公路路塹邊坡殘坡積土物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

張玉標(biāo)，盧軍源，李杭哲

(1.廣西桂鹿高速公路有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530009；3.廣西高速公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530009)

0 引言

當(dāng)既有高速公路路塹邊坡的基巖上覆殘坡積土土石混合體在降雨、河流侵蝕及地表排水等作用下，水沿著裂隙順利地滲入殘坡積層與土層交界面處，在砂巖的基巖頂面積聚后形成泥化夾層，使得界面抗剪強(qiáng)度急劇降低，容易造成邊坡垮塌、滑塌。目前在國內(nèi)對(duì)公路路塹邊坡殘坡積土土石混合體的物理力學(xué)特性的系統(tǒng)研究較少，因此，本文依托廣西樂業(yè)至百色高速公路邊坡工程，對(duì)殘坡積土土石混合體的物理力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

在開展本文研究前，首先需要認(rèn)清土石混合體的基本概念，對(duì)該界限，即土/石閾值加以明確?！巴痢?，有別于傳統(tǒng)概念中的“黏土”“粉土”等概念，尚未形成一個(gè)絕對(duì)的概念。作為介質(zhì)中的充填成分，其粒度范圍也是相對(duì)的[1]?！巴痢迸c“石”的粒徑界限，受研究尺度、研究條件、分圍曲度等多種條件影響。目前，常用的確定方法基于Medley等提出的比例無關(guān)性(Scale-Independence)[2]，根據(jù)其研究將土/石閾值定義為：

dS/RT=0.05LC

(1)

(2)

式中：dS/RT——土/石閾值；

LC——土石混合體的工程特征尺度。

LC針對(duì)不同的研究對(duì)象有不同的定義，對(duì)于平面研究領(lǐng)域，LC取研究平面的平方根；對(duì)于邊坡工程，LC取邊坡坡高；對(duì)于直剪試驗(yàn)試樣，LC取試樣單個(gè)剪切盒高度；對(duì)于三軸試驗(yàn)試樣，LC取試樣直徑。

本文研究主要參考以上的“土/石閾值定義”方法對(duì)土石進(jìn)行界定，依據(jù)現(xiàn)行《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[3]，對(duì)依托工程沿線邊坡殘坡積土樣本進(jìn)行相關(guān)物理力學(xué)特性試驗(yàn)，研究土石混合體物理力學(xué)特性，為后續(xù)殘坡積土邊坡災(zāi)變機(jī)理研究與表征特征提供參考依據(jù)[4]。

1 土石混合體的基本物理特征

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，依托工程沿線滑坡地區(qū)在強(qiáng)烈的風(fēng)化作用下產(chǎn)生大量的塊石、碎石等松散堆積物堆積于斜坡上，同時(shí)巖石風(fēng)化產(chǎn)物就地或就近殘留堆積，形成一定厚度的主要由砂土、黏土、碎石以及塊石構(gòu)成的土石混合體。為掌握該土石混合體的基本物理力學(xué)性能，本文研究選取依托工程沿線具有代表性的6處邊坡(見表1)，對(duì)取土點(diǎn)的土石混合體開展顆粒級(jí)配、界限含水率、天然堆積密度等土工試驗(yàn)。

表1 依托工程取樣地點(diǎn)地質(zhì)情況一覽表

1.1 土石混合體的顆粒特征

由表2和圖1可知，通過篩分試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)不同粒徑組顆粒含量的范圍及平均值，除D組試樣外，所取土石混合體顆粒級(jí)配較為接近。土石混合體的顆粒粒徑涵蓋跨度較廣，極少數(shù)巨粒組顆粒已在取樣時(shí)剔除，所包含細(xì)粒組顆粒占比較小，僅為3.02%～9.45%，所包含的粗粒組(砂和礫)顆粒為土石混合體的主要構(gòu)成成分，占比為90.55%～96.98%。6處樣本均符合粗粒土定義，進(jìn)一步細(xì)分，主要?dú)w類于含細(xì)粒土礫和級(jí)配良好礫。對(duì)比常見土石混合體材料顆粒特征，所依托地區(qū)的土石混合體級(jí)配較好，且細(xì)粒土含量略高。

表2 土石混合體顆粒級(jí)配表

圖1 土石混合體的級(jí)配曲線圖

依據(jù)式(1)和式(2)，假設(shè)邊坡坡高為20 m，dS/RT為1 m，依據(jù)現(xiàn)場所取試樣的篩分試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際土石混合體最大粒徑遠(yuǎn)小于這一尺寸，現(xiàn)場也未見達(dá)到或接近該尺寸的孤石，且常規(guī)的試驗(yàn)設(shè)備難以對(duì)該尺寸試件進(jìn)行試驗(yàn)，顯然這一閾值并不妥當(dāng)。從研究條件的角度出發(fā)，對(duì)于直剪試驗(yàn)試樣，LC取試樣單個(gè)剪切盒高度，后續(xù)研究所選用大型剪切試驗(yàn)試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為直徑φ=200 mm，高度h=150 mm，單個(gè)剪切盒的高度為75 mm，則dS/RT為3.75 mm，該尺寸較為合理，且基本符合其他試驗(yàn)要求。結(jié)合本文研究的6處試樣的粒徑級(jí)配曲線和我國現(xiàn)行粒徑范圍劃分標(biāo)準(zhǔn)，本文研究將土/石閾值定為5 mm，粒徑上限為20 mm。在以上試驗(yàn)篩分試驗(yàn)結(jié)果中，試樣含石量為30%～40%，考慮到取樣點(diǎn)多為坡腳和坡表，現(xiàn)場實(shí)際的含石量應(yīng)略高于該范圍，且取樣點(diǎn)邊坡多為中-強(qiáng)風(fēng)化程度，因此，確定試驗(yàn)室制備土石混合體試樣含石量分別為30%、40%、50%、60%，對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)化程度，含石量越低，表明風(fēng)化程度越高。級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 不同含石量試樣的級(jí)配曲線圖

1.2 土石混合體的濕度特征

本研究對(duì)6處取樣點(diǎn)制作共18組試樣，通過烘干法測定所取回土石混合體的天然含水率。如圖3所示，不同取樣地點(diǎn)天然含水率波動(dòng)較大，分布在11%～18%，平均質(zhì)量含水率為14.4%，不同取樣地點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的含石量與天然含水率沒有顯著的關(guān)系?？紤]到取樣時(shí)間為冬季，綜合評(píng)估認(rèn)為土石混合體的天然含水率較高。

圖3 取樣點(diǎn)的天然含水率散點(diǎn)圖

1.3 土石混合體的密度特征

不同含石量土石混合體經(jīng)8 h烘干后，置入自制模具，整平后，測量其自然堆積干密度。試樣放入真空飽和容器，經(jīng)24 h真空飽和后，再測量其飽和密度。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。不同含石量的土石混合體試樣的自然堆積干密度為1.55～1.67 g·cm-3，隨含石量的增加而提高，但這一趨勢并不顯著。分析認(rèn)為，干密度的增加應(yīng)當(dāng)是由“石”(密度較大且未完全風(fēng)化的砂巖顆粒)含量的增加而導(dǎo)致的，但含石量的提升也導(dǎo)致了材料內(nèi)部孔隙的增加，因此，并不能簡單地將材料密度與含石量歸納為正相關(guān)的線性關(guān)系。不同含石量的土石混合體試樣的飽和密度為1.92～2.14 g·cm-3，隨含石量的增加而提高，這一增長趨勢較干密度的變化趨勢更為明顯，從側(cè)面說明高含石量試樣的孔隙占比更高。計(jì)算飽和含水率可以看出，30%～50%含石量的試樣飽和含水率較為接近，范圍在23%～25%，而60%含石量的試樣飽和含水率略高，為28%。

表3 不同含石量試樣的密度計(jì)算結(jié)果表

2 土石混合體的土水特性分析

土水特性是非飽和土力學(xué)的基礎(chǔ)，可通過土水特征曲線表達(dá)。本文研究考慮到土石混合體結(jié)構(gòu)較為松散，土水特征曲線的變化集中在低吸力范圍，主要選用壓力板法進(jìn)行試驗(yàn)，個(gè)別測點(diǎn)選用濾紙法進(jìn)行補(bǔ)充，獲得土石混合體全吸力范圍的土水特征曲線，并結(jié)合土體孔隙結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建土石混合體土水特征曲線預(yù)估模型。

將配制成型試件土樣4種含石量對(duì)應(yīng)干密度(見表3)。每種干密度試件的試驗(yàn)過程中氣壓設(shè)置9級(jí)，依次是5 kPa、10 kPa、20 kPa、30 kPa、50 kPa、100 kPa、300 kPa、500 kPa、1 000 kPa，具體視實(shí)際試驗(yàn)過程有所調(diào)整。

將不同含石量情況下的試驗(yàn)測試結(jié)果繪制成土水特征曲線，如圖4所示。從圖4可知，不同含石量條件下，土石混合體的進(jìn)氣值相差不大，這是因?yàn)楫?dāng)含石量為30%時(shí)，土石混合體中已經(jīng)存在明顯的排水通道，所以不同含石量下土石混合體的進(jìn)氣值相差不大，殘余吸力值隨含石量的增大而增大。同時(shí)，含石量越大，土石混合體孔隙更大，排水能力更強(qiáng)，導(dǎo)致土石混合體的土水特征曲線過渡段越短。

圖4 土石混合體土水特征曲線圖

理論上，直接建立土體基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系非常困難。目前，國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來獲得土-水特征曲線，較經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型有Mualem模型、Fredlund和Xing模型、VanGenuchten模型、Gardner模型和Brooks-corey模型等，其中最常用的VanGenuchten模型公式如式(3)所示。

(3)

式中，Sr——有效飽和度；

Ψ——基質(zhì)吸力(kPa)；

a、m、n——擬合參數(shù)。

利用VG模型對(duì)本文試驗(yàn)測試的土水特征進(jìn)行擬合，得到參數(shù)a、m、n的擬合結(jié)果如表4所示。

表4 土水特征曲線擬合參數(shù)表

3 土石混合體的非飽和滲透特性分析

土石混合體的滲透特性一般通過飽和滲透系數(shù)表征，但僅有飽和滲透系數(shù)無法表征其在飽和-非飽和全過程的滲透特性。本文基于常水頭滲透試驗(yàn)，結(jié)合土水特征曲線間接計(jì)算不同含石量試件的滲透系數(shù)函數(shù)，研究土體含石量對(duì)土石混合體非飽和滲透特性的影響，計(jì)算得到4種含石量下土石混合體的飽和滲透系數(shù)見表5和圖5。結(jié)果表明，隨著邊坡巖土風(fēng)化程度的加深，含石量不斷降低，土石混合體中大孔隙減少，排水通道通暢性降低，滲透系數(shù)減小。

表5 土石混合體滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

圖5 土石混合體飽和滲透系數(shù)隨含石量變化柱狀圖

4 土石混合體非飽和抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

抗剪強(qiáng)度是邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵[5]。本文使用剪切-滲流耦合試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，分析含石量、含水率對(duì)土石混合體非飽和抗剪強(qiáng)度的影響。

4.1 含石量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響分析

從圖6不同含水率條件下抗剪強(qiáng)度隨含石量的變化曲線圖可以看出，當(dāng)土石混合體含水率在6%、18%以及飽和含水率時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨含石量增加而增大。當(dāng)垂直壓力較小時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨含石量的增加增長趨于平緩；而當(dāng)垂直壓力較大時(shí)，抗剪強(qiáng)度的增長速率則越大。當(dāng)土石混合體試件含水率為12%時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨含石量增加先增大后減小，抗剪強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的含石量為50%。

(a)含水率為6%

4.2 含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響分析

從圖7不同含石量土石混合體試件抗剪強(qiáng)度隨含水率變化曲線可以看出，隨著含水率的增加，抗剪強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)含石量為30%、40%、50%時(shí)，峰值出現(xiàn)在含水率為12%的試件中；而當(dāng)含石量增大到60%，峰值對(duì)應(yīng)的含水率為18%。這說明含石量的增大，使得抗剪強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的含水率增大。

(a)含石量30%

4.3 垂直壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

通過施加不同的垂直壓力獲得對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度，線性擬合破壞包絡(luò)線，可以得到不同土石混合體試樣的粘聚力c曲線和內(nèi)摩擦角φ曲線(見圖8～9)。從圖8～9可以看出，粘聚力隨含石量增加先增大后減小，含石量為50%時(shí)粘聚力最大；在同一含石量下，粘聚力隨含水率增加先增大后減小，峰值對(duì)應(yīng)的含水率為12%～18%。內(nèi)摩擦角隨含石量的增大總體呈現(xiàn)增大趨勢，在同一含石量下，內(nèi)摩擦角隨含水率增加先增大后減小，峰值對(duì)應(yīng)的含水率在12%左右。含石量為50%、含水率為12%的土石混合體試件具有最大的粘聚力(34.8 kPa)和第二大的內(nèi)摩擦角(26.3°)。

圖8 不同含石量下粘聚力隨含水率變化曲線圖

5 結(jié)語

本文通過實(shí)地調(diào)研和現(xiàn)場取樣，研究了依托工程邊坡的土質(zhì)情況，在此基礎(chǔ)上配制了不同含石量的土石混合體，并通過室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得了土石混合體的粒度特征、濕度特征、密度特征、土水特性與滲透特性以及抗剪強(qiáng)度特性。主要結(jié)論如下：

(1)依托工程沿線邊坡土巖風(fēng)化程度不一，不同風(fēng)化程度的邊坡含石量存在差異?，F(xiàn)場取樣的殘坡積土工程分類為含細(xì)粒土礫和級(jí)配良好礫，細(xì)粒土含量略高且天然含水率較高。試驗(yàn)室配制的不同含石量的土石混合體的飽和密度隨含石量的增大而增大，而自然堆積體密度增大不明顯。

(2)不同風(fēng)化程度下土石混合體的進(jìn)氣值相差不大，而殘余吸力值隨風(fēng)化程度的加深而減小。同時(shí)，風(fēng)化程度越低，土石混合體孔隙更大，排水能力更強(qiáng)，土石混合體的土水特征曲線過渡段越短，利用VG模型擬合土水特征曲線的相關(guān)性較高。

圖9 不同含石量下內(nèi)摩擦角隨含水率變化曲線圖

(3)隨著邊坡巖土風(fēng)化程度的加深，含石量不斷降低，土石混合體中大孔隙減少，排水通道通暢性降低，滲透系數(shù)減小。對(duì)此，可結(jié)合土水特征曲線間接計(jì)算不同風(fēng)化程度土石混合體的非飽和滲透系數(shù)函數(shù)。

(4)土石混合體抗剪強(qiáng)度隨風(fēng)化程度增大而減小，隨含水率增加先增大后減小，出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度的峰值；土石混合體的粘聚力隨風(fēng)化程度增加先增大后減小，而內(nèi)摩擦角隨風(fēng)化程度的增大而減小。這說明邊坡巖體的輕微風(fēng)化會(huì)增大土石混合體的粘聚力，但隨著風(fēng)化程度的進(jìn)一步加深，粘聚力下降。而邊坡巖體一旦開始風(fēng)化，巖體完整性下降，內(nèi)摩擦角減小。