不同含水量下高填方順層邊坡土巖界面直剪試驗研究

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

試驗與研究

不同含水量下高填方順層邊坡土巖界面直剪試驗研究

劉宏力李開迪袁奇廖俊秦龍

(貴州省交通規劃勘察設計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面。為了給邊坡防護提供參考依據，利用不同含水量土樣進行室內試驗，探究土巖界面的剪切特性。結果表明，不同含水量的土巖界面在剪切過程中表現出不同程度的軟化特征，正應力越大，界面應變軟化越明顯。

高填方；順層邊坡；土巖界面；直剪試驗

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

順層巖質邊坡的滑塌與穩定性理論分析已被較多學者進行過廣泛研究。蔣建平等認為包含土巖界面在內的土體結構面控制著土體的變形和破壞[4]。吁燃等對高挖方的順層坡潰屈破壞進行了理論分析，并結合不同工況進行了穩定性對比[5]。韋達等分析了不同模式下順層巖質邊坡滑動面的確定方法[6]。鄒宗興等根據現場調繪結合理論分析，劃分了順層滑坡模式[7]。對于填方路基的順層坡問題，王蓉蓉等根據鉆孔土樣在室內配比試驗了含水量對風化界面剪切特性的影響[8]。袁奇等對下里哈高速公路順層填方路基順層邊坡防護做了穩定性計算[9]。然而，由于各順層邊坡工程地質條件有別，支護方式不同，且填筑體的巖性與下伏基巖存在軟硬的突變，當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性質的重要參數，影響著高填方路堤土巖界面的抗剪強度。王蓉蓉根據對風化界面不同含水量的剪切特性進行了研究[8]。盧廷浩等對利用室內抗剪強度試驗對結構接觸面進行了強度規律探索[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，通過室內直剪試驗，探究含水量對土巖界面的剪切特性的影響，從而為邊坡防護設計提供設計參考。

1 工程概況

S304省道位于貴州省桐梓縣，處于黔北高山地區向四川盆地過渡區域，區域地面起伏大，高差大。道路起于桐梓縣花秋鎮，終于桐梓河畔的圓滿罐鄉，地貌高程落差達到669.5 m。區域年平均降雨1 038.8 mm，主要集中于夏秋兩季，夏秋兩季區域內地層極為富水。本段高填方順層陡坡路段全長80 m，起止樁號為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)松散坡積粉質黏土，下伏基巖為奧陶系下統湄潭組(O1m)泥巖、頁巖。巖層產狀為130°∠20°。路線走向為233°，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剖面，見圖1。

圖1 試驗區域工程地質橫斷面示意

2 直剪試驗

2.1 試驗材料及方法

取野外調繪坡積粉質黏土約10 kg，結合鉆孔巖芯樣基巖強風化層樣約5 kg。坡積粉質黏土烘干通過2 mm篩分取出細粒土供試驗使用。所得主要參數如下：ρs=2.55 g/cm3，土樣干密度ρd=1.82 g/cm3，最佳含水量為12.73%。將所得細粒土均勻加水，配比含水量設定為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，對剪切試驗進行改變，下剪切盒放置強風化泥巖樣，保持層面與剪切面平行，下剪切盒空隙之處用相應含水量配比的坡積粉質黏土樣充填，上剪切盒放置相應含水量配比的土樣試驗，下剪切盒內強風化巖樣一次試驗后不再使用，重新放置下剪切盒巖樣，見圖2。利用等應變直剪儀，法向應力設置為400，200，100，50 kPa。速率剪切保持為4 r/min，具體實驗步驟按《公路土工試驗規程》進行操作[11]。

圖2 剪切試驗剪切盒示意

2.2 試驗結果及分析

對含水量為12.7%和24.7%的兩組典型試驗數據進行分析，見圖3。土巖界面在不同含水量的剪切過程中，都呈現一定程度的應變軟化；對比含水量為12.7%及含水量為24.7%下四組法向應力試驗可以看出，法向應力越大，模擬所得的土巖界面剪切應變軟化越明顯。

圖3 12.7%和24.7%含水量下剪應力-位移曲線

對6組不同含水量共24組試驗數據進行歸類擬合，得到表1。將粘聚力(C)、內摩擦角(φ)和含水量的關系繪制得到圖4。

表1 不同含水量下的C和φ

根據圖4分析可知，當試樣含水量為12.7%時，土巖界面的粘聚力和內摩擦角都存在著極大值。當含水量低于12.7%時，隨著含水量增大，土巖界面剪切過程中粘聚力和內摩擦角都相應增大；當含水量高于12.7%時，含水量增大，土巖界面剪切過程中粘

圖4 內摩擦角、粘聚力與含水量關系

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

3 設計措施

由于該區域降雨主要集中在夏秋兩季，年平均降雨量為1 038.8 mm，根據本次試驗，土巖界面的抗剪強度在含水量變化所呈現的先增大后降低的情況可從以下兩個方面進行針對性的設計：①對土巖界面開挖臺階，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構面。根據以往貴州省內高填方邊坡的設計，臺階寬度存在2 m、3 m、4 m及5 m不同寬度的臺階，根據施工反饋結合道路運行后填方路基的穩定性經驗，建議臺階寬度以4 m為宜。②清除表層松散粉質黏土，填筑透水性材料，設置盲溝，及時排除地下水，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性質的軟化和抗剪強度參數的弱化。

4 結 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，利用室內直剪試驗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變軟化，試驗法向應力越大，應變軟化越明顯。

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

(3) 建議邊坡設計時開挖4 m寬大臺階，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。清除表層松散粉質黏土，填筑透水性材料，設置盲溝，及時排除地下水，避免地下水的淤積導致邊坡土巖界面參數的軟化。

[1] 黃潤秋.20世紀以來中國的大型滑坡及其發生機制[J].巖石力學與工程學報，2007，26(3)：433-454.

[2] 王勇，張志強，張紅利.貴州三凱高速公路地質災害概況與對策[J].巖石力學與工程學報，2005，24(a02)：5323-5330.

[3] 劉宏力，劉品,陳華興.西南山區高等級公路層狀巖質邊坡失穩判據研究[J].交通科技，2010(5)：42-44.

[4] 蔣建平，章楊松，羅國煜.土體宏觀結構面及其對土體破壞的影響[J].巖土力學,2002，23(4)：482-485.

[5] 吁燃，劉品，龍森. 順層巖質斜坡潰曲破壞機理的力學分析[J].公路交通技術,2012，8(4)：18-21.

[6] 韋達，賴勇.順層巖質邊坡滑動面確定方法探討[J].中國地質災害與防治學報,2015，26(2)：30-35.

[7] 鄒宗興，唐輝明，熊承仁，等.大型順層巖質滑坡漸進破壞地質力學模型與穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2012，31(11)：2221-2231.

[8] 王蓉蓉，袁奇，袁鑫.含水量對順層坡風化界面剪切特性試驗研究[J].科學技術與工程，2016，16(20)：243-246.

[9] 袁奇，龍維，劉品，等.下里哈軟巖路基順層邊坡防護支擋對策研究[J].公路交通技術，2016,03：19-22.

[10] 盧廷浩，王偉，王曉妮. 土與結構接觸界面改進直剪試驗研究[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2006,22(1)：82-85.

[11] 中國人民共和國交通部. JTG E40-2007 公路土工試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2007.

(編輯：黃艷艷)

TV457

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2017-05-08

劉宏力，男，貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，高級工程師.

1006-0081(2017)09-0046-03