基于現場剪切試驗的順層層間力學參數取值研究

【摘要】在高速鐵路路塹勘察設計過程中，順層層面力學參數取值，是勘察設計的重點也是難點，參數是否合理直接決定工程是否安全、經濟。為了獲取最優順層層面力學參數，通過對某高速鐵路典型順層路基案例進行分析、研究，提出了充分分析工程地質條件、精細化分類結構面組合，對不同結構面組合進行針對性現場大剪切試驗，在現場大剪切試驗的基礎上，考慮長期蠕變效應，確定基于現場大剪試驗的順層層間力學參數的新方法。

【關鍵詞】高速鐵路； 順層； 大剪試驗； 參數取值

【中圖分類號】U213.1+2【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-09-30

［作者簡介］王森（1988—），男，碩士，工程師，從事巖土工程及地質災害防治等工作。

0 引言

順層邊坡對鐵路、公路工程的安全施工和運營威脅最大［1］，在順層路塹勘察設計過程中，順層層面力學參數取值直接決定工程安全和工程投資，大量的研究［1-12］表明，順層結構面參數主要通過室內及現場試驗、工程地質類比及反演分析等方法進行取值。而各種取值方法都存在各自的優缺點，室內試驗因為取樣困難，難以保證試樣的代表性和原狀性，同時室內試驗還存在嚴重的尺寸效應，使得通過室內試驗獲取的結構面參數與實際情況差距較大。現場剪切試驗因費用高、試驗時間長、試驗困難、試驗點的代表性選取困難等原因，鐵路勘察進行順層層面的現場剪切試驗很少，大部分工程根據工程經驗提順層層面的綜合內摩擦角，這種方法規范上允許，設計上需要，勘察過程操作性強［11］。工程類比法在對區域地質條件差異性理解和相關參數選取方面，摻入了較多的主觀臆斷因素，基于安全考慮，該方法獲得的層間參數往往偏于保守。筆者認為，在深入分析工程地質條件的基礎上，代表性選擇典型工點開展原位剪切試驗，并與相近或相似工程類比，通過綜合分析獲取順層層面力學參數，并在施工過程中，據邊坡開挖所揭示的層面地質環境和邊坡的穩定性，驗證并修正各工點層間參數。據現場典型試驗，結合工程實踐為優化工程設計提供更合理層面參數，該方法在一定程度降低了工程類比經驗法中的隨意性，彌補區域差異性認知不足，一定程度避免了參數過于保守而引起的工程投資浪費。

1 工程地質及結構面分類分析

某高速鐵路正線長度約47.582 km，路基長約15.031 km，順層路塹長約7.2 km，共18段，順層段占路基總長48%。順層邊坡工程處理投資較大。線路走向為NEE-SWW向，測區處于加里東-印支期小董—防城褶斷帶構造區，線路近平行于巖層走向，由此造成路線右側挖方邊坡基本為順層邊坡。順層段主要位于侏羅系上中統（J3+2）地層中，為泥巖、砂巖不等厚互層，軟硬相間，邊坡開挖坡腳后極易發生順層失穩破壞，造成工程病害，甚至影響工程后期正常運行，順層路塹段支擋設計為該線路基設計的重點和難點，合理選取最優順層層面力學參數對安全、經濟開展路基設計至關重要。

由于邊坡失穩破壞多沿軟弱層面，軟弱夾層的性質對整個巖體的性質尤為重要［13］，特別是含有泥化夾層的軟弱層面［12］，因此在現場調查時首先關注是否存在泥化夾層。統計分析各工點鉆探、調繪資料，根據層面巖性組合關系和軟弱夾層特點，將邊坡巖體層面分為下述幾種（圖1）。

1.1 砂巖與泥巖組合（上砂下泥）

此類結構面呈紫紅色，上層覆蓋厚層砂巖，下層泥巖，組成結構面的2組巖性不一致，泥巖質軟，層間強風化帶厚度大，結構面的粗糙起伏度不同，以夾薄層狀結構或泥質結構膠結形式存在于結構面中，使其成為閉合狀，層間結合一般。因2套巖層硬度差異大，構造運動時，相對軟弱的泥巖易發生結構破壞；又砂巖比泥巖透水性好很多，基巖裂隙水滲透到界面處，受到相對不透水泥巖的阻隔作用，這類結構面往往風化、軟化較嚴重，常形成透鏡狀和層狀軟弱夾層甚至泥化夾層。

1.2 泥巖與泥巖組合

此類結構面由于受構造影響，巖體破碎，泥巖質軟，強度較低，結構面呈微閉合，結構面形態不平直，結合一般。泥巖透水性差，在近地表風化較強，5 m以下風化較弱，基本上保持原巖層面強度。但因泥巖質軟，結構面強度較低。

1.3 泥巖與砂巖組合（上泥下砂）

此類結構面呈紫紅色、灰白色，主要存在于泥巖夾砂巖的界面處，砂巖層之上有厚層泥巖，組成結構面的2組巖性不一致，泥巖質軟，強風化帶厚度大，結構面的粗糙起伏度不同，以夾薄層狀結構或泥質結構膠結形式存在于結構面中，使其成為閉合狀，層間結合一般。因2套巖層硬度差異大，構造運動時，相對軟弱的泥巖易發生結構破壞；但上部泥巖風化裂隙，構造裂隙一般被填充，地下水很難滲透到層面處，結構面基本能保持原狀。

1.4 砂巖與砂巖組合

此邊坡以砂巖-砂巖結構面接觸為主，是分離結構面，該類型的結構面粗糙，張開度不大于2 mm，結構面之間無填充或少填充，砂巖與砂巖結構面透水性較好，砂巖抗風化能力強，不易軟化，雖有部分結構面發生一定風化，但風化程度不高。

2 現場大型剪切試驗

據不同結構面類型并結合路塹工程邊坡特點選擇工點，針對性開展現場剪切試驗。試體制備過程中定出沿層面的剪切面，頂面宜平行于預定剪切面，剪切面積不應小于2 500 cm2，試體頂面最小邊長不小于50 cm，高度不小于最小邊長的2/3，試體之間的距離大于最小邊長的1.5倍。每種層面組合按天然和飽和2種狀態實施，合計共16組試驗，每組試驗制作6個試件，共96個試件（圖2）。根據巖體飽和單軸抗壓強度選取法向荷載最大值，泥巖、砂巖的單軸抗壓強度見表1。

砂巖飽和單軸抗壓強度小于15 MPa，屬于軟巖，泥巖飽和單軸抗壓強度小于5 MPa屬極軟巖。由于試驗層面距坡頂約10～20 m，地層與邊坡同傾向，根據地層隨坡形變化情況，層面所受最大垂直壓力約為200～400 kPa，因此施加方向應力時最大應力不能超過400 kPa，以免破壞結構面的原生狀態（圖3）。

飽和狀態試件飽水不少于48 h，試驗準備就緒后，先后安裝法向荷載系統、剪切荷載系統和測量系統。一組試驗在每個試體上分別施加不同的法向荷載，其值為最大法向荷載的等分值，其最大法向荷載不宜小于預定法向應力最大荷載；每個試體的法向荷載宜分4～5級施加。剪切完成后繪制各法向應力下的剪應力與剪位移關系曲線（圖4、圖6、圖8）。根據關系曲線，確定各法向應力下的抗剪峰值強度（圖5、圖7、圖9）。再根據法向應力與其對應的抗剪峰值關系曲線，按庫倫-奈維表達式確定相應的抗剪強度參數C、φ值。試驗結果見表2。

3 層面參數確定

（1）施工圖階段經驗取值，據現場順層滑坡案例調查分析結合當地工程經驗選取層面的綜合內摩擦角，泥巖與泥巖層間φ=16°，砂巖與（Rc＞5 MPa）砂巖φ=20°；砂巖（Rc＞5 MPa）與泥巖層φ=14°。因類比工程存在區域差異，不同區域軟巖結構特征和工程特性不同，同時所處的地質構造環境也存在差異，測區不同于西部地區，西南地區砂泥巖層面普片存在泥化夾層問題。

（2）基于現場大剪試驗的經驗取值，對于上層為砂巖下層為泥巖，邊坡穩定性以該層結構面控制時，層間參數應同泥巖與泥巖層面參數保持一致，當該組層面中夾層狀、透鏡狀軟弱夾層時以相應的軟弱夾層進行參數取值。

考慮全線順層段落均為薄—中厚層巖體，應對峰值抗剪試驗值進行折減。GB 50487-2008《水利水電工程地質勘查規范》明確軟弱結構面抗剪強度參數采用峰值強度，是建立在安全系數3.0～3.5基礎之上的，鐵路、公路安全系數在1.02～1.3之間的順層層面抗剪強度參數若采用峰值強度，就太冒險［11］。根據各組剪切試驗數據，取峰值強度，此方法不考慮結構面的長期蠕變，也不考慮折減，為保證工程安全，結合類似工程經驗取各組試驗參數中較小值，參數建議值見表3。紅層軟巖在剪切荷載作用下蠕變特性明顯［13］，對于工程設計應取長期強度作為設計參數，程強等［13］建議紅層軟弱夾層長期強度取為短期強度的75%左右。上述方法取值偏于冒險。類比工程經驗，結合現場實際情況，對各組大剪試驗峰值強度中的小值按80%～95%進行折減，參數建議值見表4。

（3）施工開挖驗證細化參數。由于工程巖（土）體的不連續性、各向異性及非均質性等屬性以及工程巖體結構的復雜性、不確定性，如：微構造、差異風化等都會導致同一基底存在不同的地層結構。受勘察手段的限制，勘察階段又只能在工程基面范圍內開展工作，難以完全查明邊坡巖體微構造、差異風化、透鏡狀軟弱夾層等。因此所取參數應通過施工開挖進一步驗證與優化。

施工開挖揭示，全線18段順層路塹邊坡，其中16段地層結構與原設計基本一致，其中2段（圖10、圖11）邊坡存在透鏡狀泥化夾層、層狀軟弱夾層，軟弱夾層為軟塑—可塑狀粉質黏土。

根據軟弱夾層性質，結合邊坡穩定性反演分析、工程經驗將兩段順層參數進行優化，具體見表5。

采用現場試驗優化后的層面參數進行設計，順層支擋工程投資大大降低，且已施工順層邊坡經歷2個雨季后穩定性良好。在充分分析地質條件的前提下，輔以現場試驗可以最大限度的排除地域差異和經驗干擾，可以為順層邊坡設計提供更合理層面參數。該方法確定的參數即保證了工程投資的經濟性也滿足了鐵路工程的極高安全性。該研究成果可用于鐵路路基順層邊坡勘察設計。

4 結論

（1）全面分析地質結構，精細化分類結構面組合，是保證現場大型剪切試驗點選擇合理的關鍵。

（2）泥質巖順層邊坡，考慮長期蠕變效應，對各組大剪試驗峰值強度中的小值按80%～95%進行折減，結合地區工程經驗，對層間參數進行綜合取值。

（3）加強順層邊坡驗槽工作，根據現場開挖情況，結合邊坡穩定性反演分析，進一步驗證和優化層間參數。

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