不同含水量下高填方顺层边坡土岩界面直剪试验研究

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

试验与研究

不同含水量下高填方顺层边坡土岩界面直剪试验研究

刘宏力李开迪袁奇廖俊秦龙

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳550081)

由于岩性上存在软硬突变，以及降雨下渗时地下水沿土岩界面向坡脚渗流，高填方顺层边坡的土岩界面常为边坡破坏的潜在滑动面。为了给边坡防护提供参考依据，利用不同含水量土样进行室内试验，探究土岩界面的剪切特性。结果表明，不同含水量的土岩界面在剪切过程中表现出不同程度的软化特征，正应力越大，界面应变软化越明显。

高填方；顺层边坡；土岩界面；直剪试验

由于贵州地处云贵高原东部，区域地层受多期构造作用，造成地貌沟谷分布多，地貌高差大[1-2]。伴随贵州省内高速公路和各等级公路改扩建工程的蓬勃发展，公路隧道及挖方边坡数量都较大。由于填方路基对于消化弃方具有良好效果，亦可避免另寻弃土场造成对田地的永久侵占，因此，高填方在贵州省内高速公路和各等级道路建设过程中并不鲜见。尽管秉承“地质选线”的设计理念，基岩为顺层边坡的各种填方边坡依旧存在[3]。

顺层岩质边坡的滑塌与稳定性理论分析已被较多学者进行过广泛研究。蒋建平等认为包含土岩界面在内的土体结构面控制着土体的变形和破坏[4]。吁燃等对高挖方的顺层坡溃屈破坏进行了理论分析，并结合不同工况进行了稳定性对比[5]。韦达等分析了不同模式下顺层岩质边坡滑动面的确定方法[6]。邹宗兴等根据现场调绘结合理论分析，划分了顺层滑坡模式[7]。对于填方路基的顺层坡问题，王蓉蓉等根据钻孔土样在室内配比试验了含水量对风化界面剪切特性的影响[8]。袁奇等对下里哈高速公路顺层填方路基顺层边坡防护做了稳定性计算[9]。然而，由于各顺层边坡工程地质条件有别，支护方式不同，且填筑体的岩性与下伏基岩存在软硬的突变，当降雨下渗到填方路堤的基底，地下水沿基岩顶面向坡脚渗流，地下水在基岩顶面淤积，对土体有软化的作用，顺层填方路堤边坡沿土岩界面滑塌的事例并不鲜见。

含水量作为影响岩土体物理力学性质的重要参数，影响着高填方路堤土岩界面的抗剪强度。王蓉蓉根据对风化界面不同含水量的剪切特性进行了研究[8]。卢廷浩等对利用室内抗剪强度试验对结构接触面进行了强度规律探索[10]。综合以上，本文利用贵州S304省道某段高填方顺层路堤边坡所取岩土样，通过室内直剪试验，探究含水量对土岩界面的剪切特性的影响，从而为边坡防护设计提供设计参考。

1 工程概况

S304省道位于贵州省桐梓县，处于黔北高山地区向四川盆地过渡区域，区域地面起伏大，高差大。道路起于桐梓县花秋镇，终于桐梓河畔的圆满罐乡，地貌高程落差达到669.5 m。区域年平均降雨1 038.8 mm，主要集中于夏秋两季，夏秋两季区域内地层极为富水。本段高填方顺层陡坡路段全长80 m，起止桩号为K7+500和K7+580，中心最大填高13.39 m，最大边坡高度为45.30 m。地层由新到老分别为灰褐、灰黄色第四系(Qel+dl)松散坡积粉质黏土，下伏基岩为奥陶系下统湄潭组(O1m)泥岩、页岩。岩层产状为130°∠20°。路线走向为233°，因此该路段为典型的高填方顺层陡坡路堤，K7+560为该段路堤典型工程地质剖面，见图1。

图1 试验区域工程地质横断面示意

2 直剪试验

2.1 试验材料及方法

取野外调绘坡积粉质黏土约10 kg，结合钻孔岩芯样基岩强风化层样约5 kg。坡积粉质黏土烘干通过2 mm筛分取出细粒土供试验使用。所得主要参数如下：ρs=2.55 g/cm3，土样干密度ρd=1.82 g/cm3，最佳含水量为12.73%。将所得细粒土均匀加水，配比含水量设定为8.1%，10.2%，12.7%，15.8%，19.9%，24.7%。保持所用试样干密度一致为ρd=1.82 g/cm3。

为模拟土岩界面的岩性软弱突变，对剪切试验进行改变，下剪切盒放置强风化泥岩样，保持层面与剪切面平行，下剪切盒空隙之处用相应含水量配比的坡积粉质黏土样充填，上剪切盒放置相应含水量配比的土样试验，下剪切盒内强风化岩样一次试验后不再使用，重新放置下剪切盒岩样，见图2。利用等应变直剪仪，法向应力设置为400，200，100，50 kPa。速率剪切保持为4 r/min，具体实验步骤按《公路土工试验规程》进行操作[11]。

图2 剪切试验剪切盒示意

2.2 试验结果及分析

对含水量为12.7%和24.7%的两组典型试验数据进行分析，见图3。土岩界面在不同含水量的剪切过程中，都呈现一定程度的应变软化；对比含水量为12.7%及含水量为24.7%下四组法向应力试验可以看出，法向应力越大，模拟所得的土岩界面剪切应变软化越明显。

图3 12.7%和24.7%含水量下剪应力-位移曲线

对6组不同含水量共24组试验数据进行归类拟合，得到表1。将粘聚力(C)、内摩擦角(φ)和含水量的关系绘制得到图4。

表1 不同含水量下的C和φ

根据图4分析可知，当试样含水量为12.7%时，土岩界面的粘聚力和内摩擦角都存在着极大值。当含水量低于12.7%时，随着含水量增大，土岩界面剪切过程中粘聚力和内摩擦角都相应增大；当含水量高于12.7%时，含水量增大，土岩界面剪切过程中粘

图4 内摩擦角、粘聚力与含水量关系

聚力和内摩擦角却随之减小。但界面剪切含水量为24.7%时，粘聚力为零。分析认为，这是由于含水量增大，水充满土颗粒间的孔隙，造成土岩界面出现剪切滑移现象所致。

3 设计措施

由于该区域降雨主要集中在夏秋两季，年平均降雨量为1 038.8 mm，根据本次试验，土岩界面的抗剪强度在含水量变化所呈现的先增大后降低的情况可从以下两个方面进行针对性的设计：①对土岩界面开挖台阶，使填筑体与基岩呈锯齿状接触，避免顺层的土岩界面成为高填方顺层边坡的软弱结构面。根据以往贵州省内高填方边坡的设计，台阶宽度存在2 m、3 m、4 m及5 m不同宽度的台阶，根据施工反馈结合道路运行后填方路基的稳定性经验，建议台阶宽度以4 m为宜。②清除表层松散粉质黏土，填筑透水性材料，设置盲沟，及时排除地下水，避免地下水在土岩界面的淤积，造成高填方路堤边坡土岩界面的岩土体的物理力学性质的软化和抗剪强度参数的弱化。

4 结 论

本文以贵州省桐梓县S304省道K7+500～K7+580高填方顺层边坡为背景，利用室内直剪试验探究不同含水量下高填方顺层边坡土岩界面的剪切特性。主要结论如下：

(1) 不同含水量下土岩界面的剪切都存在一定程度的应变软化，试验法向应力越大，应变软化越明显。

(2) 当含水量低于12.7%时，随着含水量增大，土岩界面剪切过程中粘聚力和内摩擦角都相应增大；当含水量高于12.7%时，含水量增大，土岩界面剪切过程中粘聚力和内摩擦角却随之减小。但界面剪切含水量为 24.7%时，粘聚力为零。

(3) 建议边坡设计时开挖4 m宽大台阶，使填筑体与基岩呈锯齿状接触，避免顺层的土岩界面成为高填方顺层路堤边坡的易滑面。清除表层松散粉质黏土，填筑透水性材料，设置盲沟，及时排除地下水，避免地下水的淤积导致边坡土岩界面参数的软化。

[1] 黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石力学与工程学报，2007，26(3)：433-454.

[2] 王勇，张志强，张红利.贵州三凯高速公路地质灾害概况与对策[J].岩石力学与工程学报，2005，24(a02)：5323-5330.

[3] 刘宏力，刘品,陈华兴.西南山区高等级公路层状岩质边坡失稳判据研究[J].交通科技，2010(5)：42-44.

[4] 蒋建平，章杨松，罗国煜.土体宏观结构面及其对土体破坏的影响[J].岩土力学,2002，23(4)：482-485.

[5] 吁燃，刘品，龙森. 顺层岩质斜坡溃曲破坏机理的力学分析[J].公路交通技术,2012，8(4)：18-21.

[6] 韦达，赖勇.顺层岩质边坡滑动面确定方法探讨[J].中国地质灾害与防治学报,2015，26(2)：30-35.

[7] 邹宗兴，唐辉明，熊承仁，等.大型顺层岩质滑坡渐进破坏地质力学模型与稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2012，31(11)：2221-2231.

[8] 王蓉蓉，袁奇，袁鑫.含水量对顺层坡风化界面剪切特性试验研究[J].科学技术与工程，2016，16(20)：243-246.

[9] 袁奇，龙维，刘品，等.下里哈软岩路基顺层边坡防护支挡对策研究[J].公路交通技术，2016,03：19-22.

[10] 卢廷浩，王伟，王晓妮. 土与结构接触界面改进直剪试验研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2006,22(1)：82-85.

[11] 中国人民共和国交通部. JTG E40-2007 公路土工试验规程[S].北京：人民交通出版社，2007.

(编辑：黄艳艳)

TV457

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2017-05-08

刘宏力，男，贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，高级工程师.

1006-0081(2017)09-0046-03