李斯?jié)?，?濤，李培鋒，李 春

(1.云南玉臨高速公路建設有限責任公司，云南 昆明 677000；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引言

公路、隧道等工程建設過程中,風化花崗巖土層普遍存在，由于其性質特殊,在一定條件下易發(fā)生變形破壞,對施工和運營造成嚴重危害[1]，如深圳地區(qū)某地下隧道存在風化花崗巖土層涌水現(xiàn)象[2]。同時，降雨對該類土層具有不可逆的沖刷破壞、強度軟化等作用[3-4]，所以研究花崗巖殘積土在降雨條件下的衰變演化規(guī)律有助于減少災害的發(fā)生，為實際工程中該類土體的處理提供理論支撐。

在花崗巖殘積土力學強度研究中，全風化花崗巖有效抗剪強度與孔隙度密切相關，直剪試驗與三軸試驗得出的有效抗剪強度呈負弱線性相關關系[5]；Charles等[6]通過三軸排水試驗、不排水試驗研究了松散花崗巖風化土體有效應力路徑和應力比；Curtis等[7]基于Green-ampt，Philip，Holtan入滲模型研究了加拿大北部地區(qū)某風化花崗巖路塹邊坡在加入生活垃圾后的滲透性能；Chiu等[8]研究了化學風化作用對香港某地區(qū)花崗巖殘積土的影響，結果表明殘積土膨脹效應、峰值強度隨礦物成分遷移指數(shù)的增大而減小；劉艷輝等[9]基于飽和-非飽和滲流理論，分析研究雨水入滲過程和斜坡失穩(wěn)機制，建立了典型斜坡預警判據(jù)；王賀等[10]以不同深度的濕潤峰代表不同強降雨條件，研究花崗巖殘積土邊坡系統(tǒng)可靠度，提出考慮時變效應的花崗巖殘積土邊坡系統(tǒng)可靠度分析方法；簡文彬等[11]研究了干濕循環(huán)條件下花崗巖殘積土衰減規(guī)律。前人研究了不同類型、條件對風化花崗巖土體及邊坡的影響，但大部分研究忽略了該類邊坡土體成因與不同影響因素間的內在聯(lián)系，缺乏對某些特殊類型邊坡的系統(tǒng)性、完整性研究。

花崗巖殘積土具有上下層結構不均、易受擾動等特性，其原位測試相對困難。Schnaid等[12]利用自鉆式旁壓儀和馬切蒂膨脹儀對香港九龍灣地區(qū)花崗巖殘積土進行測試，得到破壞包絡線；Fonseca等[13]結合地震波法、探地雷達法等多種地球物理探測方法，對葡萄牙西北部某地區(qū)花崗巖殘積土進行原位檢測；馬海毅等[14]通過波速測試、淺層平板荷載試驗、原位剪切試驗等原位測試，得到強風化花崗巖主要物理與力學性質指標；尹松[15]采用自鉆式旁壓儀對廣東臺山地區(qū)花崗巖殘積土剪切模量、剪應變進行研究，結果表明小應變時剪切模量對土體差異較敏感；陳曉堅等[16]基于地震扁鏟側脹試驗對廈門花崗巖風化層排水特性、固結特性進行研究，結果表明地震扁鏟側脹試驗作為新型改進原位測試手段，具有一定可靠性與廣泛適用性。總體而言，對于花崗巖殘積土的原位測試以地球物理探測、鉆孔、原位力學測試為主，國內原位測試所用方法較單一。

本文以云南墨臨高速公路某路段混合花崗巖殘積土邊坡為研究對象，結合土體室內試驗及現(xiàn)場高密度電法、高密度面波勘測技術，研究雨季前、后邊坡物理力學特征參數(shù)變化，為邊坡分級開挖施工與支護提供理論參考。

1 邊坡概況

云南省臨滄市地處橫斷山系怒山山脈南延部分，屬滇西縱谷區(qū)，亞熱帶低緯高原山地季風氣候，地形地勢復雜，是多氣候類型區(qū)，主要受印度洋暖濕氣流和西南季風影響，四季之分不明顯，但干雨季分明，年降雨量 1 300～2 000mm，6—10 月降雨量占全年90%以上，降雨主要集中在7—8月。

墨臨高速公路K248馬臺路段邊坡花崗巖原巖為混合花崗巖，主要由中細粒變斑狀黑云混合(二長)花崗巖和中細粒黑云混合花崗巖組成，以前者為主。邊坡土體呈全～強風化狀，呈硬砂土狀，強度低，遇水易崩解，保水性及團粒結構差，抗蝕性和抗沖性差，易受擾動，工程性質復雜。需開挖路段總長200m，開挖后將在路線左、右側分別形成高約35.78，53.82m的土質邊坡，中心最大挖方高度約31.869m。由于邊坡開挖后受降雨影響，需結合花崗巖工程特性，對邊坡穩(wěn)定性進行原位測試研究。

圖1 馬臺路段典型地質剖面

2 降雨對殘積土宏微觀特性的影響

研究區(qū)土層構造抬升及剝蝕作用相對較小，由降雨引起的風化作用對花崗巖殘積土的形成影響較大。為此，通過電鏡掃描及三軸試驗對降雨的影響進行研究。

2.1 微觀結構

花崗巖殘積土粒組中顆粒含量大，顆粒間的有效聯(lián)結主要依靠游離氧化物實現(xiàn)[2]，微觀結構的變化反映了有效聯(lián)結力的變化。對表層全風化花崗巖粉質黏土和強風化混合花崗巖殘積土進行電鏡掃描，如圖2所示。放大200倍時，二者裂隙、空洞無序分布，膠結程度一般，說明其礦物為無序生長。其中強風化混合花崗巖存在較多裂隙、空洞，最大空洞直徑約120μm；全風化花崗巖空洞數(shù)量明顯大于強風化混合花崗巖，且裂隙的平距、長度均較小。放大500倍時，強風化混合花崗巖和全風化花崗巖微觀結構差異較小，僅在空洞深度上具有一定差異。

圖2 邊坡殘積土體電鏡掃描圖像

花崗巖在風化過程中微結構性變差，抗剪強度主要成分逐漸變?yōu)橐阅z結作用為主的黏聚力。黏聚力隨土體含水率的增加逐漸減小，土體強度減小明顯，更易受降雨作用的影響。此外，降雨作用會影響殘積土體的風化，使其黏土成分含量增加，所以降雨對土體強度演化過程產生正向不斷促進、增大的影響。

2.2 抗剪強度

對0.5m深度處全風化花崗巖粉質黏土和5m深度處強風化混合花崗巖殘積土進行鉆芯取樣，樣品天然含水率分別為11.4%，12.7%。對強風化混合花崗巖殘積土、粉質黏土進行重塑土三軸試驗，測得應力-應變曲線如圖3，4所示(σ1為最大主應力，σ3為圍壓)。由圖3，4可知，混合花崗巖土體應力-應變曲線屬于應變硬化型，即使圍壓達到300kPa時，也未出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象，說明花崗巖顆粒較堅硬。此外，隨著圍壓的增大，應力-應變曲線峰值點對應的應力值逐漸變大；在樣品密度相差較小的情況下，隨著含水率的增加，各圍壓狀態(tài)對應的峰值強度減小，且剪切峰值對應的應變增大。粉質黏土應力-應變曲線在較低含水狀態(tài)下呈現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象，其峰值強度也遠低于風化花崗巖，說明其黏粒含量相對高，整體強度低。

圖3 不同含水率下強風化花崗巖ε-(σ1-σ3)曲線

圖4 不同含水率下粉質黏土ε-(σ1-σ3)曲線

根據(jù)莫爾強度理論，統(tǒng)計得出強風化花崗巖和粉質黏土各含水率條件下土體黏聚力c和內摩擦角φ值，如表1，2所示。由表1，2可知，隨著含水率的增加，混合花崗巖c值增加，φ值變化較小，說明混合花崗巖中細粒物質受雨水的影響較大；粉質黏土c值減小速率小于其φ值減小速率，表明在強降雨條件下粉質黏土土體抗剪強度有顯著下降趨勢。

表1 混合花崗巖不同含水率試樣c，φ值統(tǒng)計結果

表2 粉質黏土不同含水率試樣c，φ值統(tǒng)計結果

3 原位測試與結果分析

邊坡開挖后形成5級臺階，每級高10m，坡度45°，如圖5所示。按30m等間距選取測線K248+640，K248+670，K248+700進行高密度電法、高密度面波測試，如圖6所示。

圖5 邊坡開挖斷面

圖6 現(xiàn)場測線布設

3.1 測試原理

高密度電法是基于直流電測深開發(fā)的、存在4個電極的電測法，利用程控電極轉換器，由計算機控制選擇供電電極和測量電極，可快速采集大量電流電壓數(shù)據(jù)。電阻率計算如下：

ρ=2πaR

(1)

式中：ρ為兩被測量電極間的電阻率 (Ω·m)；a為電極間的距離(m)；R為電極間的電阻(Ω)。

高密度面波勘探法具有精度高、可靠性好等特點，在國外工程地質勘探中應用廣泛。數(shù)據(jù)處理流程包括預處理、波形處理、頻散分析、兩維分析與作圖。其基本原理為均勻介質中含面波速度的瑞雷波動方程的求解[17]：

(2)

式中：VR為面波波速 (m/s)；VS為橫波波速(m/s)；σ為泊松比。

巖土體電阻特性主要由密度、含水率、物質成分等因素決定，面波波速主要由巖土體物質組成、密度、結構特性等因素決定。高密度電法和高密度面波均可反映地下巖土體分層、結構特性，而降雨風化作用不僅改變了風化花崗巖物質組成和含水狀態(tài)，還改變了其結構特性，使其變?yōu)槎嗫?、疏松的土體。

3.2 高密度電法測試

將電極距設為2m，共120個電極，測線長240m，最大測深20～30m，雨季開始前(4月)進行測試，測線K248+700測試結果如圖7a所示。結果表明，埋深5～10m存在連續(xù)低阻體，電阻率一般<500Ω·m，部分區(qū)域存在高阻體，呈極度不均勻分布；10m以下范圍內混合花崗巖殘積土電阻率隨著深度的增加而增大。

雨季結束7d后(10月下旬)，測得強風化層-0.5m 的土體含水率約為15.6%。再次對邊坡進行高密度電法測試，結果如圖7b所示。由圖7b可知，降雨后整個邊坡0～10m范圍內電阻率變大；坡底位置埋深10m以下土體電阻率變小。

圖7 降雨前后K248+700測線電法解譯結果

為更明確地評價降雨影響，對K248+700測線電阻率剖面進行頻數(shù)統(tǒng)計分析，結果如圖8所示。0～5m 范圍，降雨后電阻率為0～750Ω·m時，頻數(shù)有較弱的減小趨勢；大于750Ω·m時，頻數(shù)增加，即表層電阻率較低的土體在降雨作用后頻數(shù)增大。5～10m 范圍，降雨后0～400Ω·m電阻率基本消失，大于500Ω·m的電阻率頻數(shù)增加，且增加幅度達50%～80%。10～15m范圍，電阻率為0～250Ω·m 時頻數(shù)出現(xiàn)大幅下降，降雨后電阻率呈整體增大趨勢，尤其是低阻部分，受降雨的影響更明顯，這是因為經歷長達4個月的降雨沖刷后，邊坡0～10m 區(qū)域的土體內部細顆粒被沖走，特別是黏土成分物質，土體整體結構性破壞嚴重，導致電阻率增加。

圖8 K248+700測線電阻率頻數(shù)統(tǒng)計

3.3 高密度面波測試

高密度面波測試在堆石體檢測中已取得良好效果[18]，證明了該方法在巖土體檢測領域的適用性。采用該方法，布設240m長測線，檢波器間距設為2m，為1×24排列，每次測試移動12個檢波器的位置，直至完成整條測線的測試。

邊坡開挖完成、降雨前進行面波勘探，得到地下介質剪切波速分布結果，如圖9a所示。結合鉆孔資料，以界限剪切波速192，256，288m/s將其分為3層，分別為0～10m深表層殘積土、10～40m深全～強風化花崗巖殘積土和40m深度以下范圍強風化花崗巖殘積土。

雨季結束后進行面波勘探，得到平距45m位置處降雨前、后變化結果，如圖9b所示。結果表明，0～5m 深度處，土體剪切波速降幅達8%；5～10m深度處，土體剪切波波速減小幅度相對較?。?0～15m深度處，降雨前、后波速在不同剖面呈輕微波動趨勢。所以，開挖和降雨對風化花崗巖土質邊坡的影響主要在10m深度范圍內，主要影響邊坡密實度和結構性，導致彈性模量等物理力學特性降低。

圖9 開挖后面波反演結果

4 降雨條件下殘積土特征變化

降雨作用對深度10m以下的土體影響相對較小，對表層和中層土體影響相對較大，分別統(tǒng)計3條測線0～5，5～10m深度處土體平均電阻率和剪切波速，如圖10所示。由圖10可知，降雨對表層殘積土電阻率和剪切波速的影響幅度分別為44%，8%，對中層殘積土電阻率和剪切波速的影響幅度分別為20%，6%。經歷1個完整雨季后，風化花崗巖土體含水率變化較小，其主要原因在于該類土體具有多孔隙特征，地下水滲漏條件較好，表層土體保水能力差，由于滲流作用，細顆粒流失，導致結構性部分喪失、導電物質流失，所以整體電阻率呈增加趨勢；微觀上，開挖或降雨導致風化花崗巖內部物質組成、顆粒接觸關系、孔隙性不同，進而影響土體物理力學特性。

圖10 降雨前后不同深度殘積土電阻率、波速變化

由于5～10m深度處殘積土含水率難以獲取，結合三軸試驗結果，統(tǒng)計得到表層0～5m深度處降雨前、后(或含水率增加前、后)殘積土電阻率、剪切波速、黏聚力、內摩擦角，分別以各參數(shù)變化前較大值為標準值，統(tǒng)計其變化所占百分比，如圖11所示。結果表明，電阻率變化率隨含水率呈增大趨勢，這可能是因為電阻率對于土體含水率和結構特性均較敏感。

圖11 表層殘積土各特征參數(shù)變化趨勢

5 結語

1)室內力學和微觀結構測試結果表明，臨滄地區(qū)混合花崗巖殘積土隨著土體含水率的增加，黏聚力增加幅度較大，更易受降雨作用的影響。此外，降雨作用會加快該類土體風化，使其黏土成分含量增加，所以降雨對該類土體強度演化過程產生正向不斷促進、增大的影響趨勢。

2)邊坡殘積土在降雨后的電阻率增大，且降雨主要影響了低阻巖土體。高密度面波測試結果表明，風化花崗巖土體可根據(jù)橫波波速分為表層擾動層、中層全風化層和下部強風化層。

3)降雨對表層0～5m深度處殘積土電阻率和剪切波速的影響幅度分別為44%，8%；對5～10m深度處殘積土電阻率和剪切波速的影響幅度分別為20%，6%?？傮w而言隨著深度的增加其影響程度迅速減小，且降雨總的影響深度<10m?；旌匣◢弾r邊坡應采取邊開挖、邊支護的方式進行分級開挖，且開挖過程中應做好防降雨沖刷入滲措施。