不同風(fēng)化條件下高速公路邊坡鳳化巖土體力學(xué)性質(zhì)研究

摘要：文章通過室內(nèi)對不同風(fēng)化程度下的風(fēng)化巖體開展三軸壓縮力學(xué)試驗，研究風(fēng)化條件對高速公路邊坡風(fēng)化巖體的力學(xué)性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：（1）紅壤中不僅存在細(xì)小土粒，還存在粒徑較大顆粒物；而砂層和碎屑層的極大點對應(yīng)粒徑則分別為30 μm和60 μm處；（2）圍壓不僅能夠有效提升風(fēng)化紅土的承載能力，也能夠增強(qiáng)其變形能力，圍壓每增大50kPa，抗壓強(qiáng)度平均增大67.91kPa，軸向應(yīng)變增加1.73%；（3）不同風(fēng)化程度土的三軸抗壓強(qiáng)度分別為168.32kPa、198.33kPa和278.09kPa，峰值點軸向應(yīng)變分別為3.15%、2.72%和2.46%；（4）巖體的風(fēng)化程度越高，橫向鼓脹變形越明顯，巖體表現(xiàn)出的延性變形特征越明顯。

關(guān)鍵詞：高速公路；邊坡風(fēng)化巖體；風(fēng)化程度；三軸壓縮試驗；圍壓

中圖分類號：U416.1+4A090293

0引言

風(fēng)化巖體力學(xué)性質(zhì)差，而我國南方夏季炎熱多雨，且地勢復(fù)雜、山區(qū)邊坡分布廣泛，高速公路邊坡風(fēng)化巖體存在很大的失穩(wěn)破壞風(fēng)險［1-5］。因此，研究不同風(fēng)化條件下邊坡土體的力學(xué)性質(zhì)對于邊坡風(fēng)化土的加固設(shè)計及長期安全保證具有重要意義。

目前，我國學(xué)者已經(jīng)大范圍開展了針對風(fēng)化巖土體力學(xué)性質(zhì)的學(xué)術(shù)研究。王鵬翱等［6］指出可以利用微生物誘導(dǎo)礦化技術(shù)對風(fēng)化程度較大的紅砂土進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)改良工作，并取得了良好的加固效果。李龍起等［7］設(shè)計使用黏土對紅砂巖風(fēng)化土進(jìn)行改良并開展了三軸試驗，指出風(fēng)化土的紅砂巖風(fēng)化土粘聚力隨黏土含量增大而增大，但是內(nèi)摩擦角下降；李孟暉等［8］指出可以利用水泥攪拌樁技術(shù)對風(fēng)化軟土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改良。

綜上所述，現(xiàn)有研究多是從風(fēng)化土力學(xué)性質(zhì)改良角度展開，而缺乏對風(fēng)化土本身物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)開展的基礎(chǔ)研究［9-10］。本文基于室內(nèi)顆粒特征分析試驗和三軸壓縮力學(xué)試驗，對不同風(fēng)化程度的土展開了綜合性試驗。研究成果可為高速公路邊坡支護(hù)設(shè)計提供借鑒。

1工程背景

本文依托我國南方某省東南部某縣城的高速公路邊坡支護(hù)項目，該項目對于保證地區(qū)交通安全具有重要意義。該高速公路位于兩省交界處，工程標(biāo)段總長度＞18.34 km，沿線海拔高度約186 m，處于該省的山區(qū)位置內(nèi)，公路兩側(cè)邊坡的高度較高。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和資料查閱顯示，該地區(qū)邊坡以花崗巖風(fēng)化發(fā)育的紅壤為主，土壤性質(zhì)較差。此外，該地區(qū)夏季降雨較多、且強(qiáng)降雨情況時有發(fā)生，水土流失問題明顯，對邊坡安全性的威脅也很大。綜上所述，開展該地區(qū)高速公路邊坡的支護(hù)工作十分重要，而研究風(fēng)化巖體的力學(xué)性質(zhì)是支護(hù)設(shè)計的重要基礎(chǔ)。

2試驗設(shè)計

2.1試樣制備

為研究風(fēng)化程度對風(fēng)化巖土體力學(xué)性質(zhì)的影響，本次研究從試驗場地研究區(qū)域內(nèi)選取了一個風(fēng)化結(jié)構(gòu)比較完整的花崗巖風(fēng)化剖面，從不同深度處取樣，取樣深度分別為1.20 m、3.50 m以及5.50 m，對應(yīng)土層分別為紅土層（強(qiáng)風(fēng)化）、砂土層（中風(fēng)化）以及碎屑層（弱風(fēng)化）。三種土之間的表觀狀態(tài)存在較大差異：紅土層呈紅褐色，砂土層呈黃褐色，碎屑層整體呈灰黃色。紅土層多為黏性稍高的土壤，質(zhì)地較軟，具有良好的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)；砂土層結(jié)構(gòu)松散，與紅土層有明顯的顏色區(qū)別，沒有母巖殘余的痕跡；碎屑層以砂粒為主，且能夠觀察到殘存的母質(zhì)結(jié)構(gòu)?；诂F(xiàn)場所取試樣，對不同土體進(jìn)行分組，分別劃分為FH-1組、FH-2組以及FH-3組，并對三組試樣開展試驗研究。

2.2試驗方案

室內(nèi)對不同風(fēng)化程度的巖土體進(jìn)行了重塑，重塑得到的圓柱體試樣高度為200 mm、直徑為100 mm。為研究不同風(fēng)化程度對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，室內(nèi)對不同埋深的風(fēng)化巖土體進(jìn)行了粒徑分析試驗和三軸壓縮試驗，深入開展了風(fēng)化巖土體的顆粒特征分析、圍壓-強(qiáng)度特征分析、風(fēng)化程度-強(qiáng)度特征分析以及風(fēng)化程度-破壞形態(tài)分析。其中，風(fēng)化巖土體的顆粒組成采用超聲波分散吸管法進(jìn)行分析，研究設(shè)備為Longbench Mastersizer 3000型激光粒度儀；三軸壓縮試驗采用MTS-150型三軸巖石力學(xué)試驗設(shè)備，可實現(xiàn)最大軸壓為4 000 kN、最大圍壓為100MPa，能夠滿足本次試驗的相關(guān)要求。本次研究的力學(xué)試驗部分設(shè)計了兩種方案，具體如表1所示。

3試驗結(jié)果分析

3.1風(fēng)化巖土體的顆粒特征分析

基于室內(nèi)顆粒組成分析試驗，發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)化程度的土體，其顆粒組成具有非常明顯的差異。紅土顆粒組成曲線表現(xiàn)出了明顯的雙峰特征，其在顆粒直徑為10 μm和1 000 μm處表現(xiàn)出了兩個極大值，這表明紅土中不僅存在細(xì)小土粒，還存在粒徑較大顆粒物，而砂層和碎屑層的極大點對應(yīng)粒徑則分別為30 μm和60 μm處。試驗結(jié)果表明，風(fēng)化程度對土的顆粒組成影響非常明顯，隨著土體埋深程度的增大，其風(fēng)化程度逐漸變?nèi)?，土壤顆粒的粒徑則逐漸增大，土壤顆粒則逐漸呈粗化。

3.2圍壓-強(qiáng)度特征分析

基于室內(nèi)三軸壓縮試驗得到不同圍壓下紅土的三軸壓縮試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，不同圍壓下土的力學(xué)性質(zhì)存在一定的差異。隨著三軸圍壓的增大，風(fēng)化紅土的三軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大，同時其峰值點應(yīng)變也逐漸增大。當(dāng)圍壓為50kPa時，土體的抗壓強(qiáng)度為168.32kPa，峰值點軸向應(yīng)變?yōu)?.15%；此后，隨著圍壓的增大，其抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到236.26kPa、306.32kPa以及372.05kPa，峰值點軸向應(yīng)變則分別為5.22%、7.06%以及8.33%，圍壓每增大50kPa，抗壓強(qiáng)度平均增大67.91%，軸向應(yīng)變增加1.73%。上述試驗結(jié)果表明，圍壓不僅能夠有限提升風(fēng)化紅土的承載能力，也能夠增強(qiáng)其變形能力。分析認(rèn)為，在三維應(yīng)力作用下，土體的橫向變形得到了有效束縛，同時根據(jù)土體的摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，土的強(qiáng)度會隨著圍壓的增大而逐漸增大，因此，圍壓增強(qiáng)了土的承載能力和變形能力。

3.3風(fēng)化程度-強(qiáng)度特征分析

表2展示了相同圍壓下不同風(fēng)化程度的土的三軸壓縮力學(xué)試驗結(jié)果。由表2可知，在相同圍壓下，不同風(fēng)化程度的土的力學(xué)性質(zhì)存在很明顯的差異。三種土的埋深分別為1.20 m、3.50 m和5.50 m，土壤的類型也不同，分別為紅土、砂土以及碎屑土。對三種不同類型的土展開三軸壓縮試驗，圍壓均為50kPa，最終得到土的三軸抗壓強(qiáng)度分別為168.32kPa、198.33kPa和278.09kPa，峰值點軸向應(yīng)變分別為3.15%、2.72%和2.46%。由表2試驗結(jié)果還可知，巖土體的埋深越淺，則其受風(fēng)力、物理因素等條件的影響越大，則巖土的風(fēng)化程度也就越高。同時，風(fēng)化程度越大的土體，其抗壓強(qiáng)度也就越差，但變形能力則相對較強(qiáng)。分析認(rèn)為，由于風(fēng)化作用導(dǎo)致巖土體內(nèi)部破壞，巖體整體的破碎程度更高、顆粒間粘聚力更差，因此土的強(qiáng)度變低而變形能力增強(qiáng)。

3.4風(fēng)化程度-破壞形態(tài)分析

三軸壓縮試驗條件下，三種風(fēng)化土均表現(xiàn)出了非常明顯的橫向鼓脹變形現(xiàn)象，這表明，三種風(fēng)化土均出現(xiàn)了延性變形現(xiàn)象。巖體的風(fēng)化程度越高，橫向鼓脹變形越明顯，巖體表現(xiàn)出的延性變形特征越明顯。

4結(jié)語

本文基于室內(nèi)顆粒特征分析試驗和三軸壓縮力學(xué)試驗，深入分析了圍壓和風(fēng)化程度對高速公路邊坡風(fēng)化土體物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的影響，主要結(jié)論如下：

（1）顆粒組成分析試驗結(jié)果表明，風(fēng)化程度對土的顆粒組成影響非常明顯。風(fēng)化程度最高的紅土中不僅存在細(xì)小土粒，還存在粒徑較大顆粒物，而砂層和碎屑層的極大點對應(yīng)粒徑則分別為30 μm和60 μm處。

（2）圍壓不僅能夠有效提升風(fēng)化紅土的承載能力，也能夠增強(qiáng)其變形能力。當(dāng)圍壓為50kPa時，土體的抗壓強(qiáng)度為168.32kPa，峰值點軸向應(yīng)變?yōu)?.15%；此后其抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到236.26kPa、306.32kPa以及372.05kPa，峰值點軸向應(yīng)變則分別為5.22%、7.06%以及8.33%。

（3）在相同圍壓下，風(fēng)化程度高的土體承載能力弱，但變形能力更強(qiáng)。不同風(fēng)化程度土的三軸抗壓強(qiáng)度分別為168.32kPa、198.33kPa和278.09kPa，峰值點軸向應(yīng)變分別為3.15%、2.72%和2.46%。三軸壓縮試驗條件下，三種風(fēng)化土均表現(xiàn)出了非常明顯的橫向鼓脹變形現(xiàn)象，整體呈明顯的延性變形特征。

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作者簡介：熊亮（1987—），工程師，研究方向：高速公路土建。