膨脹土邊坡遛塌巖體力學性質衰變綜合測試

熊招美

(中鐵十七局集團第二工程有限公司, 西安 710043)

我國膨脹土發(fā)育，分布區(qū)域主要集中在西南、西北、東北，黃河中下游地區(qū)，總面積在10萬km2以上。膨脹土的粘土礦物成分主要由親水礦物組成，同時具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮干裂兩種特性，為具有濕脹干縮往復變形的高塑性粘土[1]。膨脹土土層性質特殊，給工程設計和施工帶來巨大影響，處理不當將給路基、邊坡等帶來嚴重的安全隱患。因此，明確膨脹土的工程性質對于膨脹土地區(qū)的工程建設具有重大意義。

膨脹土易受擾動，室內(nèi)測試結果往往不能真實地反映現(xiàn)場情況，因此，膨脹土的原位測試就顯得十分重要。高密度電法測試和面波勘探是目前相對安全、快速、經(jīng)濟、無損、可靠的探測方法，對膨脹土路基檢測是行之有效的。李建文等人[2]采用高密度電法和淺層地震法綜合物探與鉆探相結合進行了采空區(qū)勘察，查明膨脹土下伏采空區(qū)的深度、范圍及工程特性，并開展膨脹土的土性試驗。張繼令等人[3]將面波勘探應用在南昆鐵路路基基床膨脹土病害檢測中，探查出在基床換填滲水土與原基床頂面之間有一薄層軟化層。目前，國內(nèi)對于膨脹土的原位測試方法較為單一，采用多種方法結合并對膨脹土邊坡進行現(xiàn)場測試的手段仍然較少。

本文以云南彌蒙鐵路某遛塌路段的膨脹土路基邊坡為研究對象，采用高密度電法測試和高密度面波勘探相結合的聯(lián)合勘探方法，研究該類型鐵路邊坡內(nèi)部電參數(shù)、剪切波波速等變化，分析路基邊坡遛塌原因，進而研究邊坡遛塌的破壞模式，為后續(xù)膨脹土路基邊坡研究提供參考。

1 邊坡特征

選取云南省彌勒至蒙自鐵路某路段的膨脹土路基邊坡作為研究對象。該邊坡位于竹園—朋普斷陷盆地內(nèi)，該盆地屬北東構造沉陷帶，為一新第三紀湖積盆地。測區(qū)地形平緩，起伏較小，地面高程 1 140～1 181 m，相對高差約41 m。根據(jù)地質調查揭露結果，本段線路以挖方路基通過，中心最大挖深約13.1 m，表層覆蓋松軟土、膨脹土、泥炭質土、淤泥質土、粉細砂。其中松軟土褐黃、灰褐等色，軟塑狀，土質不純，局部含砂質及少量細圓礫，黏性較強，可見鈣質結核。膨脹土硬塑狀，厚度大于20 m，綜合判定為中等～強膨脹土。泥炭質土呈灰黑、黑色，硬塑狀，內(nèi)含大量腐植物，質輕，污手，夾黏性土，呈透鏡體狀。段內(nèi)地下水對混凝土結構侵蝕等級為H1。

邊坡地表為黏土(松軟土)，厚1.5～6 m，下部為第三系中強膨脹土，厚度大于50 m，地下水埋深1～2 m。設計按兩級邊坡防護，一級邊坡為錨桿框架梁灌草護坡，防護高度為6 m，坡率為1∶2，錨桿長度為8 m；二級邊坡防護為方格型截水骨架護(無錨桿)，高0～6 m，坡率為1∶2，間距為2.5 m×2.5 m，邊坡平臺寬度為3 m。一級邊坡坡腳設置樁板墻錨固樁防護，樁長16 m，樁間距6 m，錨固樁截面尺寸為1.5 m×2 m。路塹坡頂設置截水天溝，如圖1所示。

圖1 路基設計圖(m)

2 現(xiàn)場測試方法

該段路基邊坡存在著大量膨脹土，工程開挖擾動及降雨會對土的性質及結構等產(chǎn)生影響，存在誘發(fā)邊坡遛塌的風險?；谠摰貐^(qū)膨脹土的工程特性，需對該邊坡進行原位測試研究，為后續(xù)施工及工程處治措施提供依據(jù)。

2.1 高密度四極電測深法及高密度面波法測試原理

本次測試采用高密度四極電測深法和高密度面波法。其中，高密度四極電測深法是基于直流電測深開發(fā)的，存在4個電極的電測深法，它是在地面的1個測深點上(即測量電極MN的中點)，通過逐次加大供電電極(AB極距)的大小，測量同一點的不同AB極距的視電阻率。其計算表達式為：

(1)

式中：ρ——兩被測量電極間的電阻率(Ω·m)；

K—與電極排序相關的裝置系數(shù)；

ΔVMN—電極間的電壓值；

I—電極間的電流值。

高密度面波勘探方法具有精度高、可靠性好等特點，在國外被廣泛應用在工程地質勘探中。該方法利用人工激發(fā)產(chǎn)生的面波，根據(jù)瑞雷面波的頻散特性，通過對原始數(shù)據(jù)的分析，進一步反演，來獲得淺層、超淺層的地質結構及介質物理參數(shù)。數(shù)據(jù)處理流程包括預處理、波形處理、頻散分析、兩維分析與作圖。其基本原理為均勻介質中含面波速度的瑞雷波動方程的求解[4]，如式(2)所示。

(2)

式中：VR——面波波速(m/s)；

VS——橫波波速(m/s)；

σ——泊松比。

2.2 測線布設

為探測地下的地層分布情況，在彌蒙DK 44+710至DK 44+970段邊坡進行高密度四極電測深法和高密度面波法勘探。其中高密度四極電測深法共布設4條測試，橫縱剖面各2條，電極間距2 m，測線1長度約為250 m，測線2長度約為220 m，測線3位于DK 44+730處，屬于未遛塌區(qū)域，測線4位于DK 44+860處，屬于遛塌區(qū)域，長度各約180 m。高密度面波法共布設2條測線，橫縱剖面各1條，分別為測線1方向，長240 m，測線3方向，長180 m，如圖2所示。檢波器間距設為2 m，為1×24排列，每次測試移動12個檢波器的位置，直至完成整條測線的測試。

圖2 邊坡高密度四極電測深法和高密度面波法測線布設圖

2.3 高密度四極電測深法測試結果

利用高密度四極電測深法對地下巖土進行勘探，得到開挖后4條剖面線地下深度方向的電阻率分布，如圖3所示。

從圖3可以看出，沿測線1、2的路基縱剖面的電阻率沿深度分布逐漸改變，反映了地質構造的逐漸變化。從沿測線方向的電阻率分布來看，除去表面環(huán)境等因素的影響，DK 44+710～DK 44+820段(未遛塌區(qū)域)電阻率分布較為均勻，結合地質勘查資料，該區(qū)域深度方向主要以低電阻率的膨脹土為主，電阻率約為數(shù)10～30 Ω·m；DK 44+820～DK 44+970段(遛塌區(qū)域)內(nèi)存在電阻率增大的現(xiàn)象，電阻率可達 50 Ω·m以上。對橫向剖面電阻率分布進行分析，可以看出，測線3(未遛塌區(qū)域)電阻率分布較為均勻，主要分布于0～100 Ω·m，高電阻率區(qū)域較小；測線4(遛塌區(qū)域)內(nèi)的高電阻率(>300 Ω·m)區(qū)域較大，且主要集中在路基邊坡部分。

基于此現(xiàn)象，對電阻率頻數(shù)進行統(tǒng)計，如圖4所示。在縱剖面上以轉折點作為閾值，即電阻率為50 Ω·m時，進行土性材料劃分；在橫剖面上以轉折點作為閾值，即電阻率為80 Ω·m時，進行土性材料劃分。劃分結果如圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，主要遛塌區(qū)域(DK 44+820～DK 44+970段)存在著較多的高電阻率土性材料(裂隙土)，裂隙發(fā)育，與未遛塌區(qū)域(DK 44+710～DK 44+820段)以低電阻率土性材料為主的現(xiàn)象存在著差異，土的結構、力學等性質存在差異。

2.4 高密度面波法測試結果

對邊坡路基相交剖面進行高密度面波法勘探，得到地下介質剪切波波速分布結果，如圖6所示。

從圖6可以看出，由于上部環(huán)境的影響以及工程的擾動，該層土體剪切波速度較小，分布于0～2 m范圍內(nèi)。隨著深度的增加，剪切波速度逐漸增大。結合鉆孔資料，以250 m/s為閾值，0～8 m深度處存在膨脹土夾裹松軟土，局部夾雜泥炭質土；深度8 m以下，主要以膨脹土結構為主，剪切波速度大于 250 m/s，結構性完整度稍高，彈性模量等物理力學特性較強。在DK 44+820～DK 44+970區(qū)域段，土層的剪切波速度減小，結構性完整度稍低，彈性模量等物理力學特性較弱。

圖3 基于電阻率頻數(shù)統(tǒng)計的土體材料劃分圖

圖4 電阻率頻數(shù)統(tǒng)計圖

圖5 材料劃分圖

圖6 邊坡的面波結果圖

圖7 分區(qū)域結果對比分析圖

3 聯(lián)合分析

根據(jù)高密度四極電測深法、高密度面波法測試結果可知，路基邊坡遛塌的主要原因在于區(qū)域土體裂隙發(fā)育， 結構性變化較弱，具體表現(xiàn)為土體電阻率的增大、橫波波速的降低和彈性模量的減小，如圖7所示。DK 44+710～DK 44+820區(qū)域內(nèi)(邊坡未遛塌區(qū)域)的平均電阻率為75.3 Ω·m，平均剪切波速度為262.3 m/s；而DK 44+820～DK 44+970區(qū)域內(nèi)(邊坡遛塌區(qū)域)的平均電阻率為103.6 Ω·m，存在著增大趨勢，平均剪切波速度為244.9 m/s，存在著減小趨勢。

由以上分析可知，由于邊坡局部區(qū)域存在裂隙土，開挖和降雨兩種擾動對膨脹土路基邊坡具有較大的影響，主要表現(xiàn)為改變裂隙土內(nèi)部物質組成、顆粒接觸關系、孔隙性等，進而影響其物理力學特性。其破壞過程為：開挖導致坡頂土體產(chǎn)生臨空方向上的回彈，該區(qū)域土體內(nèi)部產(chǎn)生拉張應力，原生裂隙進一步擴展。同時，坡腳位置出現(xiàn)應力集中，表層土體強度均有所降低。降雨過程中，在裂隙土區(qū)域內(nèi)的坡頂裂隙形成優(yōu)勢入滲通道，裂隙土結構進一步破碎，密實度降低，隨著坡頂區(qū)域巖土體結構、強度的逐漸喪失，裂隙逐漸向下部貫通，最終產(chǎn)生遛塌滑動。

4 結論

本文結合現(xiàn)場高密度四極電測深法和高密度面波法兩種方法，對彌蒙鐵路某段膨脹土路基邊坡進行了原位測試，分析得出了以下結論：

(1)結合電阻率頻數(shù)統(tǒng)計對路基邊坡土體進行材料劃分，彌蒙鐵路某段膨脹土路基邊坡未遛塌區(qū)域的電阻率分布于0～50 Ω·m，平均電阻率為75.3 Ω·m；遛塌區(qū)域存在局部大于80 Ω·m的高電阻區(qū)域，平均電阻率為103.6 Ω·m，疑似土體裂隙發(fā)育。

(2)結合高密度面波法反演分析對邊坡土層進行了劃分。在未遛塌區(qū)域段，土層的剪切波速度較大，平均剪切波速度為262.3 m/s；在遛塌區(qū)域段，土層的剪切波速度減小，平均剪切波速度為244.9 m/s，系結構性完整度稍低，彈性模量等物理力學特性較弱。