高鐵塹坡粉質(zhì)黏土原位強度特性與應(yīng)力歷史效應(yīng)

李晶晶 孔令偉 凌賢長

摘? ?要：針對高速鐵路塹坡防護工程不同施工工序中坡體強度參數(shù)選取問題，基于原位孔內(nèi)剪切試驗，依托哈佳高速鐵路工程，通過成孔后施加不同法向應(yīng)力水平的固結(jié)剪切和先施加較高法向應(yīng)力（這里稱為預(yù)加荷載pr）后卸載至某一應(yīng)力水平再固結(jié)剪切等工況下的現(xiàn)場試驗，獲取塹坡粉質(zhì)黏土強度特性隨荷載施加方式的演化規(guī)律.結(jié)果表明：粉質(zhì)黏土原位應(yīng)力-位移曲線總體上呈弱硬化變形特征;應(yīng)力歷史對粉質(zhì)黏土的抗剪強度影響顯著，主要體現(xiàn)在黏聚力上，預(yù)加荷載由0 kPa增加到400 kPa時，土體黏聚力顯著增加，增幅在18.7～51.8 kPa之間;內(nèi)摩擦角降幅甚微.粉質(zhì)黏土的黏聚力和施加預(yù)加荷載后的黏聚力增量均與含水率呈線性負相關(guān)，但隨著含水率的增加，支護荷載存在臨界值.黏聚力與預(yù)加荷載呈線性正相關(guān)，在實際工程中，可根據(jù)工程要求達到的安全系數(shù)，通過黏聚力和預(yù)加荷載的關(guān)系反推出所需預(yù)加荷載大小，從而為實際工程設(shè)計與施工提供借鑒參考.

關(guān)鍵詞：孔內(nèi)剪切試驗;粉質(zhì)黏土;高鐵塹坡;應(yīng)力歷史

中圖分類號：TU43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract：Considering the issue of reasonably selecting the strength index in different construction procedures of high-speed railway cut slope， borehole shear test （BST） was carried out on silty soil. The influence of loading addition way on in situ strength characteristics of silty soil was studied by adding different normal stress levels and unloading to a certain stress after adding a higher normal stress （herein called preloading）， taking Hajia high speed railway as engineering background. The results show that in-situ stress-strain curves of silty soil generally present the variation characteristic of weak hardening. Preloading greatly contributes to the shear strength， mainly in cohesion. With the increase of preloading from 0 kPa to 400 kPa， cohesion increases distinctly in the increment of 18.7～51.8 kPa， while internal friction angle rarely varies. Both cohesion and its increment after the preloading are nearly negatively linear to the water content of silty soil， but a critical preloading may occur when water content reaches to a certain value. The cohesion is positively linear to preloading， which should be fully used to back calculate the required preloading according to the safety factor that the project should satisfy. It provides a reference to engineering design and construction.

Key words：borehole shear test;silty soil;high-speed railway cut slope;stress history

隨著我國“三縱兩橫”城市化戰(zhàn)略格局逐漸建立，高速鐵路等現(xiàn)代化交通體系網(wǎng)已延伸至我國的各個城區(qū)，甚至是氣候環(huán)境條件復(fù)雜多變的東北高寒地區(qū)也已經(jīng)享受到了福祉.2012年12月哈大高速鐵路客運專線的開通運營意味著我國東北三省進入了“高鐵時代”，人們在享受高速鐵路帶來的舒適便捷和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展機遇的同時，最關(guān)心的就是安全問題，列車自身的安全性、高鐵路基變形穩(wěn)定性、以及與之密切相關(guān)的高鐵路塹邊坡穩(wěn)定性問題.

哈（爾濱）-佳（木斯）高速鐵路賓縣段路基最大開挖深度達到24.93 m，意味著路塹邊坡最大坡高為24.93 m，近地表地層主要為粉質(zhì)黏土，為土質(zhì)高邊坡.高邊坡工程失穩(wěn)頻發(fā)，加上復(fù)雜多樣的環(huán)境條件和地質(zhì)條件，設(shè)計和施工過程如若處理不當，極易造成工程事故，延誤施工工期的同時，嚴重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全.

準確獲取土體強度指標是坡體穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵，然而至今，分析所用的強度指標多來自室內(nèi)試驗[1-3]（如直剪試驗或三軸剪切試驗），室內(nèi)試驗?zāi)芎芎每刂七吔鐥l件，同時也能獲取不同應(yīng)力路徑下土體強度參數(shù)演化規(guī)律，用于不同工況下坡體或基坑的穩(wěn)定性分析.如陳善雄等[4]研究不同卸荷應(yīng)力路徑下原狀粉質(zhì)黏土變形特性，以模擬基坑開挖過程中土體經(jīng)歷的不同應(yīng)力路徑.但是，鉆探取樣以及室內(nèi)制樣的過程勢必對土樣產(chǎn)生一定的擾動;且由于室內(nèi)試驗采用的試樣尺寸局限性導(dǎo)致代表性差，以及經(jīng)驗準則的人為性，往往會導(dǎo)致獲得的土體剪切強度指標離散性大[2，5];再者，室內(nèi)應(yīng)力路徑試驗只能大概模擬土體可能經(jīng)歷的應(yīng)力歷史.而原位試驗方法可以基本保持土體的天然結(jié)構(gòu)，天然含水量以及天然應(yīng)力狀態(tài)，測定其工程力學(xué)性質(zhì)指標，可避免取樣過程中應(yīng)力釋放的影響，獲得試驗結(jié)果更符合實際情況.目前，原位測試技術(shù)已經(jīng)在巖土工程勘察領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[6-10]，沈珠江院士認為：要取得可靠的土質(zhì)參數(shù)，只有通過原位測試.但原位測試不同于室內(nèi)簡單應(yīng)力條件下的試驗，大多原位測試不能從試驗結(jié)果直接求出某一參數(shù)，而是通過反饋分析的辦法間接求出參數(shù)[11]，如扁鏟側(cè)脹試驗、靜力觸探試驗等.顯然，這種間接地獲取力學(xué)指標的方法存在一定的局限性.而以往直接獲取土體原位強度指標的試驗為現(xiàn)場大型直剪試驗[5]，其儀器體積龐大、操作繁瑣，且大多只能對淺層土體進行試驗，不便于應(yīng)用于工程實際中.

孔內(nèi)剪切試驗（borehole shear test，簡稱BST）是一種在現(xiàn)場條件下獲取土體強度力學(xué)指標，且可用于研究應(yīng)力歷史對土體原位力學(xué)性狀影響的原位試驗方法.它的原理是通過測定不同法向應(yīng)力下土體抗剪強度，利用庫侖理論直接得到土體抗剪強度指標（黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ），試驗結(jié)果不需要經(jīng)驗公式擬合修正，其加載方式分為逐級加載剪切和單級加載剪切，由于逐級加載剪切是對同一土體進行試驗，不存在試驗對象之間的差異性，與此同時，其固結(jié)時間為累計時間，能節(jié)約大量的試驗時間，試驗結(jié)果可靠[12-13]，從而受到了研究人員的青睞.BST具有操作便捷、可重復(fù)性高、試驗時間短、準確性高的優(yōu)點，廣泛適用于黏性土、砂土、軟巖等地層，尤其適用于不易取得原狀樣和地層性質(zhì)變化較大的坡體的穩(wěn)定性分析[12].Lu等[14]、Ashlock等[15]將BST用于原位非飽和土研究，分析強度指標與基質(zhì)吸力關(guān)系;Yang[13]對超固結(jié)裂土滑坡進行BST，試驗結(jié)果成功應(yīng)用于滑坡分析和治理中.然而，BST在我國巖土工程中的應(yīng)用研究較少.

本文依托哈佳高速鐵路塹坡工程背景，開展不同法向荷載施加模式下的原位孔內(nèi)剪切試驗，研究應(yīng)力歷史對該塹坡粉質(zhì)黏土抗剪強度指標的影響，為邊坡工程土體力學(xué)參數(shù)的選取和施工工序的確定提供參考.

1? ?試驗方案與試驗方法

塹坡防護工程實際施工中存在開挖滯后支護（下文簡稱為滯后支護）、及時支護與超前支護方式，根據(jù)BST需預(yù)先成孔的特點分別模擬滯后支護和及時支護兩種施工工序.滯后支護即成孔后直接施加不同法向應(yīng)力水平進行固結(jié)剪切，得到不同法向應(yīng)力對應(yīng)的抗剪強度，獲取土體抗剪強度指標;及時支護則通過成孔后先施加較高法向應(yīng)力（這里稱為預(yù)加荷載pr）固結(jié)后卸載至某一應(yīng)力水平再進行固結(jié)剪切，得到由pr卸載至不同應(yīng)力水平對應(yīng)的抗剪強度試驗來模擬，獲取土體抗剪強度指標.因此，pr =0表示滯后支護，pr >0即為及時支護.

原位試驗場地位于黑龍江省哈爾濱市賓西鎮(zhèn)哈佳高速鐵路旁（圖1），高速鐵路邊坡設(shè)計開挖深度為24.93 m，已開挖至12.0 m，確定試驗深度與現(xiàn)有坡高一致，試驗點距高速鐵路邊坡4.0～10.0 m，選取有代表性的地層進行鉆探和取樣，取樣點距試驗點2.0 m.

由勘察資料可知，該處地層由上到下依次為粉質(zhì)黏土層、粉砂層、細砂層;地下水為第四系孔隙潛水，地下水埋深2.0～31.5 m，地下水對混凝土有侵蝕性;最大凍結(jié)土深度為2.05 m.根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》對試驗深度內(nèi)土樣進行基本物性試驗，得到相應(yīng)的物理指標為：密度ρ=1.87～2.05 g/cm3，含水率w=18.9%～30.9%，相對密度Gs=2.62～2.73，塑限wp=19.1%～22.7%，液限wL=31.2%～39.2%，塑性指數(shù)Ip=10.9%～16.6%，液性指數(shù)IL=-0.13～0.89，可以看出試驗范圍內(nèi)土層為粉質(zhì)黏土.

在試驗場地內(nèi)共進行了8組孔內(nèi)剪切試驗，圖2為BST試驗設(shè)備及其測試系統(tǒng)示意圖，試驗具體步驟如下：

1）成孔后，將剪切頭置于孔內(nèi)預(yù)設(shè)試驗深度，通過外接氣源對土體施加垂直孔壁方向的法向應(yīng)力σ.

2）經(jīng)過充分的固結(jié)時間[12，16]（20 min）后轉(zhuǎn)動曲柄手輪使拉桿帶動剪切頭向上運動，對土體施加平行于孔壁方向向上的剪應(yīng)力q，記錄此過程中土體位移s與相應(yīng)的q值，直到土體破壞.

3）將剪切頭置于原試驗深度，重復(fù)步驟1）和2），不同的是此時增加σ且固結(jié)時間減為10 min.得到不同σ下的抗剪強度τ，通過庫侖理論得到土體的抗剪強度指標.

4）pr >0的試驗過程為成孔后立即對試驗深度土體施加pr，固結(jié)20 min后卸載到一定值，重復(fù)步驟2）和3）.pr >0包括pr =200、300、400 kPa這3個預(yù)加荷載，以期得到粉質(zhì)黏土原位強度指標隨預(yù)加荷載大小演化規(guī)律.具體試驗方案見表1.試驗剪切速率采用0.05 mm/s[17].

2? ?試驗結(jié)果與分析

根據(jù)鉆探揭露與基本物性試驗結(jié)果，將試驗深度內(nèi)的土體按含水率w劃分為4組：w<20%、20%25%，現(xiàn)場孔內(nèi)剪切試驗的q-s曲線整理如圖3所示.

由圖3可以看出該區(qū)粉質(zhì)黏土在不同預(yù)加荷載水平下的q-s曲線總體上呈弱硬化變形特征.個別工況下，土體的q-s曲線呈現(xiàn)軟化變形特征，如w<20%土體在pr = 200 kPa、σ=25 kPa時的q-s曲線，但其峰值強度和峰后強度相差不大.而w<20%土體在pr =300 kPa、σ=300 kPa時的q-s曲線，在位移約為4 mm時剪應(yīng)力發(fā)生了陡降，這可能是因為試驗土層的上方一定距離的土體強度相對較小，剪切過程中，剪切頭不斷上升，經(jīng)過一定位移后，進入兩層土的交界處并向強度較小土層移動，從而使得位移達到一定值后，測得的強度突然變?。ㄓ涩F(xiàn)場鉆探揭露，存在軟硬互層）.

圖4為不同pr影響下的τ-σ關(guān)系曲線，可以看到，τ與σ總體上呈較好的線性關(guān)系.對比分析圖4（a）～（c）可以發(fā)現(xiàn)，相同σ作用下，土體的τ值隨著pr的增大而增大，這是由于土體經(jīng)歷了較大的預(yù)加荷載（pr>0時）的壓密作用后，顆粒間更加緊密，使抗剪強度增強.然而w>25%土體，pr=200、300和400 kPa的τ-σ曲線幾乎為水平線，這可能是由于該土層較軟，土體呈可塑～軟塑狀態(tài)（IL為0.38～0.89），在較高的預(yù)加荷載作用后卸載，土體塑性變形很大，使得剪切頭完全膨脹時施加在土體上的有效壓力幾乎恒定，因此出現(xiàn)了τ值隨著σ的增加幾乎不變的現(xiàn)象.因此，由于該剪切頭膨脹程度的限制，不適合在較軟土體進行施加預(yù)加荷載再卸載的試驗;同時，也說明了在土質(zhì)較軟地層施加預(yù)加荷載要充分考慮土體的塑性變形，避免因沉降過大或不均勻沉降而引發(fā)工程災(zāi)害.

由BST得到哈佳高速鐵路塹坡的粉質(zhì)黏土在不同工況下的抗剪強度指標（c和φ）如表2和圖5所示.預(yù)加荷載對強度指標影響顯著，隨著pr的增加，土體c值增加顯著，φ值總體上呈減小趨勢;c值增幅在18.7～51.8 kPa之間，而φ值變化幅值總體上較小，在1.13°～2.94°之間.從圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，該處粉質(zhì)黏土的黏聚力c隨預(yù)加荷載pr變化關(guān)系可用線性關(guān)系表示，即

（1）式中：A、B為擬合參數(shù).

不同深度土體c與pr關(guān)系擬合曲線參數(shù)如表3所示，可以看到其線性相關(guān)系數(shù)達到0.98以上.

從圖5（a）還可以看出，pr相同時，c值隨著w的增加而呈現(xiàn)減小趨勢，取含水率區(qū)間的平均值（w<20%組僅含w為18.94%的土層，故取18.94%為該區(qū)間的平均值），整理得到不同pr下，c值隨w變化曲線如圖6所示，發(fā)現(xiàn)c與w呈較好的線性負相關(guān)，含水率從18.94%增加到23.5%，不同pr的黏聚力最大降幅為7.0～18.8 kPa.施加預(yù)加荷載后，土體的黏聚力增量（即pr > 0 kPa與pr = 0 kPa間黏聚力的差值）與含水率也近似地呈線性負相關(guān)（見圖7），

說明欲達到相同的支護效果，如要求坡體的安全系數(shù)相同，含水率越高的粉質(zhì)黏土塹坡所需要的支護荷載越大.但從表3可以看出，隨著含水率的增加，A值逐漸減小，即c與pr關(guān)系曲線逐漸變緩，說明可能存在臨界荷載，當荷載達到該值后，土體的強度不再隨荷載值的增加而增大.

3? ?預(yù)加載荷作用機制探討與工程意義

粉質(zhì)黏土的抗剪強度隨著預(yù)加荷載的增加而增大，究其原因是經(jīng)歷較大外荷載壓密作用后，土體被壓得越密實，顆粒之間的接觸點越多，因而結(jié)構(gòu)的接觸連結(jié)強度也有所增強，僅從物理壓密的角度來看，已固化的結(jié)構(gòu)連結(jié)強度不會被破壞[18]，即使是短暫的應(yīng)力狀態(tài)也會在峰值荷載卸除后在一定程度上保留.從不同應(yīng)力歷史作用下土體孔隙比隨外荷載變化曲線（圖8）可以看出，當經(jīng)歷了較大外荷載作用后卸載，土體所處狀態(tài)位于曲線中的卸載段（如圖8中的A1、A2、A3點），經(jīng)歷的外荷載越大（如p4>p3>p2），卸載至相同壓力后，孔隙比越小（如eA3

應(yīng)力歷史（施加預(yù)加荷載與否和施加預(yù)加荷載的大小）對粉質(zhì)黏土抗剪強度指標影響較大，尤其是對黏聚力的影響顯著，說明施工工序和支護荷載影響著塹坡的穩(wěn)定.pr = 0 kPa相當于開挖滯后支護（或不支護）的施工工序;pr > 0 kPa相當于開挖后及時支護的施工工序，如對路塹邊坡的開挖部分立即采用土釘墻、錨桿框架梁[19]等支護結(jié)構(gòu)進行支護.從試驗結(jié)果來看，采取及時支護坡體將更穩(wěn)定;支護荷載隨含水率的增加可能存在某一臨界值，應(yīng)根據(jù)含水率大小，同時，綜合考慮工程造價和施工工藝來確定支護荷載水平.粉質(zhì)黏土的黏聚力與預(yù)加荷載呈線性正相關(guān)，在實際工程塹坡穩(wěn)定性分析中，可以根據(jù)工程所需要滿足的安全系數(shù)計算出對應(yīng)的土體抗剪強度指標，利用式（1）和表3反推出所需的預(yù)加荷載大小，從而為實際工程設(shè)計與施工提供借鑒參考.

4? ?結(jié)論與建議

1）粉質(zhì)黏土應(yīng)力-位移關(guān)系曲線總體上呈現(xiàn)弱硬化變形特征;應(yīng)力歷史效應(yīng)對粉質(zhì)黏土的抗剪強度影響較大，施加預(yù)加荷載后，粉質(zhì)黏土強度顯著提高.

2）預(yù)加荷載由0 kPa增加到400 kPa時，粉質(zhì)黏土的黏聚力明顯增加，增幅在18.7～51.8 kPa之間;內(nèi)摩擦角總體上呈減小趨勢，且變化幅值較小，在1.13°～2.94°之間.

3）粉質(zhì)黏土的黏聚力和施加預(yù)加荷載后的黏聚力增量均與含水率呈線性負相關(guān)，說明欲達到相同的支護效果，含水率較高的塹坡需要較大的支護荷載，然而，隨著含水率的增加，支護荷載存在臨界值.

4）黏聚力與預(yù)加荷載近似地呈線性關(guān)系，實際工程坡體穩(wěn)定性分析中，可以根據(jù)工程要求達到的安全系數(shù)計算出所需的土體抗剪強度指標，通過黏聚力和預(yù)加荷載關(guān)系反推出所需的預(yù)加荷載大小，從而指導(dǎo)實際工程設(shè)計與施工.

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