沈文鉆

摘要：文章結(jié)合某高速公路邊坡工程實(shí)例，通過大型剪切試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)面參數(shù)，分析了公路邊坡支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)結(jié)果可知，飽和條件下各試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)均有所下降，相同試驗(yàn)條件下試樣的殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)均低于峰值抗剪強(qiáng)度參數(shù)，針對已經(jīng)產(chǎn)生滑動破壞的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)宜采用殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)。使用現(xiàn)場實(shí)測參數(shù)優(yōu)化后，可節(jié)約邊坡支護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：剪切試驗(yàn);抗剪強(qiáng)度;邊坡支護(hù);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：U416.1⁺4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.014

文章編號：1673-4874（2021）01-0051-03

0引言

邊坡穩(wěn)定性問題是影響工程建設(shè)的一個(gè)重要內(nèi)容。隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，山區(qū)高速公路建設(shè)工程數(shù)量也在逐漸增多，高速公路開挖邊坡的穩(wěn)定性問題也越來越受到重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，順層邊坡開挖后更易出現(xiàn)破壞，該類型邊坡的支護(hù)工程設(shè)計(jì)更需要引起重視。目前，已有較多的專家、學(xué)者對順層邊坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析，采取的主要手段包括物理模擬、數(shù)值模擬、公式計(jì)算等[1-4]，影響順層邊坡穩(wěn)定性的主要因素包括巖體結(jié)構(gòu)特征、地下水影響等[6-7]。結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度是控制巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)面參數(shù)，對邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要影響[8-10]。本文結(jié)合某高速公路工程，通過現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)面參數(shù)，從而優(yōu)化公路邊坡支護(hù)工程，節(jié)省工程投資。

1工程概況

根據(jù)調(diào)查，某高速公路沿線出露的地層巖性主要包括長石砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂礫巖等。該高速公路沿線巖層傾角較緩，一般在15°～25°之間，局部傾角>30°。該高速公路開挖后，形成順層邊坡，如何合理選取邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，在保證邊坡安全的同時(shí)降低支護(hù)措施的造價(jià)是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。一般情況下，邊坡支護(hù)主要根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)參數(shù)取值，但經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值往往較小，不利于節(jié)省工程投資，因此獲取結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)作為邊坡支護(hù)參數(shù)是十分重要的。由于現(xiàn)場取樣原因，室內(nèi)試驗(yàn)的巖樣體積小，且在取樣過程中強(qiáng)度較低的結(jié)構(gòu)面會受到影響，造成試驗(yàn)結(jié)果偏小。為了參數(shù)準(zhǔn)確，采用現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度。

2結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)

2.1試點(diǎn)選取

現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)選取需要具有足夠的代表性，同時(shí)，也需要具備試驗(yàn)的可行性。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該高速公路開挖后臨空的巖性組合主要為砂巖、砂巖夾泥巖以及泥巖地層。因此，選取3個(gè)典型的試驗(yàn)點(diǎn)，對砂巖、砂巖夾泥巖、泥巖3種地層進(jìn)行天然、飽和狀態(tài)下的剪切試驗(yàn)。

2.2應(yīng)力確定

試驗(yàn)加載的最大應(yīng)力為順層邊坡受剪區(qū)域上部所受的巖體自重應(yīng)力的1.2倍，同時(shí)需要綜合考慮巖體強(qiáng)度、應(yīng)力和設(shè)備的測量精度，需要保證設(shè)計(jì)最大荷載和試樣不破壞。結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，預(yù)先估計(jì)巖體的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ值，初步估計(jì)試驗(yàn)巖體的抗剪強(qiáng)度，從而合理制定剪切荷載加載方案。

2.3試驗(yàn)方法

現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)主要分為以下5步：

（1）首先需要在現(xiàn)場制備原位試樣，根據(jù)相關(guān)規(guī)范安裝試驗(yàn)儀器，包括加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等。法向、剪切荷載合力作用點(diǎn)需通過剪切面中心（剪切縫或結(jié)構(gòu)面厚度1/2處）。

（2）試樣法向荷載需要分級施加，4～5級最佳。根據(jù)正應(yīng)力和巖體強(qiáng)度確定，當(dāng)法向位移趨于穩(wěn)定后方可加載剪切荷載。施加剪切荷載的過程中，正應(yīng)力應(yīng)為常數(shù)。

（3）根據(jù)初步預(yù)估的剪切荷載，分8～10級施加。若剪切位移增量大于前一級位移增量的1.5倍時(shí)，應(yīng)降低剪切荷載級差。剪切荷載分級施加根據(jù)時(shí)間控制，當(dāng)不存在軟弱夾層時(shí)，一級剪切荷載加載5min 后，可加載下一級;當(dāng)存在軟弱夾層時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長時(shí)間，以10～15min為宜。加載前后均需要讀取位移值，臨近剪切破壞時(shí)，應(yīng)提高荷載、位移的讀取頻率，峰值讀數(shù)應(yīng)不少于10組。

（4）當(dāng)試樣剪切破壞后應(yīng)當(dāng)繼續(xù)施加剪切荷載至荷載穩(wěn)定，若剪切荷載無法趨于穩(wěn)定或者剪切位移突變時(shí)需要測量峰值剪切荷載。在逐漸減少剪切荷載至0的過程中，應(yīng)當(dāng)維持法向應(yīng)力保持穩(wěn)定，測量回彈位移。

（5）試驗(yàn)完成后，測量試驗(yàn)剪切破壞面面積，描述破壞面情況包括擦痕方向、長度和分布情況等。

2.4現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同巖層組合試樣殘余強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的25%～78%。其中天然條件下，砂巖夾泥巖巖性組合的強(qiáng)度變化幅度最大，約為峰值強(qiáng)度的25%;飽和條件下，泥巖巖性組合的強(qiáng)度變化幅度最小，約為峰值強(qiáng)度的78%?，F(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1中可知：

（1）不論是天然試樣還是飽和試樣，不同巖層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（包括峰值和殘余粘聚力、內(nèi)摩擦角、摩擦因素）滿足以下規(guī)律：砂巖>砂夾泥巖>泥巖。

（2）在相同的試驗(yàn)條件下，所有巖層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)均符合以下規(guī)律：殘余強(qiáng)度〈峰值強(qiáng)度。天然條件下，砂巖夾泥巖巖性組合的粘聚力c值變化幅度最大，殘余粘聚力約為峰值粘聚力的35%，由26.2kPa降為9.15kPa;飽和條件下，砂巖夾泥巖的粘聚力c值變化幅度最大，殘余粘聚力約為峰值粘聚力的36%，由21.2kPa降為5.45kPa。飽和條件下內(nèi)摩擦角φ值變化最大的是砂巖，殘余內(nèi)摩擦角約為峰值內(nèi)摩擦角的27%，由27.8°降為7.5°;天然狀態(tài)下內(nèi)摩擦角φ值變化最大的是砂巖夾泥巖，殘余內(nèi)摩擦角約為峰值內(nèi)摩擦角的44%，由27.6°降為12.3°。當(dāng)由天然條件變?yōu)轱柡蜅l件時(shí)，各類型巖層組合的抗剪強(qiáng)度參數(shù)均有所下降。

3邊坡支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)結(jié)果可知，在高速公路邊坡開挖支護(hù)的過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮參數(shù)取值。針對未發(fā)生滑動變形的邊坡支護(hù)時(shí)可選取飽和條件下的峰值強(qiáng)度;當(dāng)邊坡已經(jīng)產(chǎn)生滑動變形時(shí)，則采用飽和條件下的殘余強(qiáng)度參數(shù)。

從試驗(yàn)結(jié)果還得知，巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)綜合內(nèi)摩擦角大于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)取值，而該高速公路開挖后形成的順層邊坡具備優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件。根據(jù)對比，經(jīng)驗(yàn)取值約為實(shí)測參數(shù)的40%～82%。若采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值進(jìn)行放坡，會導(dǎo)致邊坡放坡坡度較小，從而導(dǎo)致工程開挖方量過大，進(jìn)而增加邊坡工程投資成本。因此，結(jié)合現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)，獲取結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)作為邊坡支護(hù)的參數(shù)，可在一定程度上增大放坡坡度，減少邊坡開挖量，從而降低工程投資。

3.1優(yōu)化前邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)前，順層邊坡的放坡坡率、坡面防護(hù)措施主要根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，高速公路邊坡總高為16.0m，按照當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)參數(shù)，主要采用兩級放坡，坡高為8.0m，中間預(yù)留寬為2.0m的平臺，放坡坡比為1：2.9，坡面采用土工網(wǎng)植生護(hù)坡。該方案土方開挖面較大，同時(shí)在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸巨大，工程投資大、占地面積大。結(jié)構(gòu)面的參數(shù)取值對邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)具有較大的影響（見圖1）。

3.2優(yōu)化后邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)結(jié)果可知，順層邊坡巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)大于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值，砂巖內(nèi)摩擦角為28.0°，粘聚力為35.1kPa;砂巖夾泥巖內(nèi)摩擦角為27.6°，粘聚力為26.2kPa;泥巖內(nèi)摩擦角為15.9°，粘聚力為22.4kPa。因此，結(jié)合現(xiàn)場情況，可在一定程度上增大邊坡的放坡坡度，將坡率由當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)參數(shù)值1：2.9優(yōu)化至1：1.5，同時(shí)配合錨桿措施。由于巖體結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在一定程度上有所增大，經(jīng)過計(jì)算，在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力也大幅降低。在公路沿線局部邊坡較高的區(qū)域設(shè)置擋土墻，減少開挖土方量，減少征地面積。經(jīng)初步計(jì)算，采取現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)獲取的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行邊坡優(yōu)化支護(hù)后，土石方挖方量減少約10萬m³，工程投資降低數(shù)百萬元（見圖2）。

4結(jié)語

本文為了優(yōu)化邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)場大型剪切試驗(yàn)獲取不同巖層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，在飽和狀態(tài)下各巖層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)均有所下降，但同當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)參數(shù)相比，巖層的實(shí)際抗剪強(qiáng)度參數(shù)較大，邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)具備優(yōu)化條件。通過對比優(yōu)化前后的支護(hù)措施，根據(jù)實(shí)際抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)可降低工程投資，也可為當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

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