不同风化条件下高速公路边坡凤化岩土体力学性质研究

摘要：文章通过室内对不同风化程度下的风化岩体开展三轴压缩力学试验，研究风化条件对高速公路边坡风化岩体的力学性质的影响。研究发现：（1）红壤中不仅存在细小土粒，还存在粒径较大颗粒物；而砂层和碎屑层的极大点对应粒径则分别为30 μm和60 μm处；（2）围压不仅能够有效提升风化红土的承载能力，也能够增强其变形能力，围压每增大50kPa，抗压强度平均增大67.91kPa，轴向应变增加1.73%；（3）不同风化程度土的三轴抗压强度分别为168.32kPa、198.33kPa和278.09kPa，峰值点轴向应变分别为3.15%、2.72%和2.46%；（4）岩体的风化程度越高，横向鼓胀变形越明显，岩体表现出的延性变形特征越明显。

关键词：高速公路；边坡风化岩体；风化程度；三轴压缩试验；围压

中图分类号：U416.1+4A090293

0引言

风化岩体力学性质差，而我国南方夏季炎热多雨，且地势复杂、山区边坡分布广泛，高速公路边坡风化岩体存在很大的失稳破坏风险［1-5］。因此，研究不同风化条件下边坡土体的力学性质对于边坡风化土的加固设计及长期安全保证具有重要意义。

目前，我国学者已经大范围开展了针对风化岩土体力学性质的学术研究。王鹏翱等［6］指出可以利用微生物诱导矿化技术对风化程度较大的红砂土进行力学性质改良工作，并取得了良好的加固效果。李龙起等［7］设计使用黏土对红砂岩风化土进行改良并开展了三轴试验，指出风化土的红砂岩风化土粘聚力随黏土含量增大而增大，但是内摩擦角下降；李孟晖等［8］指出可以利用水泥搅拌桩技术对风化软土的力学性质进行改良。

综上所述，现有研究多是从风化土力学性质改良角度展开，而缺乏对风化土本身物理性质和力学性质开展的基础研究［9-10］。本文基于室内颗粒特征分析试验和三轴压缩力学试验，对不同风化程度的土展开了综合性试验。研究成果可为高速公路边坡支护设计提供借鉴。

1工程背景

本文依托我国南方某省东南部某县城的高速公路边坡支护项目，该项目对于保证地区交通安全具有重要意义。该高速公路位于两省交界处，工程标段总长度＞18.34 km，沿线海拔高度约186 m，处于该省的山区位置内，公路两侧边坡的高度较高。根据现场调查和资料查阅显示，该地区边坡以花岗岩风化发育的红壤为主，土壤性质较差。此外，该地区夏季降雨较多、且强降雨情况时有发生，水土流失问题明显，对边坡安全性的威胁也很大。综上所述，开展该地区高速公路边坡的支护工作十分重要，而研究风化岩体的力学性质是支护设计的重要基础。

2试验设计

2.1试样制备

为研究风化程度对风化岩土体力学性质的影响，本次研究从试验场地研究区域内选取了一个风化结构比较完整的花岗岩风化剖面，从不同深度处取样，取样深度分别为1.20 m、3.50 m以及5.50 m，对应土层分别为红土层（强风化）、砂土层（中风化）以及碎屑层（弱风化）。三种土之间的表观状态存在较大差异：红土层呈红褐色，砂土层呈黄褐色，碎屑层整体呈灰黄色。红土层多为黏性稍高的土壤，质地较软，具有良好的团聚结构；砂土层结构松散，与红土层有明显的颜色区别，没有母岩残余的痕迹；碎屑层以砂粒为主，且能够观察到残存的母质结构。基于现场所取试样，对不同土体进行分组，分别划分为FH-1组、FH-2组以及FH-3组，并对三组试样开展试验研究。

2.2试验方案

室内对不同风化程度的岩土体进行了重塑，重塑得到的圆柱体试样高度为200 mm、直径为100 mm。为研究不同风化程度对岩体力学性质的影响，室内对不同埋深的风化岩土体进行了粒径分析试验和三轴压缩试验，深入开展了风化岩土体的颗粒特征分析、围压-强度特征分析、风化程度-强度特征分析以及风化程度-破坏形态分析。其中，风化岩土体的颗粒组成采用超声波分散吸管法进行分析，研究设备为Longbench Mastersizer 3000型激光粒度仪；三轴压缩试验采用MTS-150型三轴岩石力学试验设备，可实现最大轴压为4 000 kN、最大围压为100MPa，能够满足本次试验的相关要求。本次研究的力学试验部分设计了两种方案，具体如表1所示。

3试验结果分析

3.1风化岩土体的颗粒特征分析

基于室内颗粒组成分析试验，发现不同风化程度的土体，其颗粒组成具有非常明显的差异。红土颗粒组成曲线表现出了明显的双峰特征，其在颗粒直径为10 μm和1 000 μm处表现出了两个极大值，这表明红土中不仅存在细小土粒，还存在粒径较大颗粒物，而砂层和碎屑层的极大点对应粒径则分别为30 μm和60 μm处。试验结果表明，风化程度对土的颗粒组成影响非常明显，随着土体埋深程度的增大，其风化程度逐渐变弱，土壤颗粒的粒径则逐渐增大，土壤颗粒则逐渐呈粗化。

3.2圍压-强度特征分析

基于室内三轴压缩试验得到不同围压下红土的三轴压缩试验结果如图1所示。由图1可知，不同围压下土的力学性质存在一定的差异。随着三轴围压的增大，风化红土的三轴抗压强度逐渐增大，同时其峰值点应变也逐渐增大。当围压为50kPa时，土体的抗压强度为168.32kPa，峰值点轴向应变为3.15%；此后，随着围压的增大，其抗压强度分别达到236.26kPa、306.32kPa以及372.05kPa，峰值点轴向应变则分别为5.22%、7.06%以及8.33%，围压每增大50kPa，抗压强度平均增大67.91%，轴向应变增加1.73%。上述试验结果表明，围压不仅能够有限提升风化红土的承载能力，也能够增强其变形能力。分析认为，在三维应力作用下，土体的横向变形得到了有效束缚，同时根据土体的摩尔-库仑强度准则，土的强度会随着围压的增大而逐渐增大，因此，围压增强了土的承载能力和变形能力。

3.3风化程度-强度特征分析

表2展示了相同围压下不同风化程度的土的三轴压缩力学试验结果。由表2可知，在相同围压下，不同风化程度的土的力学性质存在很明显的差异。三种土的埋深分别为1.20 m、3.50 m和5.50 m，土壤的类型也不同，分别为红土、砂土以及碎屑土。对三种不同类型的土展开三轴压缩试验，围压均为50kPa，最终得到土的三轴抗压强度分别为168.32kPa、198.33kPa和278.09kPa，峰值点轴向应变分别为3.15%、2.72%和2.46%。由表2试验结果还可知，岩土体的埋深越浅，则其受风力、物理因素等条件的影响越大，则岩土的风化程度也就越高。同时，风化程度越大的土体，其抗压强度也就越差，但变形能力则相对较强。分析认为，由于风化作用导致岩土体内部破坏，岩体整体的破碎程度更高、颗粒间粘聚力更差，因此土的强度变低而变形能力增强。

3.4风化程度-破坏形态分析

三轴压缩试验条件下，三种风化土均表现出了非常明显的横向鼓胀变形现象，这表明，三种风化土均出现了延性变形现象。岩体的风化程度越高，横向鼓胀变形越明显，岩体表现出的延性变形特征越明显。

4结语

本文基于室内颗粒特征分析试验和三轴压缩力学试验，深入分析了围压和风化程度对高速公路边坡风化土体物理性质和力学性质的影响，主要结论如下：

（1）颗粒组成分析试验结果表明，风化程度对土的颗粒组成影响非常明显。风化程度最高的红土中不仅存在细小土粒，还存在粒径较大颗粒物，而砂层和碎屑层的极大点对应粒径则分别为30 μm和60 μm处。

（2）围压不仅能够有效提升风化红土的承载能力，也能够增强其变形能力。当围压为50kPa时，土体的抗压强度为168.32kPa，峰值点轴向应变为3.15%；此后其抗压强度分别达到236.26kPa、306.32kPa以及372.05kPa，峰值点轴向应变则分别为5.22%、7.06%以及8.33%。

（3）在相同围压下，风化程度高的土体承载能力弱，但变形能力更强。不同风化程度土的三轴抗压强度分别为168.32kPa、198.33kPa和278.09kPa，峰值点轴向应变分别为3.15%、2.72%和2.46%。三轴压缩试验条件下，三种风化土均表现出了非常明显的横向鼓胀变形现象，整体呈明显的延性变形特征。

参考文献

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作者简介：熊亮（1987—），工程师，研究方向：高速公路土建。