設(shè)計(jì)時(shí)開挖4 m寬大臺(tái)階，使填筑體與基巖呈鋸齒狀接觸，避免順層的土巖界面成為高填方順層路堤邊坡的易滑面。清除表層松散粉質(zhì)黏土，填筑透水性材料，設(shè)置盲溝，及時(shí)排除地下水，避免地下水的淤積導(dǎo)致邊坡土巖界面參數(shù)的軟化。

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(編輯：黃艷艷)

TV457

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2017-05-08

劉宏力，男，貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，高級(jí)工程師.

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