降雨条件下混合花岗岩边坡残积土工程特性衰变综合测试*

李斯涛，张 涛，李培锋，李 春

(1.云南玉临高速公路建设有限责任公司，云南 昆明 677000；2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

0 引言

公路、隧道等工程建设过程中,风化花岗岩土层普遍存在，由于其性质特殊,在一定条件下易发生变形破坏,对施工和运营造成严重危害[1]，如深圳地区某地下隧道存在风化花岗岩土层涌水现象[2]。同时，降雨对该类土层具有不可逆的冲刷破坏、强度软化等作用[3-4]，所以研究花岗岩残积土在降雨条件下的衰变演化规律有助于减少灾害的发生，为实际工程中该类土体的处理提供理论支撑。

在花岗岩残积土力学强度研究中，全风化花岗岩有效抗剪强度与孔隙度密切相关，直剪试验与三轴试验得出的有效抗剪强度呈负弱线性相关关系[5]；Charles等[6]通过三轴排水试验、不排水试验研究了松散花岗岩风化土体有效应力路径和应力比；Curtis等[7]基于Green-ampt，Philip，Holtan入渗模型研究了加拿大北部地区某风化花岗岩路堑边坡在加入生活垃圾后的渗透性能；Chiu等[8]研究了化学风化作用对香港某地区花岗岩残积土的影响，结果表明残积土膨胀效应、峰值强度随矿物成分迁移指数的增大而减小；刘艳辉等[9]基于饱和-非饱和渗流理论，分析研究雨水入渗过程和斜坡失稳机制，建立了典型斜坡预警判据；王贺等[10]以不同深度的湿润峰代表不同强降雨条件，研究花岗岩残积土边坡系统可靠度，提出考虑时变效应的花岗岩残积土边坡系统可靠度分析方法；简文彬等[11]研究了干湿循环条件下花岗岩残积土衰减规律。前人研究了不同类型、条件对风化花岗岩土体及边坡的影响，但大部分研究忽略了该类边坡土体成因与不同影响因素间的内在联系，缺乏对某些特殊类型边坡的系统性、完整性研究。

花岗岩残积土具有上下层结构不均、易受扰动等特性，其原位测试相对困难。Schnaid等[12]利用自钻式旁压仪和马切蒂膨胀仪对香港九龙湾地区花岗岩残积土进行测试，得到破坏包络线；Fonseca等[13]结合地震波法、探地雷达法等多种地球物理探测方法，对葡萄牙西北部某地区花岗岩残积土进行原位检测；马海毅等[14]通过波速测试、浅层平板荷载试验、原位剪切试验等原位测试，得到强风化花岗岩主要物理与力学性质指标；尹松[15]采用自钻式旁压仪对广东台山地区花岗岩残积土剪切模量、剪应变进行研究，结果表明小应变时剪切模量对土体差异较敏感；陈晓坚等[16]基于地震扁铲侧胀试验对厦门花岗岩风化层排水特性、固结特性进行研究，结果表明地震扁铲侧胀试验作为新型改进原位测试手段，具有一定可靠性与广泛适用性。总体而言，对于花岗岩残积土的原位测试以地球物理探测、钻孔、原位力学测试为主，国内原位测试所用方法较单一。

本文以云南墨临高速公路某路段混合花岗岩残积土边坡为研究对象，结合土体室内试验及现场高密度电法、高密度面波勘测技术，研究雨季前、后边坡物理力学特征参数变化，为边坡分级开挖施工与支护提供理论参考。

1 边坡概况

云南省临沧市地处横断山系怒山山脉南延部分，属滇西纵谷区，亚热带低纬高原山地季风气候，地形地势复杂，是多气候类型区，主要受印度洋暖湿气流和西南季风影响，四季之分不明显，但干雨季分明，年降雨量 1 300～2 000mm，6—10 月降雨量占全年90%以上，降雨主要集中在7—8月。

墨临高速公路K248马台路段边坡花岗岩原岩为混合花岗岩，主要由中细粒变斑状黑云混合(二长)花岗岩和中细粒黑云混合花岗岩组成，以前者为主。边坡土体呈全～强风化状，呈硬砂土状，强度低，遇水易崩解，保水性及团粒结构差，抗蚀性和抗冲性差，易受扰动，工程性质复杂。需开挖路段总长200m，开挖后将在路线左、右侧分别形成高约35.78，53.82m的土质边坡，中心最大挖方高度约31.869m。由于边坡开挖后受降雨影响，需结合花岗岩工程特性，对边坡稳定性进行原位测试研究。

图1 马台路段典型地质剖面

2 降雨对残积土宏微观特性的影响

研究区土层构造抬升及剥蚀作用相对较小，由降雨引起的风化作用对花岗岩残积土的形成影响较大。为此，通过电镜扫描及三轴试验对降雨的影响进行研究。

2.1 微观结构

花岗岩残积土粒组中颗粒含量大，颗粒间的有效联结主要依靠游离氧化物实现[2]，微观结构的变化反映了有效联结力的变化。对表层全风化花岗岩粉质黏土和强风化混合花岗岩残积土进行电镜扫描，如图2所示。放大200倍时，二者裂隙、空洞无序分布，胶结程度一般，说明其矿物为无序生长。其中强风化混合花岗岩存在较多裂隙、空洞，最大空洞直径约120μm；全风化花岗岩空洞数量明显大于强风化混合花岗岩，且裂隙的平距、长度均较小。放大500倍时，强风化混合花岗岩和全风化花岗岩微观结构差异较小，仅在空洞深度上具有一定差异。

图2 边坡残积土体电镜扫描图像

花岗岩在风化过程中微结构性变差，抗剪强度主要成分逐渐变为以胶结作用为主的黏聚力。黏聚力随土体含水率的增加逐渐减小，土体强度减小明显，更易受降雨作用的影响。此外，降雨作用会影响残积土体的风化，使其黏土成分含量增加，所以降雨对土体强度演化过程产生正向不断促进、增大的影响。

2.2 抗剪强度

对0.5m深度处全风化花岗岩粉质黏土和5m深度处强风化混合花岗岩残积土进行钻芯取样，样品天然含水率分别为11.4%，12.7%。对强风化混合花岗岩残积土、粉质黏土进行重塑土三轴试验，测得应力-应变曲线如图3，4所示(σ1为最大主应力，σ3为围压)。由图3，4可知，混合花岗岩土体应力-应变曲线属于应变硬化型，即使围压达到300kPa时，也未出现应变软化现象，说明花岗岩颗粒较坚硬。此外，随着围压的增大，应力-应变曲线峰值点对应的应力值逐渐变大；在样品密度相差较小的情况下，随着含水率的增加，各围压状态对应的峰值强度减小，且剪切峰值对应的应变增大。粉质黏土应力-应变曲线在较低含水状态下呈现应变软化现象，其峰值强度也远低于风化花岗岩，说明其黏粒含量相对高，整体强度低。

图3 不同含水率下强风化花岗岩ε-(σ1-σ3)曲线

图4 不同含水率下粉质黏土ε-(σ1-σ3)曲线

根据莫尔强度理论，统计得出强风化花岗岩和粉质黏土各含水率条件下土体黏聚力c和内摩擦角φ值，如表1，2所示。由表1，2可知，随着含水率的增加，混合花岗岩c值增加，φ值变化较小，说明混合花岗岩中细粒物质受雨水的影响较大；粉质黏土c值减小速率小于其φ值减小速率，表明在强降雨条件下粉质黏土土体抗剪强度有显著下降趋势。

表1 混合花岗岩不同含水率试样c，φ值统计结果

表2 粉质黏土不同含水率试样c，φ值统计结果

3 原位测试与结果分析

边坡开挖后形成5级台阶，每级高10m，坡度45°，如图5所示。按30m等间距选取测线K248+640，K248+670，K248+700进行高密度电法、高密度面波测试，如图6所示。

图5 边坡开挖断面

图6 现场测线布设

3.1 测试原理

高密度电法是基于直流电测深开发的、存在4个电极的电测法，利用程控电极转换器，由计算机控制选择供电电极和测量电极，可快速采集大量电流电压数据。电阻率计算如下：

ρ=2πaR

(1)

式中：ρ为两被测量电极间的电阻率 (Ω·m)；a为电极间的距离(m)；R为电极间的电阻(Ω)。

高密度面波勘探法具有精度高、可靠性好等特点，在国外工程地质勘探中应用广泛。数据处理流程包括预处理、波形处理、频散分析、两维分析与作图。其基本原理为均匀介质中含面波速度的瑞雷波动方程的求解[17]：

(2)

式中：VR为面波波速 (m/s)；VS为横波波速(m/s)；σ为泊松比。

岩土体电阻特性主要由密度、含水率、物质成分等因素决定，面波波速主要由岩土体物质组成、密度、结构特性等因素决定。高密度电法和高密度面波均可反映地下岩土体分层、结构特性，而降雨风化作用不仅改变了风化花岗岩物质组成和含水状态，还改变了其结构特性，使其变为多孔、疏松的土体。

3.2 高密度电法测试

将电极距设为2m，共120个电极，测线长240m，最大测深20～30m，雨季开始前(4月)进行测试，测线K248+700测试结果如图7a所示。结果表明，埋深5～10m存在连续低阻体，电阻率一般<500Ω·m，部分区域存在高阻体，呈极度不均匀分布；10m以下范围内混合花岗岩残积土电阻率随着深度的增加而增大。

雨季结束7d后(10月下旬)，测得强风化层-0.5m 的土体含水率约为15.6%。再次对边坡进行高密度电法测试，结果如图7b所示。由图7b可知，降雨后整个边坡0～10m范围内电阻率变大；坡底位置埋深10m以下土体电阻率变小。

图7 降雨前后K248+700测线电法解译结果

为更明确地评价降雨影响，对K248+700测线电阻率剖面进行频数统计分析，结果如图8所示。0～5m 范围，降雨后电阻率为0～750Ω·m时，频数有较弱的减小趋势；大于750Ω·m时，频数增加，即表层电阻率较低的土体在降雨作用后频数增大。5～10m 范围，降雨后0～400Ω·m电阻率基本消失，大于500Ω·m的电阻率频数增加，且增加幅度达50%～80%。10～15m范围，电阻率为0～250Ω·m 时频数出现大幅下降，降雨后电阻率呈整体增大趋势，尤其是低阻部分，受降雨的影响更明显，这是因为经历长达4个月的降雨冲刷后，边坡0～10m 区域的土体内部细颗粒被冲走，特别是黏土成分物质，土体整体结构性破坏严重，导致电阻率增加。

图8 K248+700测线电阻率频数统计

3.3 高密度面波测试

高密度面波测试在堆石体检测中已取得良好效果[18]，证明了该方法在岩土体检测领域的适用性。采用该方法，布设240m长测线，检波器间距设为2m，为1×24排列，每次测试移动12个检波器的位置，直至完成整条测线的测试。

边坡开挖完成、降雨前进行面波勘探，得到地下介质剪切波速分布结果，如图9a所示。结合钻孔资料，以界限剪切波速192，256，288m/s将其分为3层，分别为0～10m深表层残积土、10～40m深全～强风化花岗岩残积土和40m深度以下范围强风化花岗岩残积土。

雨季结束后进行面波勘探，得到平距45m位置处降雨前、后变化结果，如图9b所示。结果表明，0～5m 深度处，土体剪切波速降幅达8%；5～10m深度处，土体剪切波波速减小幅度相对较小；10～15m深度处，降雨前、后波速在不同剖面呈轻微波动趋势。所以，开挖和降雨对风化花岗岩土质边坡的影响主要在10m深度范围内，主要影响边坡密实度和结构性，导致弹性模量等物理力学特性降低。

图9 开挖后面波反演结果

4 降雨条件下残积土特征变化

降雨作用对深度10m以下的土体影响相对较小，对表层和中层土体影响相对较大，分别统计3条测线0～5，5～10m深度处土体平均电阻率和剪切波速，如图10所示。由图10可知，降雨对表层残积土电阻率和剪切波速的影响幅度分别为44%，8%，对中层残积土电阻率和剪切波速的影响幅度分别为20%，6%。经历1个完整雨季后，风化花岗岩土体含水率变化较小，其主要原因在于该类土体具有多孔隙特征，地下水渗漏条件较好，表层土体保水能力差，由于渗流作用，细颗粒流失，导致结构性部分丧失、导电物质流失，所以整体电阻率呈增加趋势；微观上，开挖或降雨导致风化花岗岩内部物质组成、颗粒接触关系、孔隙性不同，进而影响土体物理力学特性。

图10 降雨前后不同深度残积土电阻率、波速变化

由于5～10m深度处残积土含水率难以获取，结合三轴试验结果，统计得到表层0～5m深度处降雨前、后(或含水率增加前、后)残积土电阻率、剪切波速、黏聚力、内摩擦角，分别以各参数变化前较大值为标准值，统计其变化所占百分比，如图11所示。结果表明，电阻率变化率随含水率呈增大趋势，这可能是因为电阻率对于土体含水率和结构特性均较敏感。

图11 表层残积土各特征参数变化趋势

5 结语

1)室内力学和微观结构测试结果表明，临沧地区混合花岗岩残积土随着土体含水率的增加，黏聚力增加幅度较大，更易受降雨作用的影响。此外，降雨作用会加快该类土体风化，使其黏土成分含量增加，所以降雨对该类土体强度演化过程产生正向不断促进、增大的影响趋势。

2)边坡残积土在降雨后的电阻率增大，且降雨主要影响了低阻岩土体。高密度面波测试结果表明，风化花岗岩土体可根据横波波速分为表层扰动层、中层全风化层和下部强风化层。

3)降雨对表层0～5m深度处残积土电阻率和剪切波速的影响幅度分别为44%，8%；对5～10m深度处残积土电阻率和剪切波速的影响幅度分别为20%，6%。总体而言随着深度的增加其影响程度迅速减小，且降雨总的影响深度<10m。混合花岗岩边坡应采取边开挖、边支护的方式进行分级开挖，且开挖过程中应做好防降雨冲刷入渗措施。