谷竹高速公路原狀片巖抗剪強度的水敏性研究

劉 建，李建朋

（中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

1 引 言

鄂西北地處我國地勢第2 階梯向第3 階梯過渡帶，區(qū)內(nèi)廣泛分布有中元古界武當山群片巖。目前在建或已建成的谷竹、十白、十房、十漫高速公路以及福銀高速公路十天聯(lián)絡(luò)線湖北段等工程均經(jīng)過該地區(qū)。因工程建設(shè)需要，高速公路沿線形成了為數(shù)眾多的片巖質(zhì)邊坡。片巖水敏性強，長期浸水后強度顯著降低[1]。片巖這一特性給相關(guān)工程建設(shè)帶來了安全隱患，大大影響了其工程進度[2－3]。因此，研究水對片巖的工程力學特性的影響十分必要。已有學者進行了相關(guān)研究。于德海等[1]對綠泥石片巖開展了干燥和飽水狀態(tài)下的三軸壓縮試驗，結(jié)果表明，綠泥石片巖屬于水敏型巖石，水對其強度和變形特征的影響是顯著的。伍法權(quán)[4]從理論上分析了地下水壓力在薄片狀云母石英片巖斜坡傾倒變形中的作用，并在理論公式中考慮了這一因素。洪勇等[5]基于對4 個典型結(jié)晶片巖滑坡活動和降雨的長期觀測以及對其相互關(guān)系的研究，揭示了集中降雨對結(jié)晶片巖滑坡活動的影響，并確定了相應的降雨特征和類型。然而，目前對水敏性片巖在降雨與地下水作用下抗剪強度特性與變形破壞的研究較少。

本文通過對取自谷竹高速公路現(xiàn)場的原狀片巖試樣開展沿其層理面的天然和飽水狀態(tài)室內(nèi)直剪試驗，對比分析兩種狀態(tài)下片巖的抗剪強度和變形破壞特征。基于試驗結(jié)果，探討水對片巖抗剪強度參數(shù)的弱化機制，利用極限平衡方法計算谷竹高速公路沿線某邊坡的安全系數(shù)，進而評價該邊坡在暴雨或連續(xù)降雨工況下的穩(wěn)定性。

2 水敏性片巖抗剪強度特性試驗研究

2.1 武當山片巖的地質(zhì)礦物特征及工程危害

鄂西北地區(qū)在氣候上屬北亞熱帶季風氣候區(qū)，多霧多雨，平均年降雨量在800 mm 以上，在地理上屬漢江流域，區(qū)內(nèi)孔隙潛水、基巖裂隙水較發(fā)育。該地區(qū)廣泛出露的中元古界武當山群片巖具鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要礦物構(gòu)成為云母、石英、長石，顏色隨風化程度加深由青灰色變?yōu)榛液稚Ｊ軆舌y大斷裂控制，武當山群片巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，使得雨水或地下水較易入滲、聚集和留存。在水的作用下，片巖的強度特別是抗剪強度顯著弱化，易引發(fā)邊坡崩塌、滑坡等地質(zhì)災害。鄂西北地區(qū)因降雨引發(fā)的片巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)時有發(fā)生。2003 年6 月的一場降雨引發(fā)了鄂西北隕漫公路沿線多處邊坡失 穩(wěn)[2]。2007 年8 月下旬在十堰市大川鎮(zhèn)某變電站工程的三通一平過程中遭遇長時間持續(xù)降雨，引發(fā)山體開裂，出現(xiàn)山體滑坡征兆，嚴重影響了工程進度[3]。因此，本次試驗重點關(guān)注水作用下片巖沿其片理面的抗剪強度特征。

2.2 試件制備

首先把取自谷竹高速公路沿線的原狀片巖巖樣加工成100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，為使試件受力均勻并滿足RMT 試驗機對試件的尺寸要求，在立方體試件外部澆注了混凝土保護套，并在試樣中部預留了寬為5 mm 左右的縫隙。試樣制作過程和試驗前部分試樣如圖1、2 所示。

圖1 混凝土保護套澆注 Fig.1 The pouring of concrete protecting cover

圖2 試驗前的部分試樣 Fig.2 Some samples before the test

飽水直剪試驗前，將立方體試件在大氣壓和室溫條件下浸泡30 d。通過稱量吸水后試樣增加的質(zhì)量得知其浸水30 d 后含水率平均增加了0.62%。之后再澆注混凝土保護套。為保證飽水效果，混凝土外套澆注好后，浸入水中養(yǎng)護至規(guī)定齡期（28 d），試驗之前才將試樣從水中取出。

2.3 試驗儀器與方法

試驗在RMT-150C 巖石力學試驗機上進行，分天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)兩組完成。每組做5 個試樣，垂直荷載分別取為80、60、40、20、10 kN。安裝試件時，保證了法向荷載和剪切荷載通過預定剪切面的幾何中心。按規(guī)范[6]要求，試驗采用力控制方式。法向荷載以1 kN/s 的速率一次性施加完畢，待軸向位移穩(wěn)定后施加剪切荷載。剪切荷載按照預估最大剪切荷載分8～12 級施加，每級加載后待剪切位移穩(wěn)定后再施加下一級，加載速率為0.1 kN/s。試樣破壞時，記下最大水平荷載，即可獲得試樣的抗剪強度。繼續(xù)施加水平荷載，并使之產(chǎn)生較大的水平位移，即可獲得殘余抗剪強度，又稱抗摩擦強度。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗剪強度特征

將法向荷載和剪切荷載除以剪切面面積，得到法向應力和剪切應力。根據(jù)剪應力與剪切位移關(guān)系曲線確定各法向應力下峰值剪應力和殘余剪應力數(shù)據(jù)，進而繪制了τ -σ 散點圖。對散點進行線性回歸得到圖3 中所示的直線。根據(jù)回歸直線即可獲得天然和飽水狀態(tài)片巖抗剪強度和殘余抗剪斷強度參數(shù)如表1 所示。顯然，相對于天然狀態(tài)，片巖飽水后，黏聚力降低了36.7%，內(nèi)摩擦角降低了4.6%。飽水后，殘余黏聚力降低了66.7%，殘余內(nèi)摩擦角降低了11.3%。因此，水對片巖抗剪強度特別是殘余抗剪強度具顯著的弱化效應。

圖3 特征剪應力與法向應力（τ -σ）關(guān)系 Fig.3 Relationships between shear stress and normal stress

表1 水敏性片巖抗剪強度參數(shù) Table 1 Shear strength parameters of water- sensitive schist

3.2 剪應力-剪切位移曲線特征

剪切荷載逐級加載，在上一級荷載產(chǎn)生的剪切位移穩(wěn)定后才施加下一級荷載，因此，剪應力-剪切位移曲線在剪應力峰值前呈臺階狀上升。片巖飽水后與天然狀態(tài)相比，剪應力-剪切位移曲線表現(xiàn)出了不同特征。由圖4 可以看出：飽水后的片巖峰值前剪應力-剪切位移曲線的平均斜率變小，表明其剪切剛度變小；飽水后片巖試樣失去承載力時的剪切位移大于天然狀態(tài)，剪切應力-剪切位移曲線由峰值向峰后的過渡與天然狀態(tài)相比也較為緩和；在同樣的正應力作用下，飽水片巖試樣的抗剪切荷載能力降低；天然狀態(tài)下的片巖在應力達到峰值后剪應力-剪切位移曲線表現(xiàn)為突然跌落，具脆性破壞特征；飽水后片巖在剪應力-剪切位移曲線達到峰值后，剪應力并未馬上降低，而是維持峰值應力不變，但剪切位移和速率不斷增長直至試樣破壞，從而形成屈服平臺，故片巖試樣飽水后由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐摹?/p>

圖4 片巖試樣不同軸壓下剪應力-剪切位移關(guān)系曲線 Fig.4 Shear stress-shear displacement curves of schist samples under different normal stresses

3.3 水敏性片巖抗剪強度的水作用機制分析

飽水片巖在剪應力達到峰值時，沿片理面的塑性剪切變形量增加，破壞呈現(xiàn)延性特征（見圖4（b））。故相對于天然狀態(tài)，飽水后的片巖在較小的剪切荷載作用下，剪切變形即不斷增長，微觀裂隙很快發(fā)展成宏觀裂縫導致試樣失去承載力，故而飽水試驗后所得片巖內(nèi)摩擦角和凝聚力變小。微觀上，片巖飽水后，含水率增大，水分子沿顆粒間的接觸面侵入，減弱了片巖顆粒間的聯(lián)系，片巖的片理化效應更加顯著，從而造成了飽水片巖力學性能的降低。

另外，含水率的提高，使得片巖顆粒間結(jié)合水膜效應顯著，顆粒間由摩擦接觸變?yōu)樗そ佑|。圖5 給出了典型片巖試樣在天然和飽和狀態(tài)下直剪破壞后的對比圖。天然狀態(tài)的片巖破壞面可見白色摩擦擦痕，而飽水片巖試樣破壞面則無摩擦擦痕。這表明，水在片理面上產(chǎn)生潤滑作用，使片理面上的摩阻力減小和作用在片理面上的剪應力效應增強，進而使得片巖沿片理面的剪切運動更易發(fā)生。水對巖體產(chǎn)生的潤滑作用反映在力學上，就是使巖體的內(nèi)摩擦角減小[7]。因此，水的潤滑作用也造成了片巖飽水后內(nèi)摩擦角的降低。

試驗所用巖樣的礦物組成中未見強親水性礦物，因此，其飽水后抗剪強度的降低主要原因是水造成的延性破壞特征和水的潤滑作用。

圖5 典型天然（左）與飽水（右）片巖試樣破壞面 Fig.5 Typical failure surface of natural (left) and saturated water (right) schist specimens

4 工程應用

4.1 工程地質(zhì)概況

谷城至竹溪高速公路ZK39+290～ZK39+400邊坡段位于孔溪溝村附近，左側(cè)開挖邊坡最高為35.9 m，該坡段典型斷面如圖6 所示。本路段在地貌上屬侵蝕剝蝕低山區(qū)，線路在斜坡地帶通過。路段巖石片理產(chǎn)狀為290°∠54°。該邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀為170°∠80°，節(jié)理面粗糙，延伸大于20 m，張開5～10 cm，密度為1-2 條/m；淺表分布有殘坡積層，基巖出露為元古界武當群片巖，巖體風化強烈，淺部巖體破碎。

4.2 參數(shù)取值

由于巖體中結(jié)構(gòu)面的影響和巖體結(jié)構(gòu)尺寸效應的影響，巖塊室內(nèi)試驗值一般不直接作為巖體設(shè)計采用值，大多需要對試驗值進行折減。本文采用Georgi 法計算該邊坡巖體的粘聚力值。

圖6 谷竹高速公路某邊坡典型斷面 Fig.6 Typical cross section of one slope along Guzhu expressway

Georgi 對片麻巖、大理巖、輝長巖、角山巖、二長班巖、安山巖、玄武巖、流紋巖等15 種堅硬的火山巖和變質(zhì)巖的巖石強度和巖體強度進行了研究后，得出下述經(jīng)驗公式：

式中：i 為巖體節(jié)理裂隙的密度(條/m)；kc 為巖石的凝聚力(MPa)，mc 為弱化后的巖體凝聚力(MPa)。

根據(jù)巖體節(jié)理密度統(tǒng)計值，Georgi 方法中i 可取為1～2，為安全起見，本次計算選用上限值，即取i =2。進而可根據(jù)經(jīng)驗公式（1）求得巖體的凝聚力。由于該坡段巖體風化強烈，巖體內(nèi)摩擦角采用殘余摩擦角。表2 給出了片巖巖體抗剪強度參數(shù)取值。

4.3 計算方法與結(jié)果分析

暴雨對斜坡穩(wěn)定性的影響目前主要采用暴雨滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)進行評價[8]。本文通過考慮邊坡巖體抗剪強度的折減來反映降雨作用的影響程度，因此，分別將片巖巖體的天然和飽水抗剪強度作為天然工況和暴雨工況的強度參數(shù)代入極限平衡計算公式，求得了該邊坡在天然工況和暴雨工況下的安全系數(shù)，列于表2。

由計算結(jié)果可知，考慮水的影響后，邊坡的安全系數(shù)與天然工況相比降低了40.9%，但安全系數(shù)仍大于1，表明在暴雨或長期降雨作用下該片巖質(zhì)邊坡是穩(wěn)定的。

表2 邊坡巖體強度參數(shù)與安全系數(shù) Table 2 Rock mass strength parameters and safty factors of the slope

5 結(jié) 論

（1）片巖試樣飽水后，其剪應力-剪切位移曲線特征與天然狀態(tài)不同：飽水片巖剪切剛度變小，達到承載力極限時的剪切位移明顯大于天然狀態(tài)，剪應力-剪切位移曲線在剪應力峰值處出現(xiàn)屈服平臺，破壞時與天然狀態(tài)下脆性破壞特征亦有不同，其破壞呈延性特征。

（2）水對片巖抗剪強度特別是殘余抗剪強度具顯著的弱化效應。片巖飽水軟化后，凝聚力降低了36.7%，內(nèi)摩擦角降低了4.6%，殘余凝聚力降低了66.7%，殘余內(nèi)摩擦角降低了11.3%。

（3）水敏性片巖抗剪強度的水作用機制分析表明，破壞的延性特征和片理面上潤滑作用是導致武當山群片巖長期浸水后抗剪強度弱化的主要原因。

（4）將試驗成果應用于谷竹高速公路某邊坡降雨工況下穩(wěn)定性計算分析，結(jié)果表明，考慮水的影響后，該邊坡的安全系數(shù)與天然工況相比，降低了40.9%，但安全系數(shù)仍大于1，表明在暴雨或長期降雨作用下該邊坡是穩(wěn)定的。

[1] 于德海， 彭建兵. 三軸壓縮下水影響綠泥石片巖力學性質(zhì)試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2009， 28(1)： 205－211. YU De-hai， PENG Jian-bing. Experimental study of mechanical properties of chlorite schist with water under triaxial compression[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2009， 28(1)： 205－211.

[2] 柴波， 余宏明， 殷坤龍. 鄂西北山區(qū)降雨型邊坡失穩(wěn)模式和評價方法[J]. 工程地質(zhì)學報， 2008， 16(3)： 332－337. CHAI Bo， YU Hong-ming， YIN Kun-long. Failure modes and evaluation methods of rainstorm induced landslides in northwestern Hubei province[J]. Journal of Engineering Geology， 2008， 16(3)： 332－337.

[3] 黃河， 尚義敏， 彭斌， 等. 鄂西北片巖質(zhì)邊坡變形破壞機制和對策[J]. 土工基礎(chǔ)， 2010， 24(2)： 49－52. HUANG He， SHANG Yi-min， PENG Bin， et al. Deformation and failure mechanism and treatment of rock slopes in northwest hubei[J]. Soil Engineering and Foundation， 2010， 24(2)： 49－52.

[4] 伍法權(quán). 云母石英片巖斜坡彎曲傾倒變形的理論分 析[J]. 工程地質(zhì)學報， 1997， 5(4)： 306－311. WU Fa-quan. Theoretical analysis of bending and topping deformation in slopes of mica-quartz schist[J]. Journal of Engineering Geology， 1997， 5(4)： 306－311.

[5] 洪勇， 商志紅. 日本結(jié)晶片巖滑坡的活動特點及與降雨的關(guān)系[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2010， 37(2)： 99－103. HONG Yong， SHANG Zhi-hong. Characteristics of the activities of crystalline schist landslide of Japan and the relation with rainfall[J]. Hydrogeology & Engineering Geology， 2010， 37(2)： 99－103.

[6] 中華人民共和國建設(shè)部. GB/T50266－99 工程巖體試驗方法標準[S]. 北京： 中國計劃出版社， 1999.

[7] 何滿潮， 劉東燕. 巖石力學與工程[M]. 北京： 科學出版社， 2002.

[8] 周創(chuàng)兵， 李典慶. 暴雨誘發(fā)滑坡致災機理與減災方法研究進展[J]. 地球科學進展， 2009， 24(5)： 477－487. ZHOU Chuang-bing， LI Dian-qing. Advances in rainfall-induced landslides mechanism and risk mitigation[J]. Advance in Earth Science， 2009， 24(5)： 477－487.