順層路塹巖體結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)研究和邊坡設(shè)計(jì)優(yōu)化

孔憲斌

（中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，沈陽(yáng) 110136）

順層路塹巖質(zhì)邊坡種類繁多，根據(jù)其破壞模式可分為順層滑移破壞型、滑移-拉裂破壞型、滑移-彎曲破壞型等［1-5］。巖層層面作為順層邊坡的控制結(jié)構(gòu)面，其基本力學(xué)性質(zhì)主要取決于結(jié)構(gòu)面特征、物質(zhì)組成及水的作用［6］。目前對(duì)巖層層間指標(biāo)的研究主要采用理論計(jì)算、工程類比等方式［7-11］。由于順層層間強(qiáng)度參數(shù)取值的準(zhǔn)確性對(duì)順層邊坡穩(wěn)定性分析及工程防治有著極大的影響，因此有必要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)。

1 工程地質(zhì)及設(shè)計(jì)概況

本文選取的試驗(yàn)區(qū)位于十萬(wàn)大山東麓以及北部灣海岸線西側(cè)區(qū)域的桂南丘陵平原區(qū)。該區(qū)整體呈西北高東南逐漸降低的趨勢(shì)，主要為海積階地平原地貌、侵蝕剝蝕低丘地貌。區(qū)內(nèi)出露的地層巖性有：①侏羅系上統(tǒng)地層上部為鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖夾長(zhǎng)石細(xì)砂巖，下部為長(zhǎng)石砂巖夾泥巖及泥巖；②侏羅系中統(tǒng)地層上部為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，下部為砂巖、砂礫巖、泥巖夾煤線；③志留系下統(tǒng)地層連灘組五段土黃、褐黃色中～厚層狀細(xì)粒巖屑質(zhì)砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、頁(yè)巖；④志留系下統(tǒng)地層連灘組四段土黃、黃褐色薄～中層狀中細(xì)粒巖屑質(zhì)砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、頁(yè)巖。

試驗(yàn)區(qū)巖層多傾緩（傾角14°～25°），線路走向與巖層走向基本平行，主要的工程地質(zhì)問(wèn)題為順層邊坡失穩(wěn)，層間摩擦角依據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值（為14°），順層清方方案用地寬度、坡面防護(hù)及清方工程量巨大（代表斷面如圖1 所示）。設(shè)置支擋工程收坡方案因參數(shù)影響，作用在結(jié)構(gòu)上的荷載巨大，支擋結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大不具備比較價(jià)值。可見層間摩擦角的選取是本工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。為驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并為邊坡設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，在工程實(shí)施前開展了現(xiàn)場(chǎng)原位剪切試驗(yàn)。

圖1 順層清方代表斷面（單位：m）

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 選點(diǎn)原則

試驗(yàn)點(diǎn)的布置主要考慮研究區(qū)地層條件、工程實(shí)際需要、試驗(yàn)點(diǎn)的代表性以及試驗(yàn)操作的可行性。在侏羅系上統(tǒng)砂巖地層、砂巖夾泥巖地層、泥巖地層及志留系下統(tǒng)連灘組四段頁(yè)巖地層段各布置1 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。各點(diǎn)按天然狀態(tài)及飽和狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)點(diǎn)位置及編號(hào)見表1。

測(cè)區(qū)無(wú)明顯構(gòu)造及褶皺發(fā)育，地層單斜。試驗(yàn)點(diǎn)1發(fā)育巖層產(chǎn)狀為N40°E/18°SE，節(jié)理產(chǎn)狀為N62°W/90°，N10°E/90°；試驗(yàn)點(diǎn)2發(fā)育巖層產(chǎn)狀為N45°E/20°SE，節(jié)理產(chǎn)狀為N20°W/90°，E-W/90°；試驗(yàn)點(diǎn)3發(fā)育巖層產(chǎn)狀為 N40°E/18°SE，節(jié)理產(chǎn)狀為N62°W/90°，N10°E/90°；試驗(yàn)點(diǎn)4 發(fā)育巖層產(chǎn)狀為N80°E/26°E，節(jié)理產(chǎn)狀為N70°E/74°E、N-S/90°。剪切方向與巖層潛滑動(dòng)方向一致。

表1 研究區(qū)內(nèi)試驗(yàn)點(diǎn)位置及編號(hào)

2.2 應(yīng)力選取原則

本試驗(yàn)最大正應(yīng)力一般為1.2 倍預(yù)定正應(yīng)力，即工程受剪部位的自重正應(yīng)力，還要考慮巖體的強(qiáng)度、巖體的應(yīng)力狀態(tài)以及設(shè)備精度，在設(shè)計(jì)最大正應(yīng)力狀態(tài)下試樣不能被壓壞。試驗(yàn)加載前預(yù)估巖體黏聚力、內(nèi)摩擦角，據(jù)此確定試樣抗剪強(qiáng)度的范圍，從而有計(jì)劃地施加剪切荷載。

2.3 試驗(yàn)要求

2.3.1 試件的加工制作及養(yǎng)護(hù)

在試驗(yàn)地段開挖時(shí)，應(yīng)減少對(duì)巖體產(chǎn)生擾動(dòng)和破壞。在確定的試件部位挖除表層松動(dòng)巖石，定出剪切面，再沿所定剪切面周邊將試件與周圍巖石切開。試件各面應(yīng)修鑿平整，頂面宜平行于預(yù)定的剪切面。

1 組試驗(yàn)6 個(gè)試樣，將試件加工成方形，剪切面積不小于2 500 cm2，試件頂面最小邊長(zhǎng)不小于50 cm，高度不小于最小邊長(zhǎng)的2/3，試件之間的距離大于最小邊長(zhǎng)的1.5倍。

試件分為天然含水狀態(tài)和浸水飽和狀態(tài)2種?，F(xiàn)場(chǎng)飽和時(shí)，在試件剪切面周圍制作水槽，并采取防止水槽漏水的措施，每間隔一定時(shí)間向水槽內(nèi)補(bǔ)充飽和用水，保證水槽內(nèi)持續(xù)有水，飽和時(shí)間不少于48 h。

2.3.2 荷載系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)的制作

巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)均采用平推法。法向反力裝置采用增設(shè)錨固鋼筋的方法制作。切向反力裝置優(yōu)先采用現(xiàn)有巖體結(jié)構(gòu)，反力部位的巖體應(yīng)能夠承受足夠的反力，表面應(yīng)鑿平。如現(xiàn)有巖體已經(jīng)破壞或強(qiáng)度較低時(shí)，采用錨固筋制作反力裝置。反力裝置應(yīng)穩(wěn)定不變形，不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

按法向、剪切和側(cè)向位移測(cè)量要求，在試件上設(shè)置位移測(cè)量點(diǎn)。試件的推力部位應(yīng)留有安裝千斤頂?shù)淖銐蚩臻g，平推法應(yīng)開挖千斤頂槽。剪切面周圍的巖體應(yīng)大致鑿平，浮渣應(yīng)清理干凈。

對(duì)稱安裝垂直位移測(cè)量裝置2 個(gè)，剪切位移測(cè)量裝置2個(gè)，用于記錄試驗(yàn)過(guò)程中試件的變形或位移。

2.4 試驗(yàn)步驟

1）原位試件制備完畢后，按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行法向荷載系統(tǒng)安裝、剪切荷載系統(tǒng)安裝、測(cè)量系統(tǒng)安裝等，法向荷載與剪切荷載的合力作用點(diǎn)應(yīng)通過(guò)預(yù)定剪切面中心，且位于剪切縫或結(jié)構(gòu)面厚度1/2處。

2）每個(gè)試件的法向荷載宜分4～5級(jí)施加，分級(jí)可視正應(yīng)力的大小和巖性決定。應(yīng)在法向位移相對(duì)穩(wěn)定后施加剪切荷載，剪切過(guò)程中正應(yīng)力應(yīng)始終為常數(shù)。采用斜推法時(shí)應(yīng)同步降低因施加剪切荷載而產(chǎn)生的法向荷載的增量，以保持法向荷載不變。

3）每個(gè)試件的剪切荷載按預(yù)估最大值分8～10級(jí)施加，剪切位移增量為前級(jí)位移增量的1.5倍時(shí)，宜將級(jí)差減半。剪切荷載施加采用時(shí)間控制，對(duì)無(wú)軟弱充填物的試件每5 min加載1級(jí)，對(duì)具有軟弱充填物的試件，根據(jù)充填物的厚度和性質(zhì)，按每10 min 或15 min施加1 級(jí)荷載，施加前后均應(yīng)測(cè)讀各位移測(cè)表。接近剪斷時(shí)，應(yīng)加密測(cè)讀荷載和位移，峰值宜不少于10 組讀數(shù)。

4）試件剪斷后，繼續(xù)施加剪切荷載直至其趨于穩(wěn)定，剪切荷載無(wú)法穩(wěn)定或剪切位移明顯增大時(shí)，測(cè)讀剪切荷載峰值。在剪切荷載緩慢退至0 的過(guò)程中，正應(yīng)力保持不變，測(cè)讀試件回彈位移。

5）試驗(yàn)結(jié)束后，翻轉(zhuǎn)試件，測(cè)量實(shí)際剪切面面積，詳細(xì)描述剪切面的破壞情況，擦痕的分布、方向和長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和厚度，并對(duì)剪切面拍照記錄，如圖2所示。

圖2 各試驗(yàn)點(diǎn)代表性試件抗剪面

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試樣在不同正應(yīng)力條件下剪切破壞時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理得出試樣在各級(jí)正應(yīng)力下剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線（圖3）。

圖3 部分巖層正應(yīng)力、剪應(yīng)力、剪切位移關(guān)系

巖體結(jié)構(gòu)面原位直剪試驗(yàn)參數(shù)按庫(kù)倫-奈維表達(dá)式（tanφ=(τn-τ1)/(σn-σ1)，c=τn-σntanφ）確 定相應(yīng)的峰值及殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)c，φ值，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪試驗(yàn)結(jié)果

為便于與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，將表2 的c，φ值折算為綜合內(nèi)摩擦角，見表3。

表3 巖體結(jié)構(gòu)面綜合內(nèi)摩擦角 （°）

由表2、表3可知：

1）在天然狀態(tài)及飽和狀態(tài)下，巖層層間強(qiáng)度參數(shù)（峰值黏聚力、峰值摩擦因數(shù)、峰值內(nèi)摩擦角、殘余黏聚力、殘余摩擦因數(shù)、殘余內(nèi)摩擦角）的規(guī)律為砂巖＞砂夾泥巖＞泥巖＞頁(yè)巖。

2）在同一試驗(yàn)工況條件下（天然狀態(tài)或飽和狀態(tài)），各巖層層間殘余強(qiáng)度均低于峰值強(qiáng)度，所有試樣殘余強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的53.8%。其中天然狀態(tài)砂巖夾泥巖強(qiáng)度損失最多，殘余強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的25.7%，飽和狀態(tài)泥巖強(qiáng)度損失最小，殘余強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的77.9%。天然狀態(tài)的砂夾泥巖黏聚力降低幅度最大，由峰值強(qiáng)度26.07 kPa 降低至殘余強(qiáng)度2.42 kPa，降幅90.7%。飽和砂巖的內(nèi)摩擦角降低幅度最大，由峰值強(qiáng)度27.7°降低至殘余強(qiáng)度7.5°，降幅72.9%。綜合內(nèi)摩擦角方面，天然狀態(tài)砂巖夾泥巖降低最多，由32.6°降低至8.4°，降幅74.2%。

3）隨著試驗(yàn)工況條件的變化（天然狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)），各巖層層間強(qiáng)度參數(shù)均有所降低，頁(yè)巖峰值黏聚力降低幅度最大，由24.34 kPa降低至17.93 kPa，降幅26.3%；砂夾泥巖峰值內(nèi)摩擦角降低幅度最大，由27.4°降低至17.4°，降幅36.5%。

4）在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)具體工程情況合理取值，對(duì)預(yù)加固邊坡等尚未發(fā)生滑動(dòng)的工程建議取峰值飽和強(qiáng)度，對(duì)搶險(xiǎn)治理邊坡等已發(fā)生滑動(dòng)的工程建議取殘余飽和強(qiáng)度。

5）實(shí)測(cè)峰值綜合內(nèi)摩擦角均大于原設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取值（14°），順層邊坡防護(hù)工程措施具有優(yōu)化的條件。以峰值飽和強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)驗(yàn)值與頁(yè)巖強(qiáng)度較為接近，與其他巖性偏差較大，經(jīng)驗(yàn)值為實(shí)測(cè)值的42%～89%。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化情況

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)全線順層路基進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整原設(shè)計(jì)邊坡開挖坡率，高邊坡地段視地形情況增設(shè)樁間擋土墻（代表斷面如圖4所示）。經(jīng)本次設(shè)計(jì)優(yōu)化后，挖方量較原設(shè)計(jì)減少26.8 萬(wàn)m3，用地減少 4.47 萬(wàn) m2，支擋防護(hù)圬工增加 1.2 萬(wàn) m3，總投資共計(jì)約節(jié)省652萬(wàn)元。

圖4 順層地段優(yōu)化后路基工程代表斷面（單位：m）

5 結(jié)語(yǔ)

影響軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的因素復(fù)雜多樣，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，容易偏于保守，造成過(guò)度治理，導(dǎo)致投資浪費(fèi)。本文結(jié)合工程實(shí)際需求，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大型原位剪切試驗(yàn)獲取巖層層間抗剪強(qiáng)度參數(shù)，為防城港至東興鐵路邊坡支擋防護(hù)工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)對(duì)本地區(qū)周邊類似工程具有借鑒價(jià)值。