土、巖及接觸面力學(xué)特性研究

馬治國

(中國水電十五局，陜西 西安710068)

寶天高速路段隧道位于陜甘交界的秦嶺山區(qū)，地形相對高差較大，山頂海拔一般在1 000～1 400 m之間，為中低山～低山區(qū)地貌特征。山區(qū)植被稀少，隧道址高程介于629.70～1 035.46 m之間，全線隧道最大埋深294.02 m。路線所經(jīng)區(qū)域?qū)儆邳S河流域渭河流域水系，其大部分路段又沿渭河干流布設(shè)。土、巖接觸地層是淺埋隧道開挖過程經(jīng)常遇到的一種地層條件。通過試驗(yàn)揭示這一地質(zhì)特征及附近發(fā)生顯著的力學(xué)特性變化和物理力學(xué)性質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)項(xiàng)目要求及中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237－2001)，對采取的土樣進(jìn)行了土的基本物理性質(zhì)、滲透性及剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。所有試驗(yàn)操作均按水電部頒發(fā)的《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123—1999進(jìn)行。

2 基本物理性質(zhì)測試結(jié)果

由試驗(yàn)確定的土的各項(xiàng)物理性質(zhì)如表1，黑嶺隧道采取黃土的干重度為 15.65～16.32 kN/m3，砂巖的干密度 20.46～24.08 kN/m3;黃土的天然含水量在 19.22% ～ 20.06%;砂巖的天然含水量在5.58% ～8.01%;黃土的液性指數(shù)均小于1，呈堅(jiān)硬狀態(tài)，黃土的塑性指數(shù)在10.56～15.57，黃土屬于粉土或粉質(zhì)粘土，砂巖呈全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化

表1 土、巖接觸面上覆黃土及砂巖基本物理特性

3 三軸試驗(yàn)結(jié)果

原狀土樣固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，表明:1)土在小圍壓50－100kPa下應(yīng)力達(dá)到峰值后隨應(yīng)變的增加而減小，土產(chǎn)生較為明顯的軟化現(xiàn)象;2)雖在200 kPa也有軟化現(xiàn)象產(chǎn)生，當(dāng)固結(jié)壓力為300 kPa時(shí)，具有明顯的硬化現(xiàn)象。3)由于原狀土存在結(jié)構(gòu)性，隨著較弱結(jié)構(gòu)單元的變形破壞，較強(qiáng)結(jié)構(gòu)單元的強(qiáng)度將逐漸發(fā)揮出來，不論是應(yīng)變軟化曲線還是以應(yīng)變硬化曲線，在剪切過程中表現(xiàn)出抗剪應(yīng)力的跳躍性增長。4)固結(jié)圍壓在50～200 kPa之間變化時(shí)，盡管固結(jié)圍壓增長明顯，但由于原狀結(jié)構(gòu)性的存在，不同固結(jié)圍壓下土的主應(yīng)力差的最大值相差不多，而當(dāng)固結(jié)圍壓達(dá)300 kPa時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)發(fā)生了改變，這說明了土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力在200～300 kPa之間。土體上層覆蓋應(yīng)屬于中淺層覆蓋，這也與采樣土體的實(shí)際情況也相符。

飽和重塑土的應(yīng)力應(yīng)變曲線表明，由于重塑土是將原狀土樣天然結(jié)構(gòu)破壞后過2 mm篩，并以天然干密度為控制條件制備配的，盡管密實(shí)度與原狀樣一致，但其原有的膠結(jié)作用已被破壞，吸力作用消失，因此土體所表現(xiàn)出來的力學(xué)特性與原狀土樣也就具有很大的差異。一是不同圍壓下飽和重塑黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈雙曲線形態(tài)，即使在較小的固結(jié)圍壓(50 kPa)下土樣已具有很明顯的硬化特征，且隨著固結(jié)圍壓的增大，土所表現(xiàn)出的抗剪切強(qiáng)度也在增大。二是由于剪切過程中不排水，雖在固結(jié)時(shí)土樣內(nèi)孔壓消散為零，但在剪切開始后，孔壓隨著軸向應(yīng)變的增大而增大，且固結(jié)圍壓越大，孔壓增加量也就越大。三是與原狀土樣不排水剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線比較，低圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有軟化特征，原狀土的抗剪切強(qiáng)度明顯大于飽和重塑土樣的抗剪強(qiáng)度。

天然黃土覆蓋層下伏的砂巖盡管密實(shí)度大，但風(fēng)化嚴(yán)重，易碎散，難以采取原狀樣，因此，采取擾動樣，在室內(nèi)制備重塑樣來近似確定全風(fēng)化砂巖的變形特性參數(shù)。制備砂樣的干密度為16.08 kN/m3，重塑砂土樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線的測試結(jié)果可以看出，不同圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈硬化型，隨著固結(jié)圍壓增大，破壞時(shí)土的抗剪切強(qiáng)度在不斷增大。在50～100 kPa的圍壓下，土在不排水剪切作用下，孔壓隨著應(yīng)變的增長而出現(xiàn)負(fù)值，也就是說土樣由于剪應(yīng)力引起顆粒間相互位置的變化，加大了砂土顆粒間的孔隙，體積也就隨著剪切過程增大，出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，可以看到較為明顯的剪切帶;固結(jié)圍壓在200 kPa、300 kPa時(shí)，不排水剪切過程中土中孔隙水壓力在不斷增長，呈剪縮性狀。將原狀土樣擾動后，控制與原狀土相同的干密度，采用壓樣法制備成重塑土樣，然后飽和，進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。根據(jù)破壞應(yīng)變條件下的應(yīng)力狀態(tài)繪制莫爾應(yīng)力圓，確定強(qiáng)度包線及其相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)。

依據(jù)飽和重塑土的固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)結(jié)果可以看到，土的強(qiáng)度參數(shù)與原狀土樣有較大的區(qū)別，內(nèi)摩擦角小值均值由21.180降低到18.340，粘聚力的小值均值由55.7 kPa降低至20.54 kPa。土強(qiáng)度指標(biāo)的變化與原狀土樣重塑結(jié)構(gòu)破壞關(guān)系密切。這是由于土原狀結(jié)構(gòu)被破壞后，制備成的重塑土土粒間的膠結(jié)連接被破壞，孔隙分布均勻，且土樣飽和后含水狀態(tài)發(fā)生變化，粒間吸力消失。一方面膠結(jié)作用破壞、吸力作用消失;另一方面原狀土中存在的結(jié)構(gòu)單元形成的團(tuán)粒、凝塊碎散，因此，飽和重塑土的摩擦角及粘聚力均小于原狀土的強(qiáng)度指標(biāo)。

全風(fēng)化砂巖擾動重塑后，控制干密度(16.08 kN/m3)制備砂樣的三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果得到的莫爾應(yīng)力圓及強(qiáng)度包線如圖2.53所示。重塑砂土的粘聚力為24 kPa，摩擦角為38°。由于砂土干容重較實(shí)際全風(fēng)化砂巖的干容重(22.27 kN/m3)小得多，因此，實(shí)際全風(fēng)化砂巖的強(qiáng)度指標(biāo)，尤其是粘聚力較測試結(jié)果可能要大許多。

依據(jù)各組原狀土及重塑土不同固結(jié)圍壓下破壞應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差，分別求其均值及小值均值，如表2.10所示。繪制莫爾應(yīng)力圓及其強(qiáng)度包線，分別確定得到了原狀土固結(jié)不排水條件下均值強(qiáng)度的粘聚力138 kPa和摩擦角15°，以及小值均值強(qiáng)度的粘聚力115 kPa和摩擦角15°;飽和重塑土固結(jié)不排水均值強(qiáng)度的粘聚力15 kPa和摩擦角18.7°，以及小值均值強(qiáng)度的粘聚力20 kPa和摩擦角15.3°。同樣表明飽和重塑土較原狀土的粘聚力有較大的減小，摩擦角較接近。也說明原狀土結(jié)構(gòu)性的喪失主要是其粘聚力的減小。與前述強(qiáng)度指標(biāo)的小值均值比較，對于原狀土，前者的粘聚力較后者小，摩擦角較后者的大;對于重塑土，兩者的粘聚力基本一致，前者的摩擦角較后者大。

圖2.53 重塑砂土的抗剪強(qiáng)度包線

巖土工程問題分析中簡單實(shí)用的彈塑性模型為D－P模型，前述的強(qiáng)度指標(biāo)可以用來確定模型的屈服面，在剪切變形未出現(xiàn)塑性屈服以前，材料呈彈性變形。因此，還需要確定土的彈性變形參數(shù)。一般，可以將土應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始剪切模量E0視為彈性模量。原狀土在不同固結(jié)圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線在原點(diǎn)的切線斜率如表2.11所示，除黑嶺5號樣之外，隨著固結(jié)圍壓增大，土的初始切線模量逐漸減小。由于初始切線模量較大，隨著剪切應(yīng)力水平的發(fā)展，難以反映土實(shí)際的非線性剪切變形，因此人們將剪應(yīng)力達(dá)最大值50%的割線模量(表示為E50)代替彈性模量，引入D－P模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。原狀土在不同固結(jié)圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線在剪應(yīng)力達(dá)最大值50%的割線模量。同樣，除黑嶺5號樣之外，隨著固結(jié)圍壓增大，各土樣的E50逐漸減小。將不同固結(jié)圍壓下的E0和E50均取均值或者小值均值，它們也隨固結(jié)圍壓的增大而減小。由此表明，盡管隨著固結(jié)圍壓增大，土的抗剪強(qiáng)度在逐漸增大，但由于固結(jié)圍壓的作用，壓縮破壞了部分結(jié)構(gòu)單元，圍壓越大破壞的結(jié)構(gòu)單元越多，土樣宏觀上表現(xiàn)為剛度逐漸降低。

為了揭示土、巖接觸面上的強(qiáng)度特性，在直接剪切儀的下盒制備全風(fēng)化砂巖，上盒制備重塑黃土樣，同時(shí)考慮接觸面上黃土可能存在的增濕變化，進(jìn)行了不同濕度上覆黃土的接觸面剪切測試。上覆黃土含水量為15%時(shí)，接觸面的摩擦角為5.85°，粘聚力為 190.8 kPa;上覆黃土含水量為 23%時(shí)，接觸面的摩擦角為 6.81°，粘聚力為31.9 kPa;上覆黃土含水量為26%時(shí)，接觸面的摩擦角為9.91°，粘聚力為38.9 kPa。表明含水量變化對土、巖接觸面的粘聚特性有顯著影響，含水量較低時(shí)，黃土與模擬砂巖有較強(qiáng)的粘結(jié)作用;含水量較高時(shí)，黃土與模擬砂巖的粘結(jié)作用較弱。與相同含水量的重塑黃土比較，土、巖接觸面主要依賴于軟弱介質(zhì)的強(qiáng)度特性;土、巖接觸面易形成剪切滑動面，其摩擦作用明顯減小。

為了揭示土的壓縮變形特性，選擇其中黑嶺－1號、黑嶺－2號土樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測試得到了e～p曲線和e～log p曲線，確定得到了不同壓縮應(yīng)力增量段的壓縮系數(shù)、壓縮模量及回彈模量，黑嶺－1號土樣的壓縮指數(shù)為0.222 2，回彈指數(shù)為0.006 4;黑嶺 －2號土樣的壓縮指數(shù)為0.216 7，回彈指數(shù)為 0.005 4。

通過現(xiàn)場波速法可以測得小應(yīng)變波動在巖土介質(zhì)中傳播的縱波和橫波，其測試原理就是根據(jù)測得的震源與接收器之間的距離及波(剪切波或壓縮波)到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間算出波速cs(cp)，之后再求取彈性模量。彈性參數(shù)的計(jì)算如式2－10、2 －11、2 －12。

測試波速及彈性參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2.14－表2.15所示，與三軸試驗(yàn)測試的初始模量比較，依據(jù)波速確定的彈性模量接近于低圍壓下的初始剪切模量，這是由于低壓縮應(yīng)力引起土結(jié)構(gòu)的破損程度較小。因此，基于波速確定的彈性參數(shù)反映了原狀黃土結(jié)構(gòu)性未遭受改變時(shí)的力學(xué)特性。兩座隧道上覆黃土及下伏砂巖的彈性參數(shù)比較接近，屬于同一個(gè)數(shù)量級。

表2.14 槐樹嶺隧道不同地層的彈性參數(shù)表

表2.15 黑嶺隧道不同地層的彈性參數(shù)表

4 結(jié)論

土、巖接觸地層是淺埋隧道開挖過程經(jīng)常遇到的一種地層條件。從試驗(yàn)結(jié)果可以看到這一地質(zhì)特征使得隧道圍巖在土、巖接觸面附近發(fā)生顯著的力學(xué)特性變化。

通過對上覆黃土的基本物理特性研究、室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)、室內(nèi)直剪試驗(yàn)及固結(jié)試驗(yàn)，對于上覆黃土的土、巖接觸面的物理力學(xué)性質(zhì)有以下認(rèn)識:

1)土、巖接觸面易形成剪切破壞面，接觸面的剪切強(qiáng)度主要取決于軟弱黃土的強(qiáng)度特性。

2)隨著土、巖接觸面處上覆黃土含水量的增加，接觸面的粘聚力顯著減小;摩擦角衰減較小，但較黃土的摩擦角小。

3)土、巖接觸面處兩種介質(zhì)的含水量差異較大，黃土的天然含水量均值19.74%，全風(fēng)化砂巖的天然含水量均值6.79%。可見，全風(fēng)化砂有顯著地阻水作用，一旦有水浸入時(shí)，易形成滯水層。

4)飽和重塑黃土與原狀黃土比較，由于擾動重塑及飽和作用，土的結(jié)構(gòu)性基本喪失，土的粘聚力顯著減小;土的變形參數(shù)也顯著減小。因此，考慮浸水入滲引起含水量增大造成黃土圍巖變形發(fā)展是非常必要的。

5)測試確定了D－P模型及劍橋模型相關(guān)的參數(shù)。