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(guò)室內(nèi)對(duì)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(yàn)，研究風(fēng)化條件對(duì)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(diǎn)對(duì)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?cè)黾?.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(diǎn)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(yàn)；圍壓

中圖分類號(hào)：U416.1+4A090293

0引言

風(fēng)化巖體力學(xué)性質(zhì)差，而我國(guó)南方夏季炎熱多雨，且地勢(shì)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(xiǎn)［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(duì)于邊坡風(fēng)化土的加固設(shè)計(jì)及長(zhǎng)期安全保證具有重要意義。

目前，我國(guó)學(xué)者已經(jīng)大范圍開展了針對(duì)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(duì)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(jì)使用黏土對(duì)紅砂巖風(fēng)化土進(jìn)行改良并開展了三軸試驗(yàn)，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(duì)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(duì)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(yàn)和三軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)不同風(fēng)化程度的土展開了綜合性試驗(yàn)。研究成果可為高速公路邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1工程背景

本文依托我國(guó)南方某省東南部某縣城的高速公路邊坡支護(hù)項(xiàng)目，該項(xiàng)目對(duì)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(zhǎng)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(chǎng)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(shí)有發(fā)生，水土流失問題明顯，對(duì)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(jì)的重要基礎(chǔ)。

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試樣制備

為研究風(fēng)化程度對(duì)風(fēng)化巖土體力學(xué)性質(zhì)的影響，本次研究從試驗(yàn)場(chǎng)地研究區(qū)域內(nèi)選取了一個(gè)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(duì)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(chǎng)所取試樣，對(duì)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(duì)三組試樣開展試驗(yàn)研究。

2.2試驗(yàn)方案

室內(nèi)對(duì)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(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，室內(nèi)對(duì)不同埋深的風(fēng)化巖土體進(jìn)行了粒徑分析試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，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L(zhǎng)ongbench Mastersizer 3000型激光粒度儀；三軸壓縮試驗(yàn)采用MTS-150型三軸巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)最大軸壓為4 000 kN、最大圍壓為100MPa，能夠滿足本次試驗(yàn)的相關(guān)要求。本次研究的力學(xué)試驗(yàn)部分設(shè)計(jì)了兩種方案，具體如表1所示。

3試驗(yàn)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(yàn)，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(gè)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(diǎn)對(duì)應(yīng)粒徑則分別為30 μm和60 μm處。試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)化程度對(duì)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)酰寥李w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(yàn)得到不同圍壓下紅土的三軸壓縮試驗(yàn)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(shí)其峰值點(diǎn)應(yīng)變也逐漸增大。當(dāng)圍壓為50kPa時(shí)，土體的抗壓強(qiáng)度為168.32kPa，峰值點(diǎn)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(diǎn)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?cè)黾?.73%。上述試驗(yàn)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(shí)根據(jù)土體的摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，土的強(qiáng)度會(huì)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(yàn)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(duì)三種不同類型的土展開三軸壓縮試驗(yàn)，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(diǎn)軸向應(yīng)變分別為3.15%、2.72%和2.46%。由表2試驗(yàn)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(shí)，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(duì)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(yàn)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(yǔ)

本文基于室內(nèi)顆粒特征分析試驗(yàn)和三軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，深入分析了圍壓和風(fēng)化程度對(duì)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(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)化程度對(duì)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(diǎn)對(duì)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(shí)，土體的抗壓強(qiáng)度為168.32kPa，峰值點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)軸向應(yīng)變分別為3.15%、2.72%和2.46%。三軸壓縮試驗(yàn)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。

參考文獻(xiàn)

［1］丁瑜，陳曉斌，王晅，等.紅砂巖風(fēng)化土路基瞬態(tài)飽和區(qū)動(dòng)彈性模量和阻尼比試驗(yàn)研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，47（11）：130-139.

［2］彭功勛.廣州地區(qū)花崗巖風(fēng)化土液性指數(shù)探討及應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2019，33（4）：460-464，470.

［3］曹培，杜雨坤.紅砂巖風(fēng)化土濕化特性的三軸試驗(yàn)研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2019，27（4）：819-824.

［4］盧有謙，韋昌富，蔡國(guó)慶，等.風(fēng)化花崗巖土的持水特性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（S2）：96-100.

［5］李宏文.花崗巖風(fēng)化土工程特性研究［J］.四川水泥，2018（7）：273-274.

［6］王鵬翱，高利平，王曉榮.阿爾寨石窟紅砂巖風(fēng)化土的微生物礦化試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，40（6）：468-474.

［7］李龍起，王楠宇，王安迪，等.紅砂巖風(fēng)化土抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2021，61（8）：102-105.

［8］李孟暉，秦方，趙小波.馬來(lái)西亞淤泥質(zhì)砂巖強(qiáng)風(fēng)化土地區(qū)水泥攪拌樁配合比應(yīng)用研究［J］.工程技術(shù)研究，2021，6（6）：23-25.

［9］殷平，李江濤.高速公路玄武巖風(fēng)化土滑坡分析及處治措施研究［J］.路基工程，2020（5）：208-211.

［10］黃國(guó)淼，陳志波，陳少峰，等.植物膠工藝取樣技術(shù)在花崗巖風(fēng)化土中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2020，39（9）：51-55.

作者簡(jiǎn)介：熊亮（1987—），工程師，研究方向：高速公路土建。