【摘要】在高速鐵路路塹勘察設(shè)計(jì)過程中，順層層面力學(xué)參數(shù)取值，是勘察設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，參數(shù)是否合理直接決定工程是否安全、經(jīng)濟(jì)。為了獲取最優(yōu)順層層面力學(xué)參數(shù)，通過對(duì)某高速鐵路典型順層路基案例進(jìn)行分析、研究，提出了充分分析工程地質(zhì)條件、精細(xì)化分類結(jié)構(gòu)面組合，對(duì)不同結(jié)構(gòu)面組合進(jìn)行針對(duì)性現(xiàn)場(chǎng)大剪切試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)大剪切試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮長(zhǎng)期蠕變效應(yīng)，確定基于現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)的順層層間力學(xué)參數(shù)的新方法。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路； 順層； 大剪試驗(yàn)； 參數(shù)取值

【中圖分類號(hào)】U213.1+2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2022-09-30

［作者簡(jiǎn)介］王森（1988—），男，碩士，工程師，從事巖土工程及地質(zhì)災(zāi)害防治等工作。

0 引言

順層邊坡對(duì)鐵路、公路工程的安全施工和運(yùn)營(yíng)威脅最大［1］，在順層路塹勘察設(shè)計(jì)過程中，順層層面力學(xué)參數(shù)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(jié)構(gòu)面參數(shù)主要通過室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、工程地質(zhì)類比及反演分析等方法進(jìn)行取值。而各種取值方法都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，室內(nèi)試驗(yàn)因?yàn)槿永щy，難以保證試樣的代表性和原狀性，同時(shí)室內(nèi)試驗(yàn)還存在嚴(yán)重的尺寸效應(yīng)，使得通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取的結(jié)構(gòu)面參數(shù)與實(shí)際情況差距較大?，F(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)因費(fèi)用高、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、試驗(yàn)困難、試驗(yàn)點(diǎn)的代表性選取困難等原因，鐵路勘察進(jìn)行順層層面的現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)很少，大部分工程根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提順層層面的綜合內(nèi)摩擦角，這種方法規(guī)范上允許，設(shè)計(jì)上需要，勘察過程操作性強(qiáng)［11］。工程類比法在對(duì)區(qū)域地質(zhì)條件差異性理解和相關(guān)參數(shù)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(shù)往往偏于保守。筆者認(rèn)為，在深入分析工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，代表性選擇典型工點(diǎn)開展原位剪切試驗(yàn)，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(xué)參數(shù)，并在施工過程中，據(jù)邊坡開挖所揭示的層面地質(zhì)環(huán)境和邊坡的穩(wěn)定性，驗(yàn)證并修正各工點(diǎn)層間參數(shù)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)典型試驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)踐為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)提供更合理層面參數(shù)，該方法在一定程度降低了工程類比經(jīng)驗(yàn)法中的隨意性，彌補(bǔ)區(qū)域差異性認(rèn)知不足，一定程度避免了參數(shù)過于保守而引起的工程投資浪費(fèi)。

1 工程地質(zhì)及結(jié)構(gòu)面分類分析

某高速鐵路正線長(zhǎng)度約47.582 km，路基長(zhǎng)約15.031 km，順層路塹長(zhǎng)約7.2 km，共18段，順層段占路基總長(zhǎng)48%。順層邊坡工程處理投資較大。線路走向?yàn)镹EE-SWW向，測(cè)區(qū)處于加里東-印支期小董—防城褶斷帶構(gòu)造區(qū)，線路近平行于巖層走向，由此造成路線右側(cè)挖方邊坡基本為順層邊坡。順層段主要位于侏羅系上中統(tǒng)（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(fā)生順層失穩(wěn)破壞，造成工程病害，甚至影響工程后期正常運(yùn)行，順層路塹段支擋設(shè)計(jì)為該線路基設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，合理選取最優(yōu)順層層面力學(xué)參數(shù)對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)開展路基設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

由于邊坡失穩(wěn)破壞多沿軟弱層面，軟弱夾層的性質(zhì)對(duì)整個(gè)巖體的性質(zhì)尤為重要［13］，特別是含有泥化夾層的軟弱層面［12］，因此在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)首先關(guān)注是否存在泥化夾層。統(tǒng)計(jì)分析各工點(diǎn)鉆探、調(diào)繪資料，根據(jù)層面巖性組合關(guān)系和軟弱夾層特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)面呈紫紅色，上層覆蓋厚層砂巖，下層泥巖，組成結(jié)構(gòu)面的2組巖性不一致，泥巖質(zhì)軟，層間強(qiáng)風(fēng)化帶厚度大，結(jié)構(gòu)面的粗糙起伏度不同，以夾薄層狀結(jié)構(gòu)或泥質(zhì)結(jié)構(gòu)膠結(jié)形式存在于結(jié)構(gòu)面中，使其成為閉合狀，層間結(jié)合一般。因2套巖層硬度差異大，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)軟弱的泥巖易發(fā)生結(jié)構(gòu)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(duì)不透水泥巖的阻隔作用，這類結(jié)構(gòu)面往往風(fēng)化、軟化較嚴(yán)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(jié)構(gòu)面由于受構(gòu)造影響，巖體破碎，泥巖質(zhì)軟，強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)面呈微閉合，結(jié)構(gòu)面形態(tài)不平直，結(jié)合一般。泥巖透水性差，在近地表風(fēng)化較強(qiáng)，5 m以下風(fēng)化較弱，基本上保持原巖層面強(qiáng)度。但因泥巖質(zhì)軟，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低。

1.3 泥巖與砂巖組合（上泥下砂）

此類結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的2組巖性不一致，泥巖質(zhì)軟，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度大，結(jié)構(gòu)面的粗糙起伏度不同，以夾薄層狀結(jié)構(gòu)或泥質(zhì)結(jié)構(gòu)膠結(jié)形式存在于結(jié)構(gòu)面中，使其成為閉合狀，層間結(jié)合一般。因2套巖層硬度差異大，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)軟弱的泥巖易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；但上部泥巖風(fēng)化裂隙，構(gòu)造裂隙一般被填充，地下水很難滲透到層面處，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面接觸為主，是分離結(jié)構(gòu)面，該類型的結(jié)構(gòu)面粗糙，張開度不大于2 mm，結(jié)構(gòu)面之間無填充或少填充，砂巖與砂巖結(jié)構(gòu)面透水性較好，砂巖抗風(fēng)化能力強(qiáng)，不易軟化，雖有部分結(jié)構(gòu)面發(fā)生一定風(fēng)化，但風(fēng)化程度不高。

2 現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn)

據(jù)不同結(jié)構(gòu)面類型并結(jié)合路塹工程邊坡特點(diǎn)選擇工點(diǎn)，針對(duì)性開展現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)。試體制備過程中定出沿層面的剪切面，頂面宜平行于預(yù)定剪切面，剪切面積不應(yīng)小于2 500 cm2，試體頂面最小邊長(zhǎng)不小于50 cm，高度不小于最小邊長(zhǎng)的2/3，試體之間的距離大于最小邊長(zhǎng)的1.5倍。每種層面組合按天然和飽和2種狀態(tài)實(shí)施，合計(jì)共16組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)制作6個(gè)試件，共96個(gè)試件（圖2）。根據(jù)巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度選取法向荷載最大值，泥巖、砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度見表1。

砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度小于15 MPa，屬于軟巖，泥巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度小于5 MPa屬極軟巖。由于試驗(yàn)層面距坡頂約10～20 m，地層與邊坡同傾向，根據(jù)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(yīng)力時(shí)最大應(yīng)力不能超過400 kPa，以免破壞結(jié)構(gòu)面的原生狀態(tài)（圖3）。

飽和狀態(tài)試件飽水不少于48 h，試驗(yàn)準(zhǔn)備就緒后，先后安裝法向荷載系統(tǒng)、剪切荷載系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。一組試驗(yàn)在每個(gè)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(yù)定法向應(yīng)力最大荷載；每個(gè)試體的法向荷載宜分4～5級(jí)施加。剪切完成后繪制各法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力與剪位移關(guān)系曲線（圖4、圖6、圖8）。根據(jù)關(guān)系曲線，確定各法向應(yīng)力下的抗剪峰值強(qiáng)度（圖5、圖7、圖9）。再根據(jù)法向應(yīng)力與其對(duì)應(yīng)的抗剪峰值關(guān)系曲線，按庫(kù)倫-奈維表達(dá)式確定相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ值。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

3 層面參數(shù)確定

（1）施工圖階段經(jīng)驗(yàn)取值，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)順層滑坡案例調(diào)查分析結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)選取層面的綜合內(nèi)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(qū)域差異，不同區(qū)域軟巖結(jié)構(gòu)特征和工程特性不同，同時(shí)所處的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境也存在差異，測(cè)區(qū)不同于西部地區(qū)，西南地區(qū)砂泥巖層面普片存在泥化夾層問題。

（2）基于現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)取值，對(duì)于上層為砂巖下層為泥巖，邊坡穩(wěn)定性以該層結(jié)構(gòu)面控制時(shí)，層間參數(shù)應(yīng)同泥巖與泥巖層面參數(shù)保持一致，當(dāng)該組層面中夾層狀、透鏡狀軟弱夾層時(shí)以相應(yīng)的軟弱夾層進(jìn)行參數(shù)取值。

考慮全線順層段落均為薄—中厚層巖體，應(yīng)對(duì)峰值抗剪試驗(yàn)值進(jìn)行折減。GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》明確軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)采用峰值強(qiáng)度，是建立在安全系數(shù)3.0～3.5基礎(chǔ)之上的，鐵路、公路安全系數(shù)在1.02～1.3之間的順層層面抗剪強(qiáng)度參數(shù)若采用峰值強(qiáng)度，就太冒險(xiǎn)［11］。根據(jù)各組剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取峰值強(qiáng)度，此方法不考慮結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)期蠕變，也不考慮折減，為保證工程安全，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)取各組試驗(yàn)參數(shù)中較小值，參數(shù)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(duì)于工程設(shè)計(jì)應(yīng)取長(zhǎng)期強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)參數(shù)，程強(qiáng)等［13］建議紅層軟弱夾層長(zhǎng)期強(qiáng)度取為短期強(qiáng)度的75%左右。上述方法取值偏于冒險(xiǎn)。類比工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)各組大剪試驗(yàn)峰值強(qiáng)度中的小值按80%～95%進(jìn)行折減，參數(shù)建議值見表4。

（3）施工開挖驗(yàn)證細(xì)化參數(shù)。由于工程巖（土）體的不連續(xù)性、各向異性及非均質(zhì)性等屬性以及工程巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、不確定性，如：微構(gòu)造、差異風(fēng)化等都會(huì)導(dǎo)致同一基底存在不同的地層結(jié)構(gòu)。受勘察手段的限制，勘察階段又只能在工程基面范圍內(nèi)開展工作，難以完全查明邊坡巖體微構(gòu)造、差異風(fēng)化、透鏡狀軟弱夾層等。因此所取參數(shù)應(yīng)通過施工開挖進(jìn)一步驗(yàn)證與優(yōu)化。

施工開挖揭示，全線18段順層路塹邊坡，其中16段地層結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)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(zhì)黏土。

根據(jù)軟弱夾層性質(zhì)，結(jié)合邊坡穩(wěn)定性反演分析、工程經(jīng)驗(yàn)將兩段順層參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體見表5。

采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化后的層面參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，順層支擋工程投資大大降低，且已施工順層邊坡經(jīng)歷2個(gè)雨季后穩(wěn)定性良好。在充分分析地質(zhì)條件的前提下，輔以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以最大限度的排除地域差異和經(jīng)驗(yàn)干擾，可以為順層邊坡設(shè)計(jì)提供更合理層面參數(shù)。該方法確定的參數(shù)即保證了工程投資的經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

（1）全面分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)，精細(xì)化分類結(jié)構(gòu)面組合，是保證現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn)點(diǎn)選擇合理的關(guān)鍵。

（2）泥質(zhì)巖順層邊坡，考慮長(zhǎng)期蠕變效應(yīng)，對(duì)各組大剪試驗(yàn)峰值強(qiáng)度中的小值按80%～95%進(jìn)行折減，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)層間參數(shù)進(jìn)行綜合取值。

（3）加強(qiáng)順層邊坡驗(yàn)槽工作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖情況，結(jié)合邊坡穩(wěn)定性反演分析，進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化層間參數(shù)。

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