劉 建，李建朋

（中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

鄂西北地處我國(guó)地勢(shì)第2 階梯向第3 階梯過(guò)渡帶，區(qū)內(nèi)廣泛分布有中元古界武當(dāng)山群片巖。目前在建或已建成的谷竹、十白、十房、十漫高速公路以及福銀高速公路十天聯(lián)絡(luò)線湖北段等工程均經(jīng)過(guò)該地區(qū)。因工程建設(shè)需要，高速公路沿線形成了為數(shù)眾多的片巖質(zhì)邊坡。片巖水敏性強(qiáng)，長(zhǎng)期浸水后強(qiáng)度顯著降低[1]。片巖這一特性給相關(guān)工程建設(shè)帶來(lái)了安全隱患，大大影響了其工程進(jìn)度[2－3]。因此，研究水對(duì)片巖的工程力學(xué)特性的影響十分必要。已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。于德海等[1]對(duì)綠泥石片巖開(kāi)展了干燥和飽水狀態(tài)下的三軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，綠泥石片巖屬于水敏型巖石，水對(duì)其強(qiáng)度和變形特征的影響是顯著的。伍法權(quán)[4]從理論上分析了地下水壓力在薄片狀云母石英片巖斜坡傾倒變形中的作用，并在理論公式中考慮了這一因素。洪勇等[5]基于對(duì)4 個(gè)典型結(jié)晶片巖滑坡活動(dòng)和降雨的長(zhǎng)期觀測(cè)以及對(duì)其相互關(guān)系的研究，揭示了集中降雨對(duì)結(jié)晶片巖滑坡活動(dòng)的影響，并確定了相應(yīng)的降雨特征和類(lèi)型。然而，目前對(duì)水敏性片巖在降雨與地下水作用下抗剪強(qiáng)度特性與變形破壞的研究較少。

本文通過(guò)對(duì)取自谷竹高速公路現(xiàn)場(chǎng)的原狀片巖試樣開(kāi)展沿其層理面的天然和飽水狀態(tài)室內(nèi)直剪試驗(yàn)，對(duì)比分析兩種狀態(tài)下片巖的抗剪強(qiáng)度和變形破壞特征?；谠囼?yàn)結(jié)果，探討水對(duì)片巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)的弱化機(jī)制，利用極限平衡方法計(jì)算谷竹高速公路沿線某邊坡的安全系數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)該邊坡在暴雨或連續(xù)降雨工況下的穩(wěn)定性。

2 水敏性片巖抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

2.1 武當(dāng)山片巖的地質(zhì)礦物特征及工程危害

鄂西北地區(qū)在氣候上屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多霧多雨，平均年降雨量在800 mm 以上，在地理上屬漢江流域，區(qū)內(nèi)孔隙潛水、基巖裂隙水較發(fā)育。該地區(qū)廣泛出露的中元古界武當(dāng)山群片巖具鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，主要礦物構(gòu)成為云母、石英、長(zhǎng)石，顏色隨風(fēng)化程度加深由青灰色變?yōu)榛液稚?。受兩鄖大斷裂控制，武當(dāng)山群片巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，使得雨水或地下水較易入滲、聚集和留存。在水的作用下，片巖的強(qiáng)度特別是抗剪強(qiáng)度顯著弱化，易引發(fā)邊坡崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。鄂西北地區(qū)因降雨引發(fā)的片巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)時(shí)有發(fā)生。2003 年6 月的一場(chǎng)降雨引發(fā)了鄂西北隕漫公路沿線多處邊坡失 穩(wěn)[2]。2007 年8 月下旬在十堰市大川鎮(zhèn)某變電站工程的三通一平過(guò)程中遭遇長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)降雨，引發(fā)山體開(kāi)裂，出現(xiàn)山體滑坡征兆，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度[3]。因此，本次試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注水作用下片巖沿其片理面的抗剪強(qiáng)度特征。

2.2 試件制備

首先把取自谷竹高速公路沿線的原狀片巖巖樣加工成100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，為使試件受力均勻并滿足RMT 試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件的尺寸要求，在立方體試件外部澆注了混凝土保護(hù)套，并在試樣中部預(yù)留了寬為5 mm 左右的縫隙。試樣制作過(guò)程和試驗(yàn)前部分試樣如圖1、2 所示。

圖1 混凝土保護(hù)套澆注 Fig.1 The pouring of concrete protecting cover

圖2 試驗(yàn)前的部分試樣 Fig.2 Some samples before the test

飽水直剪試驗(yàn)前，將立方體試件在大氣壓和室溫條件下浸泡30 d。通過(guò)稱(chēng)量吸水后試樣增加的質(zhì)量得知其浸水30 d 后含水率平均增加了0.62%。之后再澆注混凝土保護(hù)套。為保證飽水效果，混凝土外套澆注好后，浸入水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期（28 d），試驗(yàn)之前才將試樣從水中取出。

2.3 試驗(yàn)儀器與方法

試驗(yàn)在RMT-150C 巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，分天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)兩組完成。每組做5 個(gè)試樣，垂直荷載分別取為80、60、40、20、10 kN。安裝試件時(shí)，保證了法向荷載和剪切荷載通過(guò)預(yù)定剪切面的幾何中心。按規(guī)范[6]要求，試驗(yàn)采用力控制方式。法向荷載以1 kN/s 的速率一次性施加完畢，待軸向位移穩(wěn)定后施加剪切荷載。剪切荷載按照預(yù)估最大剪切荷載分8～12 級(jí)施加，每級(jí)加載后待剪切位移穩(wěn)定后再施加下一級(jí)，加載速率為0.1 kN/s。試樣破壞時(shí)，記下最大水平荷載，即可獲得試樣的抗剪強(qiáng)度。繼續(xù)施加水平荷載，并使之產(chǎn)生較大的水平位移，即可獲得殘余抗剪強(qiáng)度，又稱(chēng)抗摩擦強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗剪強(qiáng)度特征

將法向荷載和剪切荷載除以剪切面面積，得到法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。根據(jù)剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線確定各法向應(yīng)力下峰值剪應(yīng)力和殘余剪應(yīng)力數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪制了τ -σ 散點(diǎn)圖。對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行線性回歸得到圖3 中所示的直線。根據(jù)回歸直線即可獲得天然和飽水狀態(tài)片巖抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)如表1 所示。顯然，相對(duì)于天然狀態(tài)，片巖飽水后，黏聚力降低了36.7%，內(nèi)摩擦角降低了4.6%。飽水后，殘余黏聚力降低了66.7%，殘余內(nèi)摩擦角降低了11.3%。因此，水對(duì)片巖抗剪強(qiáng)度特別是殘余抗剪強(qiáng)度具顯著的弱化效應(yīng)。

圖3 特征剪應(yīng)力與法向應(yīng)力（τ -σ）關(guān)系 Fig.3 Relationships between shear stress and normal stress

表1 水敏性片巖抗剪強(qiáng)度參數(shù) Table 1 Shear strength parameters of water- sensitive schist

3.2 剪應(yīng)力-剪切位移曲線特征

剪切荷載逐級(jí)加載，在上一級(jí)荷載產(chǎn)生的剪切位移穩(wěn)定后才施加下一級(jí)荷載，因此，剪應(yīng)力-剪切位移曲線在剪應(yīng)力峰值前呈臺(tái)階狀上升。片巖飽水后與天然狀態(tài)相比，剪應(yīng)力-剪切位移曲線表現(xiàn)出了不同特征。由圖4 可以看出：飽水后的片巖峰值前剪應(yīng)力-剪切位移曲線的平均斜率變小，表明其剪切剛度變小；飽水后片巖試樣失去承載力時(shí)的剪切位移大于天然狀態(tài)，剪切應(yīng)力-剪切位移曲線由峰值向峰后的過(guò)渡與天然狀態(tài)相比也較為緩和；在同樣的正應(yīng)力作用下，飽水片巖試樣的抗剪切荷載能力降低；天然狀態(tài)下的片巖在應(yīng)力達(dá)到峰值后剪應(yīng)力-剪切位移曲線表現(xiàn)為突然跌落，具脆性破壞特征；飽水后片巖在剪應(yīng)力-剪切位移曲線達(dá)到峰值后，剪應(yīng)力并未馬上降低，而是維持峰值應(yīng)力不變，但剪切位移和速率不斷增長(zhǎng)直至試樣破壞，從而形成屈服平臺(tái)，故片巖試樣飽水后由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐摹?/p>

圖4 片巖試樣不同軸壓下剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線 Fig.4 Shear stress-shear displacement curves of schist samples under different normal stresses

3.3 水敏性片巖抗剪強(qiáng)度的水作用機(jī)制分析

飽水片巖在剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，沿片理面的塑性剪切變形量增加，破壞呈現(xiàn)延性特征（見(jiàn)圖4（b））。故相對(duì)于天然狀態(tài)，飽水后的片巖在較小的剪切荷載作用下，剪切變形即不斷增長(zhǎng)，微觀裂隙很快發(fā)展成宏觀裂縫導(dǎo)致試樣失去承載力，故而飽水試驗(yàn)后所得片巖內(nèi)摩擦角和凝聚力變小。微觀上，片巖飽水后，含水率增大，水分子沿顆粒間的接觸面侵入，減弱了片巖顆粒間的聯(lián)系，片巖的片理化效應(yīng)更加顯著，從而造成了飽水片巖力學(xué)性能的降低。

另外，含水率的提高，使得片巖顆粒間結(jié)合水膜效應(yīng)顯著，顆粒間由摩擦接觸變?yōu)樗そ佑|。圖5 給出了典型片巖試樣在天然和飽和狀態(tài)下直剪破壞后的對(duì)比圖。天然狀態(tài)的片巖破壞面可見(jiàn)白色摩擦擦痕，而飽水片巖試樣破壞面則無(wú)摩擦擦痕。這表明，水在片理面上產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，使片理面上的摩阻力減小和作用在片理面上的剪應(yīng)力效應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)而使得片巖沿片理面的剪切運(yùn)動(dòng)更易發(fā)生。水對(duì)巖體產(chǎn)生的潤(rùn)滑作用反映在力學(xué)上，就是使巖體的內(nèi)摩擦角減小[7]。因此，水的潤(rùn)滑作用也造成了片巖飽水后內(nèi)摩擦角的降低。

試驗(yàn)所用巖樣的礦物組成中未見(jiàn)強(qiáng)親水性礦物，因此，其飽水后抗剪強(qiáng)度的降低主要原因是水造成的延性破壞特征和水的潤(rùn)滑作用。

圖5 典型天然（左）與飽水（右）片巖試樣破壞面 Fig.5 Typical failure surface of natural (left) and saturated water (right) schist specimens

4 工程應(yīng)用

4.1 工程地質(zhì)概況

谷城至竹溪高速公路ZK39+290～ZK39+400邊坡段位于孔溪溝村附近，左側(cè)開(kāi)挖邊坡最高為35.9 m，該坡段典型斷面如圖6 所示。本路段在地貌上屬侵蝕剝蝕低山區(qū)，線路在斜坡地帶通過(guò)。路段巖石片理產(chǎn)狀為290°∠54°。該邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀為170°∠80°，節(jié)理面粗糙，延伸大于20 m，張開(kāi)5～10 cm，密度為1-2 條/m；淺表分布有殘坡積層，基巖出露為元古界武當(dāng)群片巖，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，淺部巖體破碎。

4.2 參數(shù)取值

由于巖體中結(jié)構(gòu)面的影響和巖體結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)的影響，巖塊室內(nèi)試驗(yàn)值一般不直接作為巖體設(shè)計(jì)采用值，大多需要對(duì)試驗(yàn)值進(jìn)行折減。本文采用Georgi 法計(jì)算該邊坡巖體的粘聚力值。

圖6 谷竹高速公路某邊坡典型斷面 Fig.6 Typical cross section of one slope along Guzhu expressway

Georgi 對(duì)片麻巖、大理巖、輝長(zhǎng)巖、角山巖、二長(zhǎng)班巖、安山巖、玄武巖、流紋巖等15 種堅(jiān)硬的火山巖和變質(zhì)巖的巖石強(qiáng)度和巖體強(qiáng)度進(jìn)行了研究后，得出下述經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：i 為巖體節(jié)理裂隙的密度(條/m)；kc 為巖石的凝聚力(MPa)，mc 為弱化后的巖體凝聚力(MPa)。

根據(jù)巖體節(jié)理密度統(tǒng)計(jì)值，Georgi 方法中i 可取為1～2，為安全起見(jiàn)，本次計(jì)算選用上限值，即取i =2。進(jìn)而可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）求得巖體的凝聚力。由于該坡段巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體內(nèi)摩擦角采用殘余摩擦角。表2 給出了片巖巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值。

4.3 計(jì)算方法與結(jié)果分析

暴雨對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響目前主要采用暴雨滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。本文通過(guò)考慮邊坡巖體抗剪強(qiáng)度的折減來(lái)反映降雨作用的影響程度，因此，分別將片巖巖體的天然和飽水抗剪強(qiáng)度作為天然工況和暴雨工況的強(qiáng)度參數(shù)代入極限平衡計(jì)算公式，求得了該邊坡在天然工況和暴雨工況下的安全系數(shù)，列于表2。

由計(jì)算結(jié)果可知，考慮水的影響后，邊坡的安全系數(shù)與天然工況相比降低了40.9%，但安全系數(shù)仍大于1，表明在暴雨或長(zhǎng)期降雨作用下該片巖質(zhì)邊坡是穩(wěn)定的。

表2 邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)與安全系數(shù) Table 2 Rock mass strength parameters and safty factors of the slope

5 結(jié) 論

（1）片巖試樣飽水后，其剪應(yīng)力-剪切位移曲線特征與天然狀態(tài)不同：飽水片巖剪切剛度變小，達(dá)到承載力極限時(shí)的剪切位移明顯大于天然狀態(tài)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線在剪應(yīng)力峰值處出現(xiàn)屈服平臺(tái)，破壞時(shí)與天然狀態(tài)下脆性破壞特征亦有不同，其破壞呈延性特征。

（2）水對(duì)片巖抗剪強(qiáng)度特別是殘余抗剪強(qiáng)度具顯著的弱化效應(yīng)。片巖飽水軟化后，凝聚力降低了36.7%，內(nèi)摩擦角降低了4.6%，殘余凝聚力降低了66.7%，殘余內(nèi)摩擦角降低了11.3%。

（3）水敏性片巖抗剪強(qiáng)度的水作用機(jī)制分析表明，破壞的延性特征和片理面上潤(rùn)滑作用是導(dǎo)致武當(dāng)山群片巖長(zhǎng)期浸水后抗剪強(qiáng)度弱化的主要原因。

（4）將試驗(yàn)成果應(yīng)用于谷竹高速公路某邊坡降雨工況下穩(wěn)定性計(jì)算分析，結(jié)果表明，考慮水的影響后，該邊坡的安全系數(shù)與天然工況相比，降低了40.9%，但安全系數(shù)仍大于1，表明在暴雨或長(zhǎng)期降雨作用下該邊坡是穩(wěn)定的。

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