公路路堑边坡残坡积土物理力学特性试验研究

张玉标，卢军源，李杭哲

(1.广西桂鹿高速公路有限公司，广西 南宁 530029；2.广西交投科技有限公司，广西 南宁 530009；3.广西高速公路养护工程技术研究中心，广西 南宁 530009)

0 引言

当既有高速公路路堑边坡的基岩上覆残坡积土土石混合体在降雨、河流侵蚀及地表排水等作用下，水沿着裂隙顺利地渗入残坡积层与土层交界面处，在砂岩的基岩顶面积聚后形成泥化夹层，使得界面抗剪强度急剧降低，容易造成边坡垮塌、滑塌。目前在国内对公路路堑边坡残坡积土土石混合体的物理力学特性的系统研究较少，因此，本文依托广西乐业至百色高速公路边坡工程，对残坡积土土石混合体的物理力学特性进行了试验研究。

在开展本文研究前，首先需要认清土石混合体的基本概念，对该界限，即土/石阈值加以明确。“土”，有别于传统概念中的“黏土”“粉土”等概念，尚未形成一个绝对的概念。作为介质中的充填成分，其粒度范围也是相对的[1]。“土”与“石”的粒径界限，受研究尺度、研究条件、分围曲度等多种条件影响。目前，常用的确定方法基于Medley等提出的比例无关性(Scale-Independence)[2]，根据其研究将土/石阈值定义为：

dS/RT=0.05LC

(1)

(2)

式中：dS/RT——土/石阈值；

LC——土石混合体的工程特征尺度。

LC针对不同的研究对象有不同的定义，对于平面研究领域，LC取研究平面的平方根；对于边坡工程，LC取边坡坡高；对于直剪试验试样，LC取试样单个剪切盒高度；对于三轴试验试样，LC取试样直径。

本文研究主要参考以上的“土/石阈值定义”方法对土石进行界定，依据现行《公路土工试验规程》[3]，对依托工程沿线边坡残坡积土样本进行相关物理力学特性试验，研究土石混合体物理力学特性，为后续残坡积土边坡灾变机理研究与表征特征提供参考依据[4]。

1 土石混合体的基本物理特征

根据地质勘察报告和现场调研结果，依托工程沿线滑坡地区在强烈的风化作用下产生大量的块石、碎石等松散堆积物堆积于斜坡上，同时岩石风化产物就地或就近残留堆积，形成一定厚度的主要由砂土、黏土、碎石以及块石构成的土石混合体。为掌握该土石混合体的基本物理力学性能，本文研究选取依托工程沿线具有代表性的6处边坡(见表1)，对取土点的土石混合体开展颗粒级配、界限含水率、天然堆积密度等土工试验。

表1 依托工程取样地点地质情况一览表

1.1 土石混合体的颗粒特征

由表2和图1可知，通过筛分试验结果，统计不同粒径组颗粒含量的范围及平均值，除D组试样外，所取土石混合体颗粒级配较为接近。土石混合体的颗粒粒径涵盖跨度较广，极少数巨粒组颗粒已在取样时剔除，所包含细粒组颗粒占比较小，仅为3.02%～9.45%，所包含的粗粒组(砂和砾)颗粒为土石混合体的主要构成成分，占比为90.55%～96.98%。6处样本均符合粗粒土定义，进一步细分，主要归类于含细粒土砾和级配良好砾。对比常见土石混合体材料颗粒特征，所依托地区的土石混合体级配较好，且细粒土含量略高。

表2 土石混合体颗粒级配表

图1 土石混合体的级配曲线图

依据式(1)和式(2)，假设边坡坡高为20 m，dS/RT为1 m，依据现场所取试样的筛分试验结果，实际土石混合体最大粒径远小于这一尺寸，现场也未见达到或接近该尺寸的孤石，且常规的试验设备难以对该尺寸试件进行试验，显然这一阈值并不妥当。从研究条件的角度出发，对于直剪试验试样，LC取试样单个剪切盒高度，后续研究所选用大型剪切试验试件标准尺寸为直径φ=200 mm，高度h=150 mm，单个剪切盒的高度为75 mm，则dS/RT为3.75 mm，该尺寸较为合理，且基本符合其他试验要求。结合本文研究的6处试样的粒径级配曲线和我国现行粒径范围划分标准，本文研究将土/石阈值定为5 mm，粒径上限为20 mm。在以上试验筛分试验结果中，试样含石量为30%～40%，考虑到取样点多为坡脚和坡表，现场实际的含石量应略高于该范围，且取样点边坡多为中-强风化程度，因此，确定试验室制备土石混合体试样含石量分别为30%、40%、50%、60%，对应不同的风化程度，含石量越低，表明风化程度越高。级配曲线如图2所示。

图2 不同含石量试样的级配曲线图

1.2 土石混合体的湿度特征

本研究对6处取样点制作共18组试样，通过烘干法测定所取回土石混合体的天然含水率。如图3所示，不同取样地点天然含水率波动较大，分布在11%～18%，平均质量含水率为14.4%，不同取样地点所对应的含石量与天然含水率没有显著的关系。考虑到取样时间为冬季，综合评估认为土石混合体的天然含水率较高。

图3 取样点的天然含水率散点图

1.3 土石混合体的密度特征

不同含石量土石混合体经8 h烘干后，置入自制模具，整平后，测量其自然堆积干密度。试样放入真空饱和容器，经24 h真空饱和后，再测量其饱和密度。试验结果如表3所示。不同含石量的土石混合体试样的自然堆积干密度为1.55～1.67 g·cm-3，随含石量的增加而提高，但这一趋势并不显著。分析认为，干密度的增加应当是由“石”(密度较大且未完全风化的砂岩颗粒)含量的增加而导致的，但含石量的提升也导致了材料内部孔隙的增加，因此，并不能简单地将材料密度与含石量归纳为正相关的线性关系。不同含石量的土石混合体试样的饱和密度为1.92～2.14 g·cm-3，随含石量的增加而提高，这一增长趋势较干密度的变化趋势更为明显，从侧面说明高含石量试样的孔隙占比更高。计算饱和含水率可以看出，30%～50%含石量的试样饱和含水率较为接近，范围在23%～25%，而60%含石量的试样饱和含水率略高，为28%。

表3 不同含石量试样的密度计算结果表

2 土石混合体的土水特性分析

土水特性是非饱和土力学的基础，可通过土水特征曲线表达。本文研究考虑到土石混合体结构较为松散，土水特征曲线的变化集中在低吸力范围，主要选用压力板法进行试验，个别测点选用滤纸法进行补充，获得土石混合体全吸力范围的土水特征曲线，并结合土体孔隙结构特征，构建土石混合体土水特征曲线预估模型。

将配制成型试件土样4种含石量对应干密度(见表3)。每种干密度试件的试验过程中气压设置9级，依次是5 kPa、10 kPa、20 kPa、30 kPa、50 kPa、100 kPa、300 kPa、500 kPa、1 000 kPa，具体视实际试验过程有所调整。

将不同含石量情况下的试验测试结果绘制成土水特征曲线，如图4所示。从图4可知，不同含石量条件下，土石混合体的进气值相差不大，这是因为当含石量为30%时，土石混合体中已经存在明显的排水通道，所以不同含石量下土石混合体的进气值相差不大，残余吸力值随含石量的增大而增大。同时，含石量越大，土石混合体孔隙更大，排水能力更强，导致土石混合体的土水特征曲线过渡段越短。

图4 土石混合体土水特征曲线图

理论上，直接建立土体基质吸力与含水率的关系非常困难。目前，国内外学者通过试验结果并结合相应的数学模型来获得土-水特征曲线，较经典的数学模型有Mualem模型、Fredlund和Xing模型、VanGenuchten模型、Gardner模型和Brooks-corey模型等，其中最常用的VanGenuchten模型公式如式(3)所示。

(3)

式中，Sr——有效饱和度；

Ψ——基质吸力(kPa)；

a、m、n——拟合参数。

利用VG模型对本文试验测试的土水特征进行拟合，得到参数a、m、n的拟合结果如表4所示。

表4 土水特征曲线拟合参数表

3 土石混合体的非饱和渗透特性分析

土石混合体的渗透特性一般通过饱和渗透系数表征，但仅有饱和渗透系数无法表征其在饱和-非饱和全过程的渗透特性。本文基于常水头渗透试验，结合土水特征曲线间接计算不同含石量试件的渗透系数函数，研究土体含石量对土石混合体非饱和渗透特性的影响，计算得到4种含石量下土石混合体的饱和渗透系数见表5和图5。结果表明，随着边坡岩土风化程度的加深，含石量不断降低，土石混合体中大孔隙减少，排水通道通畅性降低，渗透系数减小。

表5 土石混合体渗透系数计算结果表

图5 土石混合体饱和渗透系数随含石量变化柱状图

4 土石混合体非饱和抗剪强度变化规律

抗剪强度是边坡稳定性分析的关键[5]。本文使用剪切-渗流耦合试验机进行试验，分析含石量、含水率对土石混合体非饱和抗剪强度的影响。

4.1 含石量对抗剪强度的影响分析

从图6不同含水率条件下抗剪强度随含石量的变化曲线图可以看出，当土石混合体含水率在6%、18%以及饱和含水率时，抗剪强度随含石量增加而增大。当垂直压力较小时，抗剪强度随含石量的增加增长趋于平缓；而当垂直压力较大时，抗剪强度的增长速率则越大。当土石混合体试件含水率为12%时，抗剪强度随含石量增加先增大后减小，抗剪强度峰值对应的含石量为50%。

(a)含水率为6%

4.2 含水率对抗剪强度的影响分析

从图7不同含石量土石混合体试件抗剪强度随含水率变化曲线可以看出，随着含水率的增加，抗剪强度先增大后减小。当含石量为30%、40%、50%时，峰值出现在含水率为12%的试件中；而当含石量增大到60%，峰值对应的含水率为18%。这说明含石量的增大，使得抗剪强度峰值对应的含水率增大。

(a)含石量30%

4.3 垂直压力对抗剪强度的影响

通过施加不同的垂直压力获得对应的抗剪强度，线性拟合破坏包络线，可以得到不同土石混合体试样的粘聚力c曲线和内摩擦角φ曲线(见图8～9)。从图8～9可以看出，粘聚力随含石量增加先增大后减小，含石量为50%时粘聚力最大；在同一含石量下，粘聚力随含水率增加先增大后减小，峰值对应的含水率为12%～18%。内摩擦角随含石量的增大总体呈现增大趋势，在同一含石量下，内摩擦角随含水率增加先增大后减小，峰值对应的含水率在12%左右。含石量为50%、含水率为12%的土石混合体试件具有最大的粘聚力(34.8 kPa)和第二大的内摩擦角(26.3°)。

图8 不同含石量下粘聚力随含水率变化曲线图

5 结语

本文通过实地调研和现场取样，研究了依托工程边坡的土质情况，在此基础上配制了不同含石量的土石混合体，并通过室内土工试验获得了土石混合体的粒度特征、湿度特征、密度特征、土水特性与渗透特性以及抗剪强度特性。主要结论如下：

(1)依托工程沿线边坡土岩风化程度不一，不同风化程度的边坡含石量存在差异。现场取样的残坡积土工程分类为含细粒土砾和级配良好砾，细粒土含量略高且天然含水率较高。试验室配制的不同含石量的土石混合体的饱和密度随含石量的增大而增大，而自然堆积体密度增大不明显。

(2)不同风化程度下土石混合体的进气值相差不大，而残余吸力值随风化程度的加深而减小。同时，风化程度越低，土石混合体孔隙更大，排水能力更强，土石混合体的土水特征曲线过渡段越短，利用VG模型拟合土水特征曲线的相关性较高。

图9 不同含石量下内摩擦角随含水率变化曲线图

(3)随着边坡岩土风化程度的加深，含石量不断降低，土石混合体中大孔隙减少，排水通道通畅性降低，渗透系数减小。对此，可结合土水特征曲线间接计算不同风化程度土石混合体的非饱和渗透系数函数。

(4)土石混合体抗剪强度随风化程度增大而减小，随含水率增加先增大后减小，出现抗剪强度的峰值；土石混合体的粘聚力随风化程度增加先增大后减小，而内摩擦角随风化程度的增大而减小。这说明边坡岩体的轻微风化会增大土石混合体的粘聚力，但随着风化程度的进一步加深，粘聚力下降。而边坡岩体一旦开始风化，岩体完整性下降，内摩擦角减小。