廣西公路邊坡典型滑帶土物理及壓縮特性研究

中圖分類號：U416. 1⁺4 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.006

文章編號：1673-4874（2025）04-0017-06

0 引言

在高速公路建設及后期維護過程中，道路邊坡及其周圍的地質災害經常發生，對高速公路的安全運營構成了嚴重威脅1。高速公路邊坡地質災害的成因及其有效防治是一項至關重要的科學課題。砂巖和泥巖的組合是一類對環境敏感、工程性質隨環境變化較大的特殊巖石，常在野外施工時遇到。區域地質資料顯示，砂巖和泥巖作為主體巖性或頻繁出現的夾層分布于廣西不同地質時代的地層單元中，而地質災害頻發區域主要集中在三疊系地層。在公路、鐵路和水利水電等工程建設中，由砂巖和泥巖構成的道路邊坡在后期受降雨、物理及化學風化等自然因素的影響下，滑坡、崩塌等地質災害頻發，對相關工程造成嚴重破壞，影響工程的正常實施和后續地質災害的防治工作2]。

滑帶土作為滑坡滑動面的重要組成部分，其工程特性對滑坡的穩定性具有重要影響。滑帶土的水敏感性特征使其在不同飽和度條件下呈現顯著的力學性質差異[3。研究滑帶土在不同初始飽和度和干密度條件下的壓縮特性，對于理解其在降雨和地下水變化等因素影響下的力學行為，以及優化滑坡治理措施具有重要意義。

本文以廣西賀州至巴馬高速公路（蒙山至象州段）一期工程中某滑坡處的滑帶土為例，對該處土樣進行物理特性試驗和濾紙法吸力試驗，獲得其基本物理特性及土水特征曲線，并研究初始飽和度對滑帶土壓縮特性的影響。為此，選取不同初始飽和度和干密度的滑帶土樣，進行單軸固結壓縮試驗，為滑坡治理提供科學依據。

1滑帶土物理特性分析

本文試驗巖土樣取自廣西賀州至巴馬高速公路（蒙山至象州段）一期工程中的某滑坡處。該滑坡位于廣西中部的大瑤山主體山脈，屬于南亞熱帶季風氣候區，季節性變化顯著，呈現出明顯的亞熱帶山區氣候特征，多陰雨、少日照、高濕度，夏季濕潤多雨，冬季干冷少雨。滑坡勘察區處于多雨氣候區，年均降雨量遠高于蒸發量，有利于大氣降水下滲形成地下水聚集。在開挖、高填等因素的綜合作用下，容易誘發古滑坡復活。地質調查及鉆探結果表明，滑坡場地主要由第四系（Q4）、滑坡堆積層（Ddel～Qde1）及泥盆系下統蓮花山組（D1I）地層組成。現場采集的滑帶土主要為粉質黏土夾礫石，局部為粉質黏土，呈灰褐色或灰黃色，礫石粒徑為 1～3cm ，厚度為1.80～9.30m 。針對滑帶土試樣開展了基本物理特性試驗，試驗內容包括天然含水率、自由膨脹率、比重和液塑限。

1.1天然含水率試驗

滑帶土的天然含水率測定結果如表1所示。由于取王前受暴雨天氣影響，邊坡表面土體可視為近似飽和，因此所測天然含水率相對較高。兩個試樣的含水率分別達到了 53.6% 和49. 1% ，平均值為 51.4% 。試驗結果表明，滑帶土在邊坡外露處的飽和含水率較高，孔隙比偏大，導致實際干密度偏小。

表1滑帶土天然含水率測定結果表

1.2自由膨脹率試驗

為判斷滑帶土是否為膨脹土，選取少量樣品進行自由膨脹率試驗。將土樣過2mm篩，裝入體積為10mL的容器中并充分攪拌以確保土樣松散，記錄其質量。隨后將松散土樣裝入量筒中，每隔一段時間記錄懸濁液液面最高點的刻度值，最終取間隔2h不再變化或24h后的刻度值作為土樣自由膨脹后的體積，并計算相應的自由膨脹率。

本次試驗共測定四個試樣，測得自由膨脹率分別為20% 、 18% 、 11% 和 9% ，均低于膨脹土的最低膨脹率40% 。因此，所取滑帶土為非膨脹土，結果如表2及圖1所示。

表2滑帶土自由膨脹率試驗結果表

圖1滑帶土自由膨脹率試驗結果曲線圖

1.3比重試驗

對于采集的滑帶土樣，通過比重瓶法測量其比重。試驗要求進行兩次平行測定，測定誤差 lt;0.02 ，取平均值作為土樣比重。將滑帶土過2mm篩，并將規格為100mL的比重瓶校準后烘干，放入約15g干燥試樣，稱取總質量。注入半瓶無氣水后，使用砂浴法煮沸至少1h，確保煮沸期間不飛濺過多液體且土樣不超過液面。煮沸1h且不再產生過多氣泡時，將無氣水灌入裝有懸濁液的比重瓶，裝上塞子，用毛巾擦凈瓶身的液體，稱取其總質量。然后將懸濁液倒出，注入無氣水至刻度，裝上塞子擦拭干凈后再次稱取總質量。根據比重計算公式測得試樣比重。

由于試驗初測結果與常見土體比重2.70存在較大偏差，因此進行多次測定以保證試驗準確性。去掉兩組明顯偏小的試驗值2.49和2.12，以及一組較大的試驗值2.90，剩余6組試驗的平均值為2.83。室內試驗及勘查資料表明，所取滑帶土比重偏大，該處滑帶土可能含有較多的碎屑巖成分。具體試驗結果如表3所示。

表3滑帶土比重試驗結果表

1.4液塑限試驗

采用液塑限聯合測定儀法測定滑帶土的液塑限。根據規范要求將滑帶土過0.5mm篩，保留足量細顆粒備用。液塑限聯合測定儀的圓錐質量為76g，錐角為 30^° .試樣杯直徑為40mm，深度為 30mm 。將土樣用無氣水充分攪拌均勻，制備成均質膏狀土樣后填滿試樣杯，并盡量不留縫隙，再使用刮土刀刮平表面。調整液塑限聯合測定儀的圓錐角位置，使涂抹薄層凡士林的圓錐角恰好觸碰樣杯中的土樣表面，在接觸良好情況下，測定儀燈會顯示黃燈。然后，打開開關，使圓錐在自重作用下沉入膏狀土樣中。待5S后，儀器提示聲響時，記錄圓錐下沉深度，下沉深度應盡量控制在 3～17mm 。重新調勻土樣，清洗圓錐角后改變沉入點位置，重復上述試驗。當下沉深度為17mm和2mm時，記錄的含水率分別對應試樣的液限和塑限。

由于土樣的液塑限較高，需同時采用搓條法測定塑限以驗證試驗準確性。具體步驟為將過0.5mm篩的土樣與無氣水混合，將土條搓成直徑約3mm且恰好出現裂縫，此時的含水率即為塑限。液塑限聯合測定法測得滑帶土的液限為65. 7% ，塑限為35. 7% ；搓條法測得滑帶土的塑限為36. 8% ，兩者塑限試驗值的誤差為 3.08% 。試驗結果表明，滑帶土為高液限黏土。具體試驗結果如表4所示。

表4滑帶土液塑限試驗結果表

1.5 土水特性試驗

制備干密度為1.35 g/cm³ 、初始飽和度分別為 25% 、45% 65%、85%和 95% 的滑帶土試樣，通過濾紙法測定各初始飽和度下試樣的基質吸力。基于SWCC預測模型獲得土水特征曲線及相應的模型參數，將這些模型參數應用于干密度為1. 20g/cm³ 的滑帶土，以預測其土水特征曲線。濾紙法測定吸力的具體步驟如下：

（1）將濾紙裁剪至適當尺寸，置于烘箱中，在105℃的溫度下加熱8h以上以確保充分烘干。加熱結束后，立即稱量其干重，并將濾紙置于保鮮膜中妥善保存。

（2）稱取足量滑帶土，研磨粉碎后過2mm篩，并烘干8h以上備用。根據干密度和初始飽和度反算含水率，基于環刀尺寸計算所需的干土質量和加水量，稱取相應質量的土樣和水，充分攪拌混合后養護約24 h₀

（3）制備初始飽和度分別為 25% 、 45% 65% 、 85% 和 95% 的環刀樣，每種初始飽和度需制備兩個環刀樣。取兩張未裁剪的濾紙作為保護濾紙，裁剪足夠大的保鮮膜，從下到上的順序依次堆疊：環刀樣一保護濾紙-測試濾紙-保護濾紙-環刀樣。堆疊完成后使用保鮮膜纏繞包裹試樣，并做好標記。相關操作應盡快完成，操作期間保鮮膜不能受污染。

（4）所有試樣制備完成后，按初始飽和度分組，再次使用保鮮膜纏繞包裹，將初始飽和度相同的試樣置于試樣盒中養護14d以上。

（5）養護時間達到14d后，測定濾紙的平衡含水率。預先在天平上放置一張干濾紙，記錄其質量，然后拆除試樣，用鑷子快速夾出測試濾紙，將其置于干濾紙上，記錄總質量。兩者相減為測試濾紙的濕重。稱重完成后用鑷子將干濾紙和測試濾紙一起移除。重復上述步驟直至所有試樣測試完畢。

（6）根據測試濾紙的干重和濕重計算濾紙的平衡含水率，基于濾紙對應的特定校準曲線，得到平衡含水率對應的基質吸力。結合SWCC預測模型，獲得滑帶土的土水特征曲線。

1.6 土水特征曲線

基質吸力反映土體狀態變化時所做的功，一般為負值，土水特征曲線的分析通常基于基質吸力的絕對值。國產“雙圈\"牌濾紙的校準公式見式（1），其曲線如圖2所示4]：

式中： ψ ——基質吸力/kPa;

W_f —濾紙的平衡含水率/ % 。

根據式（1）和試驗測得的平衡含水率（在該含水率下，濾紙與土樣及大氣之間形成水氣交換平衡，含水率不再變化），可以得到不同初始飽和度條件下滑帶土的基質吸力，結果如表5所示。

表5濾紙法試驗記錄表

根據試驗數據，結合數學預測方法獲得連續曲線，反映土水特征曲線特性。目前已提出數十種SWCC預測模型，如經典的Gardner模型[5]、 V-G 模型和 F- X 模型等。因 V-G 模型參數較少、預測精度較高，故采用該模型進行預測，具體如下：

式中： θ_w 體積含水率/ % ：θ 1 殘余體積含水率/ % ：θ_s 飽和體積含水率/ % ：ψ 基質吸力/kPa;a 進氣值相關的材料參數/ kPa^-1 ：m 和 n 無量綱參數。

在擬合過程中，殘余體積含水率取飽和值的 10% 。1. 35 g/cm³ 干密度滑帶土的模型參數如表6所示。鑒于參數 _a，m 和 n 與土性密切相關，因此在預測1. 20g/cm³ 干密度滑帶土的土水特征曲線時，采用相同的參數，僅改變飽和體積含水率和殘余體積含水率。相關預測結果如圖3所示。

表6滑帶土土水特征曲線 V-G 模型參數表

由圖2、圖3可知，基質吸力隨著體積含水率的增加而下降。在對數坐標系下，飽和度較高的區間內基質吸力變化不明顯，其余區間呈現出均勻變化的趨勢。依據現有研究成果，土水特征曲線可根據吸力大小大致劃分為三個區段： 104～106kPa 的牢固吸附段、 100～104kPa 的水膜吸附段以及 .0～100kPa 的毛細作用段。在滑帶土中，土水特征曲線主要包括后兩個區段，其中體積含水率0.4967～0.523對應毛細作用段， 0～0. 4967對應水膜吸附段。

圖2國產“雙圈\"牌濾紙吸力率定曲線圖

圖3試驗值及 模型擬合曲線圖

獲得土水特征曲線后，可結合非飽和強度理論，得到滑帶土強度隨飽和度的完整變化曲線。在非飽和強度預測方面，主要包括單應力理論8和雙應力理論9兩種。單應力理論認為吸力對非飽和土抗剪強度的影響由材料狀態系數X決定，且在早期研究中X的形式較簡單，可簡化為飽和度、體積含水率或分段的組合公式[10-11]，未考慮殘余含水率和進氣值等影響，存在一定誤差。雙應力理論則將基質吸力視作與外部荷載相同的一種應力變量考慮，用與吸力有關的內摩擦角tanb取代X，將強度預測延伸到剪應力、凈正應力和基質吸力組成的空間曲面中，在精度上更可靠[12]。非飽和強度理論也被應用于實際工程中，如在tanb表達式中考慮塑性指數影響[13]，但由于現場測量吸力較為困難[14]，且缺乏實測資料，故工程應用難以推廣。相對而言，現場土樣含水率容易測試，結合干密度和比重即可得到飽和度，通過將吸力的影響考慮到摩爾一庫侖準則中，研究強度參數與飽和度（含水率）的變化關系[15-16]，這雖是近似經驗方法，但簡單實用，適合工程應用。

2滑帶土壓縮特性分析

2.1試驗儀器與方案

試驗采用一維固結壓縮儀進行。通過測試在不同荷載壓力下，不同初始飽和度滑帶土的孔隙比，計算得到其壓縮性指標。標準固結壓縮儀由環刀、護環、透水板、加壓蓋、加壓砝碼和百分表等組成。

試驗土樣為不同初始飽和度的重塑滑帶土，開展一維固結壓縮試驗，以獲得其壓縮性指標，并通過換算得到壓縮模量。壓縮試驗選取初始飽和度分別為 25% 、45% 65% 、85 5% 和 100% 的五種試樣，在 12.5kPa 25kPa 、 50kPa 、100kPa、200 kPa 、400kPa、 800kPa 和1600kPa 荷載壓力下，逐級進行加載壓縮試驗。

試樣的初始干密度和初始孔隙比根據式（2）確定，制樣時主要通過控制一定體積內的干土質量來確定試樣的干密度。

式中： ρ_d 干密度/ （9?cm^-3 ）；m_d 干土質量/g；V 土樣總體積；G_s 比重；e 孔隙比；ρ 密度/ （9?cm^-3） ：w 含水率/ % 。

地質勘察報告顯示，滑帶土的干密度范圍為 0.99～ 1.69g/cm³ 。考慮到現場滑帶土的最大含水率為 48% 其對應的干密度約為 1.20g/cm³ ，且滑帶土的埋深大多?30m ，僅在接近70m的最大埋深處才可能達到地勘結果中的較大干密度。因此，選取了位于該范圍內的兩種典型干密度 （1.209/cm³ 和1 .35g/cm³ ）來制備試樣，并開展試驗研究。

根據試驗方案，需制備干密度為 1.20g/cm³ 和1.35g/cm³ ，初始飽和度分別為 25%.45%.65%.85% 品100% 的滑帶土試樣，并在 12.5kPa，25kPa，50kPa. 100kPa、200kPa、40OkPa、800kPa和1600kPa的荷載下進行逐級加載壓縮試驗。具體步驟如下：

（1）土樣準備：將滑帶土粉碎研磨，過 2mm 篩，在烘箱中保持105 C 的溫度加熱8h以上，以確保充分烘干。

（2）冷卻保存：將烘干后的土樣置于密閉塑料袋中，使其充分冷卻，在放置干土時盡量擠出塑料袋中的空氣，以減少空氣中水蒸氣對試驗結果的影響。

（3）含水率計算：根據試驗方案，針對不同干密度試樣計算其初始飽和度對應的含水率，并基于環刀尺寸，得到不同初始飽和度對應的干土質量和需加水的質量。稱取相應質量的土和水，在保鮮袋中進行混合，加水過程中需充分攪拌混合。混合完成后，將裝有土樣的保鮮袋置于密封性良好的試樣盒中，養護約24h。期間可將透水石與土樣一同埋置，以確保透水石與土樣的含水率相近。

（4）制樣：在養護時間充足后，將保鮮袋中的土樣移至壓樣器進行制樣。使用擊實器將土樣擊實，使其充滿環刀，然后將制備完成的試樣放入一維固結壓縮儀，并在環刀的兩面各放置一塊透水石。

（5）試驗準備：旋轉機械式百分表外圈，使指針對應零刻度線；如果使用電子百分表，則直接歸零。為保證試驗過程中試樣含水率保持相對穩定，在試樣圍護結構外設置濕毛巾或濕紙巾，并在試驗過程中每隔6h左右用注射器向濕毛幣或濕紙幣上噴灑水分，盡可能保持試驗含水率相對不變。

（6）逐級加載：在12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa和 1600kPa 八級荷載壓力下進行逐級加載壓縮試驗。讀數標準為該級壓力加載時間達到24h或試樣變形每小時變化 ?0.01mm

（7）試驗結束：卸載試樣并清洗儀器，打掃試驗室。

通過上述步驟，確保試驗的科學性和準確性，獲得不同初始飽和度滑帶土在各荷載壓力下的壓縮性指標和壓縮模量。

2.2 試驗結果分析

不同初始飽和度條件下滑帶土的一維固結壓縮試驗結果如圖4所示。從圖4可以看出，兩種干密度試樣的壓縮曲線總體變化趨勢相似，初始飽和度提高時，試樣的壓縮性均有所增加。初始飽和度為 25% 和 45% 時的試樣壓縮程度較小，前幾級荷載壓縮量差異不大。干密度為1.35 g/cm³ 的試樣壓縮曲線在荷載壓力 gt;400kPa 前幾乎重合，直到 gt;400 kPa后才表現出較小的壓縮性質差異。干密度為 1.20g/cm³ 的試樣壓縮曲線也存在靠近現象，但僅限于荷載壓力 lt;50kPa 的范圍內。干密度為1.35g/cm且飽和度為 100% 、干密度為1. 209/cm³ 且飽和度為 85% 或 100% 的三組試樣，在第一級 12.5kPa 荷載作用下就出現了較大的變形，表明滑帶土在初始飽和度較高的狀態下難以維持較低的干密度。

而干密度為1.35g/cm的試樣初始孔隙比為1.096，兩者比值為1.24。同時，兩種干密度下壓縮系數比值隨飽和度增大而減小，初始孔隙比差異導致了飽和度較高時壓縮模量的變化比較接近。

0.75[→p=1.35g/cm2

W/ 0.6 =1.20g/cm30.450.3

0.152 40 60 80 100飽和度/%（a）壓縮系數20ρd=1.35g/cm3

/ p=1.20g/cm30L20 40 60 80 100飽和度/%（b）壓縮模量

圖5滑帶土壓縮指標隨飽和度的變化曲線圖

圖4滑帶土一維固結壓縮試驗結果曲線圖

表7滑帶土壓縮指標表

根據圖4的試驗結果，計算得出不同干密度滑帶土試樣的壓縮模量和壓縮系數，并分析其隨初始飽和度的變化規律（如圖5所示），具體數值如表7所示。根據圖5，壓縮系數隨初始飽和度的增大而增大，而壓縮模量則呈相反趨勢。兩種干密度試樣對應的壓縮系數變化趨勢相似，而壓縮模量則隨初始飽和度增大逐漸一致，在初始飽和度達到 100% 時幾乎重合。

由于壓縮模量按公式 E_s=（1+e₀）/a. 計算，兩種干密度對應的壓縮系數試驗結果表現為相同趨勢的兩條折線。干密度為 1.20g/cm³ 的試樣初始孔隙比為1.358

3結語

本研究選取廣西賀州至巴馬高速公路（蒙山至象州段）一期工程中的某滑坡處的滑帶土，開展一系列物理特性試驗和濾紙法吸力試驗，獲得其基本物理特性及土水特征曲線。為研究初始飽和度對邊坡滑帶土壓縮特性的影響，采用1. 20g/cm³ 和 1.35g/cm³ 兩種干密度，配制初始飽和度分別為 25%.45%.65%.85% 和 100% 的五種試樣，開展一維固結壓縮試驗，獲得了滑帶土壓縮指標隨初始飽和度的變化規律。得出主要結論如下：

（1）降雨后滑帶土天然含水率可達到 50% 左右，表明取土處滑帶土飽和含水率偏高，天然孔隙比偏大，干密度偏小。自由膨脹率 40% ，表明所取土樣不屬于膨脹土。土粒比重為2.83，大于黏土常見的比重2.70，滑帶土可能含有較多的碎屑巖成分。液塑限聯合測定法獲得的液限為 65.7% ，塑限為 35.7% ，而搓條法測得的塑限為 36.8% ，表明滑帶土的細粒部分為高液限黏土。綜上，所取滑帶土屬于干密度偏小、碎屑巖含量偏多的高液限黏土。滑帶土的土水特征曲線主要包括毛細作用段和水膜吸附段，高飽和度區間基質吸力變化不明顯，其余區間則隨飽和度增加緩慢降低。

（2）根據不同干密度和初始飽和度試樣的一維固結壓縮試驗，結果表明干密度減小和初始飽和度提高會導致試樣壓縮性增大。隨著初始飽和度增加，滑帶土壓縮系數增加，壓縮模量下降，兩種干密度試樣的壓縮系數曲線接近平行，但壓縮模量曲線則趨于一致，在初始飽和度達到 100% 時幾乎重合。

這些結論為理解滑帶土在不同初始條件下的行為特性提供了重要依據，有助于進一步研究和優化滑坡治理措施。

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