含石量對(duì)軟質(zhì)巖土石混合料土力學(xué)特性影響研究

邵忠瑞，羅雪貴，郭娜娜

(1.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053,2.貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

近年來(lái)，隨著工程用地的日漸緊張，許多大型建筑物諸如電廠、變電站等已遷移到山區(qū)。在山區(qū)進(jìn)行大面積施工的過(guò)程中，往往會(huì)形成大范圍的混合料填方邊坡，這種人工邊坡的變形破壞模式主要是以剪切破壞為主。而該類混合體的剪切力學(xué)特性往往不同于均質(zhì)土體或巖體，在工程中對(duì)其剪切力學(xué)特性研究對(duì)該類工程具有重大意義。

隨著現(xiàn)代巖土力學(xué)及各類大規(guī)模工程建設(shè)的發(fā)展，土石混合體作為一種特殊的巖土介質(zhì)，眾多學(xué)者對(duì)其力學(xué)特性的研究逐漸深入。由于土石混合體難以取得原狀樣，部分學(xué)者[1-6]通過(guò)重塑樣對(duì)土石混合體力學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)研究，也有學(xué)者通過(guò)原位實(shí)驗(yàn)對(duì)土石混合體的剪切力學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)研究[7-9]。上述研究結(jié)果均表明含石量對(duì)土石混合體力學(xué)性能有重要影響：在含石量較低或較高時(shí)，土石混合體的剪切強(qiáng)度基本保持不變，而在含石量25%～70%時(shí)的內(nèi)摩擦角隨含石量增加而增加，黏聚力隨含石量增加而降低。對(duì)于土石混合體的研究通常將其定義為強(qiáng)度較大的塊石和強(qiáng)度較低的土體，但對(duì)于含強(qiáng)度較低的軟巖塊石(單軸抗壓強(qiáng)度小于15 MPa)的土石混合體，其力學(xué)性能與含高強(qiáng)度塊石混合體相比肯定有所差異，目前對(duì)于含軟巖土石混合體的研究目前還較少。Roadifer 等[10]對(duì)Calaveras壩基的含強(qiáng)風(fēng)化砂巖(單軸抗壓強(qiáng)度為7～20 MPa)混合體進(jìn)行了顆粒特征及力學(xué)特性的研究，研究表明其黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含石量增加而增加。

在實(shí)際工程中，由于塊石的強(qiáng)度較低或者應(yīng)力較高會(huì)導(dǎo)致土石混合體在變形破壞過(guò)程中塊石不但會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)、咬合，而且還伴有破碎現(xiàn)象，特別是對(duì)于含軟巖的土石混合體，XU等[11]在研究中提出土石混合體破壞路徑可能會(huì)穿過(guò)軟弱塊石，但是限于有限元方法無(wú)法驗(yàn)證這一現(xiàn)象。Medley等[12]的研究也表明在含石量較大或者圍壓較高的情況下，剪切裂縫會(huì)穿過(guò)塊石。鄧華鋒等[13]在研究中提到在剪切過(guò)程中塊石破碎、錯(cuò)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)等是應(yīng)力“跳躍”現(xiàn)象發(fā)生的根本原因，而且還發(fā)現(xiàn)隨著塊石含量的增加，這種“跳躍”現(xiàn)象更加明顯，但是沒(méi)有對(duì)塊石的破碎做出定量的研究。由于塊石的破碎對(duì)其力學(xué)特性會(huì)造成影響，所以開(kāi)展對(duì)混合體內(nèi)塊石破碎的研究有著較大的意義。

為了進(jìn)一步研究含石量對(duì)含軟巖的土石混合體的力學(xué)特性與塊石破碎特性的影響，本文以9種不同含石量的土石混合體為對(duì)象，基于大型剪切實(shí)驗(yàn)研究其剪切強(qiáng)度隨含石量的變化規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)前后對(duì)塊石的篩分，研究土石混合體含石量與內(nèi)摩擦角對(duì)塊石破碎特性的影響。

1 土石混合體物質(zhì)組成

研究區(qū)位于云南省文山州富寧縣，為一±500 kV換流站填土邊坡，填料主要由含大量不同粒徑塊石的土石混合料組成。填土呈褐灰色、黃褐色，主要成分為粉質(zhì)黏土，混雜大量碎石、塊石及角礫，碎石主要成分為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖及灰?guī)r，棱角狀，粒徑大小不等，最大塊石粒徑為100 mm。

粉質(zhì)黏土與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖的主要物理力學(xué)指標(biāo)如下：通過(guò)原位取樣獲得粉質(zhì)黏土，測(cè)得其天然密度為1.9 g/cm3，比重為2.67，天然含水率為30%；在室內(nèi)重塑土樣，通過(guò)直剪實(shí)驗(yàn)得到黏土黏聚力為10.7 kPa，內(nèi)摩擦角為14.7°；將現(xiàn)場(chǎng)土石混合體取樣篩分后獲得強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖塊石，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖天然密度為2.6 g/cm3，通過(guò)點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)得到無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.4 MPa。

本次研究將5 mm粒徑以上的顆粒劃分為塊石[14]，故本次研究中選取粒徑大小5～100 mm為塊石，并將塊石劃分為以下6個(gè)級(jí)配(圖1)。

圖1 不同粒徑強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)頁(yè)巖Fig.1 Different sizes of strong-weathered argillaceous shale

2 大型直剪實(shí)驗(yàn)

研究在土體含水率為天然含水率狀態(tài)(30%)下不同含石量的土石混合體力學(xué)性能與軟巖塊石破碎性，塊石粒徑范圍在5～100 mm，塊石質(zhì)量含量(WBP)分別為：0%、 20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%。各粒組的塊石含量平均分布于WBP中，不同含石量的土石混合體所對(duì)應(yīng)的級(jí)配設(shè)計(jì)如圖2所示。試驗(yàn)中通過(guò)控制所有試驗(yàn)試樣總重量為200 kg來(lái)控制試樣總體密度，根據(jù)試樣總重即可計(jì)算得到各含石量試樣所需土體、水與塊石重量。在試樣裝填時(shí)以10 cm分層裝填后用橡皮錘人工夯實(shí)，裝填完成后用核子密度儀量測(cè)試樣的密度，切實(shí)保證同一組4個(gè)試樣的密度統(tǒng)一。

圖2 不同含石量土石混合體塊石級(jí)配曲線Fig.2 Grading curves of different WBP of S-RM in test

實(shí)驗(yàn)采用自行研發(fā)的大型剪切實(shí)驗(yàn)機(jī)，剪切盒為一圓柱體，內(nèi)徑為560 mm，單個(gè)剪切盒高度為200 mm，預(yù)留剪切縫30 mm。

在上盒中軸線方向由千斤頂施加法向應(yīng)力，法向加壓過(guò)程中采用分級(jí)加載，共分8級(jí)加載，每級(jí)加載所需法向應(yīng)力的1/8，每級(jí)加載穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為0.01 mm/h。待法向加壓穩(wěn)定后，安裝并調(diào)整水平位移計(jì)，啟動(dòng)千斤頂施加水平荷載，水平荷載的級(jí)差按豎向壓力的1/20逐級(jí)加載，加載速度控制在每30～40 s內(nèi)水平位移2 mm左右。待每級(jí)荷載施加完畢并保持穩(wěn)定后，分別記錄千斤頂壓力及百分表讀數(shù)(垂直及水平)，讀完即施加下一級(jí)荷載。當(dāng)剪切變形急劇增長(zhǎng)或剪切變形量超過(guò)剪切盒直徑的1/10(56 mm)時(shí)，方可停止試驗(yàn)。

3 剪切力學(xué)特性

3.1 剪應(yīng)力-位移分析

不同塊石含量及不同法向應(yīng)力條件下土石混合體剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖3所示。

圖3 土石混合體剪切應(yīng)力-位移曲線Fig.3 Curves of the shear stress-displacement of S-RM

(1)土石混合體的塊石含量和法向應(yīng)力在很大程度上影響著其抗剪強(qiáng)度。在相同的法向應(yīng)力條件下其抗剪強(qiáng)度隨著塊石含量的增加而增加；在同一含石量下隨著法向應(yīng)力的增加土石混合體的抗剪強(qiáng)度逐漸增加。

(2)土石混合體在彈性變形階段之后沒(méi)有明顯的剪切應(yīng)力峰值出現(xiàn)，出現(xiàn)應(yīng)變硬化的現(xiàn)象，表明土體在進(jìn)入屈服階段后混合體剪應(yīng)力依舊有所升高。這是由于在初始屈服階段土體先發(fā)生破壞，而塊石的存在對(duì)其繼續(xù)變形提供了阻力，導(dǎo)致隨著剪切變形的繼續(xù)增加，剪應(yīng)力仍有所增加。

(3)隨著含石量的增加，高含石量混合體剪切強(qiáng)度與應(yīng)變硬化現(xiàn)象均強(qiáng)于低含石量混合體。這是由于在較低含石量(20%～40%)下，塊石之間接觸較少，主要懸浮于黏土中，此時(shí)混合體的力學(xué)性質(zhì)主要由土體決定；在較高含石量(60%～ 90%)下，混合體內(nèi)部塊石相互接觸咬合，其力學(xué)性能主要受塊石控制。

(4)在高含石量與高法向應(yīng)力條件下(圖2b，c)土石混合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，明顯可見(jiàn)剪應(yīng)力在某段出現(xiàn)增量變小的現(xiàn)象。這是由于在高含石量、高應(yīng)力條件下土石混合體內(nèi)軟巖塊石發(fā)生破碎，導(dǎo)致塊石內(nèi)應(yīng)變能的釋放，作用在塊石上的集中應(yīng)力突然消散，進(jìn)而表現(xiàn)為整體剪應(yīng)力增量減小。

3.2 剪切強(qiáng)度分析

根據(jù)直剪試驗(yàn)得到抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)(圖4)，進(jìn)而得到黏聚力增量Δcp及內(nèi)摩擦角增量Δφp與含石量P之間的關(guān)系(圖5)，其關(guān)系式下：

Δcp=0.48P-2.32

(1)

(2)

式中：P——含石量；

Δcp，Δφp——對(duì)應(yīng)含石量土石混合體的黏聚力、內(nèi)摩擦角與土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角的差值。

(1)從黏聚力增量與含石量關(guān)系可以看出，黏聚力隨含石量增加而線性增長(zhǎng)。粗粒土的黏聚力主要來(lái)源于塊石之間相互嵌固形成的咬合力，隨著含石量的增加，塊石間咬合力顯著增大，基本隨含石量線性增長(zhǎng)。

圖4 不同含石量土石混合體剪切強(qiáng)度Fig.4 Shear strength of S-RM with different WBP

圖5 黏聚力增量、內(nèi)摩擦角增量與含石量關(guān)系Fig.5 Increment of cohesive, internal frictional angle vs WBP

(2)從內(nèi)摩擦角增量與含石量關(guān)系可以看出，在含石量為20%～60%范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角隨含石量增加呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)含石量小于20%時(shí)，土石混合體的內(nèi)摩擦角接近于土體；當(dāng)含石量大于60%后，內(nèi)摩擦角不再有顯著變化。這是由于當(dāng)土石混合體中含石量較低時(shí)(20%)，塊石在土體中較少有相互接觸，此時(shí)土石混合體的力學(xué)性能與土體接近，主要受土體自身力學(xué)性能控制；隨著塊石的增加(20%～60%)，土石混合體中的塊石開(kāi)始相互接觸并咬合，此時(shí)土石混合體的內(nèi)摩擦角會(huì)迅速增長(zhǎng)；當(dāng)含石量增長(zhǎng)至一定程度時(shí)(60%)，塊石之間已可以充分接觸，塊石與塊石之間的咬合作用可以充分發(fā)揮，此時(shí)土石混合體的力學(xué)性能主要受塊石控制，隨著塊石的繼續(xù)增加，內(nèi)摩擦角也不會(huì)再有顯著增長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1)土石混合體的含石量對(duì)其宏觀力學(xué)性質(zhì)影響較大，混合體應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象，隨著含石量的增加，土石混合體剪切強(qiáng)度增加，硬化現(xiàn)象更加顯著。由于軟巖塊石的破碎，高含石量土石混合體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。

(2)土石混合體黏聚力隨含石量增加線性增長(zhǎng)。土石混合體內(nèi)摩擦角在含石量為20%以下時(shí)基本不變，在含石量為20%～60%時(shí)隨含石量增加而線性增加，當(dāng)含石量大于60%時(shí)變化較小。