土石混合體工程地質(zhì)力學(xué)特性及其結(jié)構(gòu)效應(yīng)研究*

胡瑞林 李 曉 王 宇 高 瑋 夏加國 李志清 高文偉 孫永帥

(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029， 中國) (②中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049， 中國) (③北京科技大學(xué)， 北京 100083， 中國) (④中國核電工程有限公司， 北京 100840， 中國) (⑤延安大學(xué)， 延安 716000， 中國) (⑥中國農(nóng)業(yè)大學(xué)， 北京 100083， 中國)

0 引 言

“土石混合體”是土和塊石的隨機混合物，在自然界分布非常廣泛，崩坡積物、殘積物、沖洪積物、冰水堆積物等均屬于土石混合體(圖 1)。地質(zhì)上常稱其為“堆積體”，而工程地質(zhì)學(xué)者則更加強調(diào)其材料與結(jié)構(gòu)上的特殊性，將之稱為“土石混合體”(油新華， 2001； Medley， 2002； 油新華等， 2002)。土石混合體與一般巖土體不同，構(gòu)成這類地質(zhì)體的“塊石”和“土”不僅大小十分懸殊、結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且物理力學(xué)性質(zhì)也相差懸殊?？梢哉f，其力學(xué)性能界于土和巖石之間、材料屬性則介于散體與連續(xù)介質(zhì)之間，工程力學(xué)行為極為特殊、復(fù)雜、難以精確刻畫，是工程地質(zhì)力學(xué)研究的最薄弱環(huán)節(jié)之一，也是我國西南山區(qū)斜坡災(zāi)害的最主要載體，相關(guān)災(zāi)害事件舉不勝舉，具有“分布廣、穩(wěn)定性差、活動頻繁、治理難度大”等顯著特點。因此，加強土石混合體工程地質(zhì)力學(xué)特性及其災(zāi)害控制機理研究，對于保障該地區(qū)人民生命財產(chǎn)以及重大工程建設(shè)的長治久安具有十分重要意義。

圖 1 典型土石混合體構(gòu)成(云南虎跳峽谷公路邊坡)Fig. 1 Typical soil-rock mixture composition

其實，人們對土石混合體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究早有關(guān)注(Lindquist， 1994； Medley， 1994； 武明， 1997; 郭慶國， 1998； 董云， 2005; Sonmez et al.， 2006; 李曉等， 2007; Coli et al.， 2012)，但由于探測技術(shù)條件的限制，人們一直不能準確把握隱伏土石結(jié)構(gòu)的精細狀態(tài)，因而缺乏對土石混合體結(jié)構(gòu)性問題的深入了解。人們雖然通過一些不同尺度試樣的室內(nèi)試驗初步掌握了塊石含量對其工程力學(xué)性質(zhì)的影響(Vallejo et al.， 2000； Sonmez et al.， 2004; 張嘎等， 2004; 時衛(wèi)民等， 2005; 謝婉麗等， 2005; 田永銘等， 2006; 徐文杰等， 2006； Coli et al.， 2011; Afifipour et al.， 2014)，但是，土石結(jié)構(gòu)的其他要素，如塊石的級配及其空間構(gòu)型、基質(zhì)的性質(zhì)和孔隙性等的控制作用，卻知之甚少。因此，土石混合體的工程地質(zhì)力學(xué)性狀的確定，至今未能真正考慮結(jié)構(gòu)效應(yīng)，進而導(dǎo)致土石混合體工程穩(wěn)定分析仍舊未能擺脫連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的束縛，預(yù)測評價工作缺乏相應(yīng)的理論和技術(shù)支撐。

為深入研究土石混合體工程地質(zhì)力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)控制機理，作者于2013年提出并獲得了國家自然科學(xué)基金重點項目——“工程活動影響下土石混合體滑坡形成演化的結(jié)構(gòu)控制機理研究”的資助(批號： 41330643)，作者通過多尺度宏-微觀室內(nèi)和現(xiàn)場物理力學(xué)試驗與模擬，對土石混合體的強度特性、變形特性和滲透特性及其不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的控制機理等展開了歷時4ia的深入研究，取得了預(yù)期研究成果。現(xiàn)將重要成果簡介于此，供大家參考。

1 土石混合體剪切變形特征

作者主要從宏觀試驗和微觀分析兩個層次開展了不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)土石混合體的剪切變形和強度特性研究。在宏觀層次上，主要借助于大型直剪儀、大尺度三軸壓縮儀、原位推剪試驗展開； 而微觀層次研究則主要借助于CT試驗、超聲波試驗和數(shù)值試驗。

1.1 剪切作用下土石混合體的宏觀變形特征

鑒于土石混合體存在復(fù)雜的土石結(jié)構(gòu)及其塊石的尺寸效應(yīng)影響明顯，作者盡量避免了小尺度樣品的變形試驗研究，以突出反映塊石對變形的控制作用。直剪試驗、三軸試驗和現(xiàn)場推剪試驗都采用了大尺度樣品，其尺寸分別為30icm×30icm×30icm、30icm×30icm×60icm和30icm×30icm×30icm。

1.1.1 大型直剪下的變形特征

直剪試驗采用了自制的伺服控制式大型多功能直剪儀(圖 2，簡稱RSM裝置)，該裝置配備有等剪切面的剪切盒、斜剪切面剪切盒、疊環(huán)剪切盒、控溫剪切盒，可實現(xiàn)飽和/非飽和碎石土在垂直應(yīng)力加載條件下的水平直剪強度試驗，實現(xiàn)飽和/非飽和狀態(tài)下土石混合體的反復(fù)直剪試驗、高壓固結(jié)試驗、不同溫控條件下的水平直剪強度試驗、疊剪試驗。其主要技術(shù)創(chuàng)新包括(已獲得相應(yīng)技術(shù)專利)：

圖 2 RSM1000型伺服控制土石混合體大型直剪儀Fig. 2 Large geotechnical shear strength test system RSM-1000 controlled by motor servoa. 正視圖； b. 后視圖

(1)采用壓力傳感器閉合回路與伺服電機控制系統(tǒng)，精確施加垂直與水平荷載，實現(xiàn)多應(yīng)力路徑控制試驗系統(tǒng)，可以達到長期蠕變性能測試，避免伺服液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性低引發(fā)的數(shù)據(jù)偏移及油缸滲漏等問題。

圖 3 塊石含石量對剪切帶厚度的影響Fig. 3 The effect of rock size on shear band thicknessa. L1(9.5～19.0imm)塊石尺寸； b. L2(19.0～31.5imm)塊石尺寸； c. L3(31.5～53.0imm)塊石尺寸

(2)采用面向字符的同步協(xié)議和多機通信控制方式，將垂直荷載施加裝置、水平推力施加裝置、測量單元與計算機控制軟件有機結(jié)合，組成一個控制測量系統(tǒng)，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和可靠，有效提高儀器運行性能，實現(xiàn)自動控制與人為控制相結(jié)合。

(3)在硬件電路上采用低通濾波等措施，減少測量值的波動； 在軟件方面采用定量預(yù)測法與移動平均法，平滑測試信號，降低信號噪音，有效實現(xiàn)傳感器的穩(wěn)定性。

圖 4 剪切后塊石變形特征Fig. 4 The deformation characteristics of rocks after sheara. 剪切面布置單排塊石； b. 剪切后單排塊石發(fā)生翻轉(zhuǎn)； c. 剪切后單排塊石俯視圖； d. 剪切面上下布置雙排塊石； e. 剪切后塊石未發(fā)生明顯翻轉(zhuǎn)； f. 剪切后剪切面塊石俯視圖

圖 5 大型三軸剪切試驗機Fig. 5 Large-scale triaxial shear test machinea. 大型三軸剪切試驗機主視圖； b. 大型三軸剪切試驗機示意圖

利用砂土與塊石組成的土石混合體，分別考慮4種含石量(試驗時為重量含石量、圖像分析時為體積含石量，兩者的關(guān)系有待進一步研究。特此說明)、3種塊石尺寸和4種上覆壓力條件，開展了土石混合體大型直剪試驗剪切帶變形特征研究(胡峰等， 2018)。研究表明(圖 3)：關(guān)鍵剪切帶變形特征受含石量、上覆壓力、塊石大小的影響，影響程度由大到小依次為含石量、上覆壓力、塊石大小。當含石量小于30%時，塊石對試樣的變形影響較小，強度主要依賴于砂土強度； 當含石量達到50%時，試樣內(nèi)已形成骨架結(jié)構(gòu)，變形受塊石的影響突顯，強度由塊石和砂土共同作用； 當含石量達到70%時，試樣內(nèi)已形成塊石架空結(jié)構(gòu)(圖 4)。

在高含石量與大粒徑塊石條件下，含貫穿剪切面的塊石試樣隨剪切變形發(fā)展，塊石發(fā)生擠壓、翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象； 剪切面附近分布塊石的試樣，隨剪切變形發(fā)展，塊石發(fā)生擠壓、棱角剪斷與錯動重分布(圖 4)。

1.1.2 三軸壓縮下的變形特征

土石混合體主要由基質(zhì)和塊石等組成，其力學(xué)性質(zhì)不僅取決于塊石含量、塊石的顆粒級配、固結(jié)狀態(tài)等，還和塊石粒徑大小、圍壓高低、應(yīng)變速率等因素密切相關(guān)。對于“塊石”粒徑的尺寸，一般認為其粒徑范圍為0.05～0.75iLC(LC為土石混合體的工程特征尺度，對三軸試驗樣品取試樣直徑)。然而，含超徑(大于0.2iLC)顆粒土石混合體在自然界廣泛分布，超徑顆粒的存在必然對土石混合體的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

圖 6 不同圍壓下體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 6 Curves of volumetric strain variation with axial strain under different confining pressuresa. 25%含石量； b. 35%含石量

試驗采用了中國科學(xué)院力學(xué)研究所自行設(shè)計研發(fā)的大型柔性三軸剪切試驗儀(圖 5)，首次對含超徑顆粒土石混合體開展了固結(jié)不排水三軸剪切試驗，從而初步揭示了土石混合體在含超徑顆粒條件下的偏應(yīng)力、體應(yīng)變、孔隙水壓力等隨軸向應(yīng)變的變化規(guī)律(夏加國等， 2017)。

通過監(jiān)測內(nèi)圍壓室內(nèi)水和加載桿的體積變化來反算土石混合體試樣的體積變化，發(fā)現(xiàn)在固結(jié)不排水條件下，土石混合體試樣隨著軸向應(yīng)變的發(fā)展出現(xiàn)剪脹和剪縮現(xiàn)象，剪切過程中試樣體積并非恒定值。

當土石混合體的含石量較高時，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不再是一條平滑的曲線，隨著塊石的壓碎破壞，偏應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象，表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有鋸齒狀形態(tài)，且伴隨有間歇性的應(yīng)力跳躍現(xiàn)象； 在較高的圍壓下進行大型三軸剪切試驗時體應(yīng)變表現(xiàn)為加載初期剪縮，隨后剪脹，二次剪縮，再次剪脹的特征(圖 6)。

基于偏應(yīng)力、體應(yīng)變和孔隙水壓力隨著軸向應(yīng)變變化的對比分析，發(fā)現(xiàn)三者之間具有很好的對應(yīng)關(guān)系，并提出了3種概化模型：當試樣內(nèi)部超徑塊石之間發(fā)生咬合作用時，偏應(yīng)力增大，相應(yīng)的體積增大，體應(yīng)變減小，孔隙水壓力減?。?當試樣內(nèi)部超徑顆粒發(fā)生破碎或者超徑顆粒之間發(fā)生滑移時，相應(yīng)的體積減小，體應(yīng)變增大，孔隙水壓力增大(圖 7)。

1.1.3 現(xiàn)場推剪下的變形特征

自從本世紀初將推剪試驗應(yīng)用土石混合體研究以來，原位推剪試驗已被廣泛應(yīng)用于土石混合體勘察、設(shè)計和滑坡防治的強度特征分析與參數(shù)獲取，并認為它能夠比較完整地保存土石混合體的原位結(jié)構(gòu)特征、試樣尺寸較大，因此可以取得比較真實、合理的強度特征及其強度參數(shù)。該試驗的有關(guān)流程和數(shù)據(jù)整理方法，已有不少文獻和規(guī)范做過介紹，故此從略。

2017年，作者在湖南衡陽地區(qū)再次利用該方法對拜殿鄉(xiāng)土石混合體進行了原位試驗。圖 8為試驗得到的剪應(yīng)力-位移曲線?？梢钥吹?，其變形過程大致可分為5個階段(夏加國， 2017)，即：(1) AB段，彈性變形階段，該段應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線； (2) BC段，初始屈服階段，該段是由于土石混合體內(nèi)部土體的強度低于塊石的強度，隨著變形的增加，土體首先達到屈服狀態(tài)； (3) CD段，應(yīng)變硬化階段，該階段是由于巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重構(gòu)，塊石之間發(fā)生相互咬合等作用，致使應(yīng)力進一步提高； (4) DE段，二次屈服階段，由于土石混合體剪切過程中內(nèi)部塊石之間咬合作用等形成的應(yīng)力集中與此時釋放之間達到一個平衡，故再一次進入屈服階段； (5) EF段，破壞后階段，該階段由于土石混合體內(nèi)部形成了貫通滑動面，且后期土石混合體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重構(gòu)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中不足以抵消此時應(yīng)力的釋放，故出現(xiàn)了應(yīng)力的下降，此時F點可視為該曲線的殘余強度。

圖 7 偏應(yīng)力、孔壓、體應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系曲線Fig. 7 The one-in-one correspondence relationship curves of deviator stress，volumetric strain and pore water pressure

圖 8 湖南衡陽土石混合體野外推剪試驗曲線Fig. 8 Shear stress-displacement curve of sample of PS-1

基于剪應(yīng)力-位移曲線、剪切完成后破壞面形態(tài)特征結(jié)果(圖 9)的對比分析發(fā)現(xiàn)：在整體上，潛在滑動面的粗糙度(起伏度)越大，頂面的破壞形態(tài)越趨之復(fù)雜，剪應(yīng)力-位移曲線上的應(yīng)力跳躍現(xiàn)象越頻發(fā)； 相反的，潛在滑動面的粗糙度(起伏度)越小，頂面的破壞形態(tài)越趨之簡單，剪應(yīng)力-位移曲線上的應(yīng)力跳躍現(xiàn)象越稀少。

圖 9 10#坑的三維剪切破壞面Fig. 9 Three-dimensional shear failure plane of No.10a. 10#試樣頂面破裂形態(tài)素描圖； b. 三維剪切破壞面Surfer圖

2007年，作者曾在金沙江梨園電站近壩右肩冰水堆積體首次完成了土石混合體現(xiàn)場推剪試驗，得到了如圖 10所示的結(jié)果(徐文杰， 2008， Xu et al.， 2011)。圖示的曲線為不同塊石含量及不同法向應(yīng)力條件下的剪應(yīng)力-水平位移及垂直位移-水平位移變化曲線。從圖10可以看出：

(1)在低法向應(yīng)力作用下土體(塊石含量0)及土石混合體均表現(xiàn)出剪脹現(xiàn)象，最終達到相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，且達到穩(wěn)定時的剪脹量隨著塊石含量的增加而增加。當法向應(yīng)力增高時土體首先要經(jīng)歷相對較長的一段剪脹階段，而后隨著剪切變形的發(fā)展由剪脹狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為剪縮并達到某一穩(wěn)定值； 而對于土石混合體在剪切開始僅表現(xiàn)很短的一段剪脹狀態(tài)，隨后逐漸進入相應(yīng)的剪縮階段，但是隨著剪切的繼續(xù)進行，將再次進入剪脹階段，且這種現(xiàn)象隨著塊石含量的增加而變得更加明顯。

圖 10 不同塊石含量時土石混合體直剪試驗曲線成果圖Fig. 10 The direct shear test curve of S-RM with different rock content

土石混合體在剪切過程(或剪切帶的形成過程)中由于內(nèi)部塊石間的相互咬合及摩擦作用，使得塊石不但發(fā)生相對水平位移及旋轉(zhuǎn)運動，而且在垂直于剪切帶的方向也會發(fā)生相應(yīng)的垂直位移，從而使得土石混合體在試驗過程中垂直位移由剪縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘洜顟B(tài)。這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變將伴隨著剪應(yīng)力的升高(應(yīng)變硬化)，在剪應(yīng)力-垂直位移曲線上表現(xiàn)為由初始屈服階段(即緩和曲線段)向峰值強度的發(fā)展。

(2)土石混合體剪應(yīng)力-水平位移曲線及垂直位移-水平位移曲線上有不同程度的跳躍現(xiàn)象，而且同一試驗的兩條曲線的跳躍點有良好的對應(yīng)關(guān)系：當剪應(yīng)力急劇降低時，其垂直位移將急劇升高； 當剪應(yīng)力急劇升高時，其垂直位移將急劇降低：①剪切過程中原本處于咬合狀態(tài)的某些塊石由于相互錯動、逾越而使得相互間因咬合而儲存的應(yīng)變能急劇釋放，導(dǎo)致剪應(yīng)力的急劇降低而后又逐漸回到原來的應(yīng)力狀態(tài)(在剪應(yīng)力-水平位移曲線上表現(xiàn)為“V”字形跳躍)。與此同時由于這些塊石的空間狀態(tài)相互調(diào)整而變得更加穩(wěn)定并在土石混合體試樣的宏觀上表現(xiàn)為壓密(剪縮)，在垂直位移-水平位移曲線上表現(xiàn)為向上跳躍現(xiàn)象。②若剪切帶上的某些大粒徑塊石較為密集，在剪切變形過程中由于塊石間咬合力的急劇上升，將導(dǎo)致剪應(yīng)力-水平位移曲線上的初始屈服階段急劇向峰值強度發(fā)展(即應(yīng)變硬化階段曲線將較陡)，剪應(yīng)力急劇上升呈現(xiàn)跳躍現(xiàn)象。此時由于塊石的咬合作用，而且剪切位移繼續(xù)進行，勢必導(dǎo)致塊石的垂直方向的位移及急劇的旋轉(zhuǎn)變形調(diào)整，以滿足新的應(yīng)力狀態(tài)。在垂直位移-水平位移曲線上將表現(xiàn)為剪脹現(xiàn)象，呈現(xiàn)向下跳躍現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在試驗過程中僅在塊石含量及法向應(yīng)力較高的情況下才能出現(xiàn)(圖 10d，法向應(yīng)力35.5ikPa)。

(3)從土石混合體的剪應(yīng)力-水平位移曲線上可以看出，在彈性變形階段之后達到峰值強度之前有一個平緩曲線段(初始屈服階段)，且該曲線段隨著塊石含量及法向荷載的增加而變得更加明顯。該階段土石混合體內(nèi)的細粒部分將首先破損，在剪切帶可出現(xiàn)局部開裂。隨著剪切位移的繼續(xù)增加至初始屈服階段的后期由于土石混合體內(nèi)部粒徑較大的塊石相互咬合(圖 11a、圖11b)，使得剪應(yīng)力再次開始升高，直到發(fā)揮出其最大的抗剪強度，此時塊石與塊石間的咬合力達到最大(圖 11c)。當剪切位移繼續(xù)增加時，由于土石混合體內(nèi)塊石間的咬合力作用使得其不斷地發(fā)生移動、旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整其在土石混合體內(nèi)部的排列狀態(tài)，甚至?xí)竭^剪切面另一側(cè)的塊石(圖 11d)，這一過程將伴隨著剪應(yīng)力的降低而到達相應(yīng)的殘余強度。

圖 11 剪切帶發(fā)育及內(nèi)部塊體運動示意圖Fig. 11 Schematic diagram of shear zone development and internal block movement A、B為預(yù)剪面；箭頭表示塊體運動方向；虛線表示實際剪切帶

圖 12 不同含石量下土石混合體剪切帶發(fā)育狀況Fig. 12 Development of shear zone of S-RM under different rock content

(4)圖 12顯示了不同塊石含量下土石混合體大尺度直剪試驗的剪切帶發(fā)育圖示(法向應(yīng)力為近似值)?？梢钥闯?，當塊石含量為0(即試樣全部為土體)時，剪切帶位于預(yù)剪面附近并與剪切方向平行呈帶狀分布。隨著塊石含量的增加，其剪切帶逐漸變寬，甚至還會伴隨有多組裂紋產(chǎn)生。隨著塊石含量的增加，剪切過程中塊石之間的接觸及相互咬合的概率將增加，由此引起塊石的旋轉(zhuǎn)、位移等將增加，最終導(dǎo)致了剪切帶的擴展及多裂紋的產(chǎn)生。

1.2 剪切作用下土石混合體的微觀變形特征

為了進一步研究不同尺度下土石混合體的變形特征和形成機理，還開展了不同狀態(tài)或工況下的土石混合體微觀特征研究。采用的主要試驗手段有CT試驗、超聲波試驗和數(shù)值試驗3種。下面對相關(guān)研究取得的主要成果分別做簡要陳述。

1.2.1 基于聲學(xué)特征的土石混合體細觀損傷開裂過程研究

超聲波探測技術(shù)屬于重要的地球物理手段，聲波在介質(zhì)中傳播時，聲學(xué)參數(shù)的變化可以反演出介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化特征，對認識地質(zhì)體的動力學(xué)響應(yīng)、細觀結(jié)構(gòu)變化和損傷破裂過程具有重要的指導(dǎo)意義。

圖 13 超聲波試驗使用的換能器Fig. 13 Transducers for ultrasonic testing

超聲測試試驗系統(tǒng)由3部分組成：①剛性加載裝置; ②超聲波檢測儀; ③高靈敏度的聲波換能器。測試過程中的軸向荷載由液壓千斤頂施加，可提供最大軸力為100ikN，應(yīng)力傳感器進行軸向荷載的量測，荷載控制器記錄壓縮過程每個階段的軸向力，精度為0.01ikN； 軸向變形由千分表量測，精度0.01imm。超聲波測試儀采樣長度為1024，采樣周期0.1iμs，激勵電壓1000iV，發(fā)射脈寬0.04ims，采樣時間間隔為0.1iμs。測試時采用自行研發(fā)的高靈敏度聲波換能器(圖 13)。測試時，頻率為130ikHz換能器用于試樣加載前的初始聲波檢測，頻率為500ikHz的換能器用于試樣開裂變形的測試，將換能器固定在試樣的中部，換能器與試樣間用潤滑脂(凡士林)進行耦合。根據(jù)試驗要求，超聲測試時換能器分別安置在試樣的軸向和徑向，換能器的頻率分別為130ikHz和500ikHz。由于試驗?zāi)康牟煌?，試驗系統(tǒng)的換能器安放部位不同。

圖 14 徑向超聲測試試驗裝置系統(tǒng)Fig. 14 Radial ultrasonic testing equipment system 整個系統(tǒng)的組成為： 1. 上橫梁； 2. 剛性立柱； 3. 托盤； 4. 導(dǎo)向桿； 5. 底坐； 6. 電導(dǎo)線； 7. 力傳感器； 8. 荷載控制器； 9. 液壓千斤頂； 10. 百分表； 11. 剛性墊塊； 12. 試樣； 13. 橡皮條； 14. 發(fā)射換能器； 15. 接收換能器； 16. 超聲波儀

應(yīng)用超聲波技術(shù)，分別設(shè)計了軸向和徑向超聲波實時壓縮試驗系統(tǒng)(圖 14)，分析了不同含石量的試樣在單軸應(yīng)力條件下的變形破壞過程，揭示了土石混合體的應(yīng)力依賴性和細觀損傷開裂過程及機理，得出以下結(jié)論：

(1)軸向超聲測試結(jié)果表明，土石混合體試樣的波速要大于土樣的波速，符合聲波密度效應(yīng)。然而，隨著含石量的增大，SRM試樣的密度在增大，但是波速卻變小了，即波速與試樣密度(含石量)呈負相關(guān)，這一結(jié)果與土體或巖塊的超聲檢測結(jié)果正好相反(圖 15)。同樣，隨含石量的增加，聲波衰減系數(shù)在不斷加大(圖 16)。土石混合體作為一種區(qū)別于“巖石”和“土體”的特殊地質(zhì)材料，波速、透射系數(shù)及內(nèi)部孔隙的變化規(guī)律和土體、塊石存在明顯的本質(zhì)差異。土石材料不遵循聲波在介質(zhì)中傳播時的密度效應(yīng)，隨著試樣密度的增大，土石混合體試樣的波速卻不斷減小。土石界面對超聲波能量的衰減的影響尤為重大，復(fù)雜隨機界面的存在，致使探測脈沖在傳播過程中反射、折射現(xiàn)象突出，導(dǎo)致聲波的傳播路徑增大，傳播能量減小，從而導(dǎo)致試樣內(nèi)部聲波的走時增長，波速降低。這一規(guī)律對于土石地質(zhì)體的野外地球物理勘探及加固具有重要的現(xiàn)實意義。另外，由土體與塊石的相互作用機理表現(xiàn)出與“巖石”和“土體”的特殊性，塊石在土體基質(zhì)中的平動、轉(zhuǎn)動等及土體壓密、松遲等一系列非線性變化過程導(dǎo)致聲學(xué)參數(shù)的波動性變化(Wang， 2015； Wang et al.， 2015a, 2016a, 2016b)。

圖 15 土石混合體試樣波速與密度的關(guān)系Fig. 15 Relationship between density and UPV for all specimens

圖 16 土石混合體試樣波速與密度的關(guān)系Fig. 16 Relationship between density and AC for all specimens

圖 17 典型試樣裂紋總寬度與相對應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig. 17 The relationship between crack width and stress level

(2)由徑向換能器得到的波速變化，得出單軸壓縮條件下試樣裂紋寬度的演化規(guī)律，壓縮條件下出現(xiàn)的與軸向近似平行的裂紋密度和累積寬度隨應(yīng)力的增大而加大，并且裂紋的演化具有明顯的突變性，這一現(xiàn)象可以歸結(jié)為塊石在試樣內(nèi)部移動、轉(zhuǎn)動的作用結(jié)果。壓力較小時，主要是土石結(jié)合裂隙及土體的固結(jié)壓密，此時并沒有裂紋的出現(xiàn)； 隨著荷載的增大，由于土體與塊石的彈性不匹配，土石界面處的差異變形引起土與石在接觸面的差異滑動、塊體的旋轉(zhuǎn)及移動，從而在土體和塊石周圍地區(qū)形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致土石接觸的拉張破壞，裂紋沿塊石擴展； 當應(yīng)力達到一定水平時，裂紋的寬度繼續(xù)加大，大量發(fā)育于試樣內(nèi)部的裂紋開始在土體中貫通，直到試樣的失穩(wěn)破壞(圖 17)。

(3)考慮到石混合體變形破壞的非線性演化過程，將損傷本構(gòu)模型進行分段求解，將峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為線性階段(包括壓密階段和彈性階段)、損傷開始演化和穩(wěn)定發(fā)展階段、損傷加速發(fā)展階段3個階段。由于超聲波測試時，試驗記錄點較少，從而不可避免地造成損傷本構(gòu)模型和損傷演化方程具有一定的誤差，但是總體上講，理論模型與試驗曲線具有較好的吻合性(圖 18)。

圖 18 土石混合體試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線實測與理論對比分析Fig. 18 Measurement and theoretical comparative analysis of stress-strain curve of S-RM

圖 19 CT原理圖(a)及450ikV射線源工業(yè)CT樣機(b)Fig. 19 CT schematic diagram and 450ikV X-ray industrial CT machine

表 1 450ikV通用型工業(yè)CT的系統(tǒng)性能指標Table 1 Performance index for 450ikV universal industrial computed tomography

(4)無論是軸向超聲測試還是徑向超聲測試，結(jié)果均表明，波速隨著含石量的增大而減小，衰減特性隨含石量的增大而增強。隨著應(yīng)力的增加，土石間的耦合作用變強，軸向波速、透射系數(shù)的波動式增長速率變慢； 徑向相對波速隨應(yīng)力的增加而減小，累積裂紋的寬度變大。

1.2.2 基于CT試驗的土石混合體細觀結(jié)構(gòu)變化與損傷機理研究

王宇等(2015a)采用中國科學(xué)院高能物理研究的450ikV通用型工業(yè)CT(GY-450-ICT)進行了土石混合體細觀損傷研究。該CT的掃描基本原理見圖 19，CT試驗機的性能參數(shù)見表 1。本次試驗共制備試樣10個，設(shè)計試樣含石量為40%，其中土體為硬黏土，塊石巖性為石灰?guī)r，粒徑6～8imm(圖 20)。因為粗集料的形態(tài)特征對土石混合體試樣的宏觀力學(xué)性能影響較大，一般來講體積大力學(xué)強度越大，因此，很有必要對制樣時采用的塊石的形態(tài)特征進行描述，將塊石形態(tài)加權(quán)量化處理，塊石的形態(tài)特征加權(quán)指標分別為：①輪廓性指標：針度1.1274，扁平度0.841，形態(tài)因子0.943，球度0.873；②棱角性指標：凸度0.872，棱角性0.988。重塑土石混合體試樣的制備分3層擊實，試樣錘擊數(shù)根據(jù)擊實曲線確定最佳錘擊數(shù)為20次，擊實后土體的干密度為2.01g·cm-3，塊石密度2.55g·cm-3，由干密度和含水率曲線確定最優(yōu)含水率為8%。

為保證點荷載儀加載的可行性，CT試驗將5個試樣用于單軸壓縮強度測試，加載速度保持基本恒定，從開始加載到破壞歷時20imin，等效加載速率為0.08imm·s-1，測試得平均單軸抗壓強度為3.￣62iMPa。CT試驗的掃描范圍為從頂部到下部50imm分層掃描，層厚2imm(圖 21)，應(yīng)力-應(yīng)變與掃描次數(shù)的關(guān)系見圖 22。本文中定義的荷載水平指當前加載應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值，即k=σi/σf。

借助X-ray計算機斷層成像技術(shù)探討了土石混合體試樣在荷載作用下內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)的變化特征，CT技術(shù)可以非接觸、非破壞地檢測到試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得到?jīng)]有重疊的數(shù)字化圖像，不僅可以精確地給出物體內(nèi)部細節(jié)的三維位置數(shù)據(jù)，還可以定量地給出細節(jié)的輻射度數(shù)據(jù)。通過對試樣在單軸荷載作用下的損傷特征、裂紋統(tǒng)計和孔隙率分析得出以下結(jié)論：

(1)土石混合體內(nèi)土體與塊石的彈性不匹配是造成試樣開裂的最根本原因，試樣在較低的應(yīng)力水平下土石界面產(chǎn)生差異滑動、塊石的旋轉(zhuǎn)及移動，導(dǎo)致結(jié)合裂隙萌生，進而引起裂紋向土體中擴展，最后導(dǎo)致試樣的破壞。通過分析不同包裹體與塊石附近土體CT數(shù)的變化規(guī)律證明了這一結(jié)論，包裹體隨荷載的增大CT數(shù)下降更為劇烈，包裹體結(jié)合裂隙形成后繼而向土體中擴展(圖 23)。

圖 20 土石混合體試樣中所用塊石形態(tài)特征提取Fig. 20 Digital image feature extraction of rock blocks for S-RM

圖 21 CT掃描橫截面圖像圖Fig. 21 CT scanning cross-sectional image

圖 22 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 22 Axial stress-axial strain curve for RSA specimen

圖 23 塊石包裹體及附近土體CT數(shù)變化Fig. 23 CT number variation for stone inclusion and its nearby soil in different slice

(2)利用圖像處理技術(shù)，基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)統(tǒng)計學(xué)原理提取裂紋的幾何形態(tài)和空間分布特征規(guī)律并對裂紋展布規(guī)律定量描述，裂紋的長度、面積和平均寬度均服從冪函數(shù)分布，裂紋特征統(tǒng)計值與塊石的分布密切相關(guān)。多數(shù)裂紋以繞石發(fā)展為主，并在土體中不斷擴展、貫通至試樣破壞(圖 24)(Wang， 2019)。

圖 24 土石混合體試樣CT切片裂紋特征形態(tài)提取Fig. 24 Extraction of the crakcs from the original CT images for typical slice of 20， 40， 60， and 80，respectively

(3)采用基于平均CT數(shù)的損傷分析方法對單軸加載條件下土石混合體試樣的損傷特征進行了分析，得到了土石混合體的損傷演化方程和損傷本構(gòu)模型。計算表明，土石混合體試樣加載過程中發(fā)生的損傷變量與主應(yīng)變的關(guān)系呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，并且理論預(yù)測模型的計算結(jié)果和實測結(jié)果吻合地較好(圖 25、圖 26)。

圖 25 土石混合體損傷變量與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig. 25 Relationship between damage variable and axial strain

圖 26 土石混合體試樣應(yīng)力-應(yīng)變實測與理論對比Fig. 26 Stress-strain measurement and theoretical comparison of soil-rock mixture specimens

1.2.3 土石混合體細觀變形特征數(shù)值模擬

土石混合體破壞的根本原因是由塊石與土體的彈性不匹配、土石界面的差異滑動造成的，破壞的實質(zhì)是內(nèi)部裂紋的萌生、擴展、聚焦和貫通的過程。從細觀尺度上研究土石混合體的變形開裂特征，基本的學(xué)術(shù)思想是利用細觀尺度的數(shù)值試驗為宏觀試驗結(jié)果提供本質(zhì)上的物理依據(jù)和解釋，從細觀尺度上研究土石混合體的破壞機理，提示土石混合體不同含石量、塊石方向、膠結(jié)程度等情況下土-石相互作用的細觀機制。土石混合體宏觀變形破壞特征受細觀結(jié)構(gòu)的控制，計算細觀力學(xué)要解決的問題就是探討介質(zhì)內(nèi)部細觀損傷的擴展過程，尋找用于描述裂紋擴展規(guī)律的方法手段，最終揭示土石混合體變形破壞特征及模式。其分析計算流程如圖 27所示。

圖 27 土石混合體細觀計算力學(xué)流程Fig. 27 Flow chart of meso-mechanics for S-RM

采用細觀數(shù)值試驗，對土石混合體的如下結(jié)構(gòu)要素進行模擬分析(王宇等， 2014)：

1.2.3.1 塊石方位的影響

塊石在土石混合體內(nèi)部的方位對試樣的變形破壞過程影響顯著，不同的塊石方位角試樣從裂紋萌生、裂縫穩(wěn)定擴展、裂紋非穩(wěn)定擴展到試樣破壞的發(fā)展速度也不相同(圖 28)。塊石方位對試樣的強度也有影響，當塊石方位為0°時，單軸抗壓強度最大； 塊石方位為60°時，單軸抗壓強度達到最小。不同塊石方位的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖 29。

圖 28 不同橢圓方位試樣起裂、慢裂、 快裂至破壞的過程(變形放大20倍)Fig. 28 Process of crack initiation， slow propagation， fast propagation and failure for samples in different elliptical azimuths(deformation amplified 20 times)

圖 29 不同塊石方位的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 29 Stress-strain curves for different block azimuths

1.2.3.2 含石量的影響

含石量作為影響土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)最重要的指標，控制著土石混合體的強度特性與變形破壞特征。當土石界面完全未膠結(jié)時，隨著含石量的增加，試樣的強度有所減小，含石量為20%時試樣的強度最大，含石量為50%時試樣的強度最小。試樣的破壞模式為劈裂-滑移復(fù)合型，含石量為20%和30%時，試樣以剪切滑動型破壞模式為主，當含石量為40%和50%時，試樣為與加載方向平行的劈裂破壞模式。試樣最容易破壞的部位是土石接觸面，其次是塊石含量較少的土體部位，塊石較集中的區(qū)域并不是最先破壞的地方(圖 30)。

圖 30 不同含石量土石混合體試樣單軸壓縮條件下的應(yīng)力-時步曲線Fig. 30 Stress-strain curves for RSA specimens with different rock percentagesa. 含石量為20%； b. 含石量為30%； c. 含石量為40%； d. 含石量為50%

圖 31 不同含石量土石混合體試樣土石膠結(jié)強度計算結(jié)果Fig. 31 Stress-strain curves for S-RM specimens with different interface cement strengthsa. 含石量為20%； b. 含石量為30%； c. 含石量為40%； d. 含石量為50%

圖 32 土石混合體試樣單軸加載條件下漸進破壞過程Fig. 32 The progressive failure process of RSA specimen under unxial compressive testa. 加載1步； b. 加載8步； c. 加載16步； d. 加載24步； e. 試樣破壞

1.2.3.3 土-石膠結(jié)強度的影響

對于所研究的不同含石量的試樣，土石混合體的單軸抗壓強度并不隨土-石界面的強度的增大而增加。當含石量為20%和30%時，界面膠結(jié)強度的增大導(dǎo)致試樣的抗壓強度有減小的趨勢； 含石量為40%和50%時，試樣的抗壓強度隨膠結(jié)強度的增大而增加(圖 31)。造成這一結(jié)果的原因為：土石混合體作為一種土-石-界面三者共同作用的介質(zhì)，試樣抵抗界部變形的能力由三者協(xié)同決定，單純提高界面的膠結(jié)強度并不能達到抗壓強度一味增大的效果，在低含石量情況下，塊石在試樣中起填充作用，試樣的強度大部分由土體基質(zhì)來承擔，土體的強度是決定抗壓強度的最主要因素，所以界面強度雖然增大了，但是試樣的抗壓強度并沒有增加； 然而，在高含石量情況下，塊石在試樣中起到骨架作用，塊石間的接觸咬合隨界面膠結(jié)強度的增大而變強，從而造成試樣的抗壓強度也有所提高。因此，土石混合體作為一個開放的系統(tǒng)，土-石-界面的協(xié)同作用來抵抗變形破壞，這也是其區(qū)別于土體與巖石的一個重要特性。

從試樣的破壞過程來看，土石混合體作為一種特殊的地質(zhì)體，失穩(wěn)并不是一蹴而就，而是一種漸進性的由土-石-界面弱化、裂紋自鎖與擴展、試樣擴容、裂紋貫通等一系列行為最終導(dǎo)致破壞的過程，其破壞是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變化過程。

一般來講土-石界面是試樣中力學(xué)性質(zhì)最薄弱的部位，破壞首先發(fā)生在土石界面處； 隨荷載的增大，裂紋不斷增長，單軸作用下，軸向微破裂占主導(dǎo)，先是沿塊石邊界發(fā)展，增長方向沿最大主應(yīng)力方向，此時的應(yīng)力集中最明顯，應(yīng)力調(diào)整最為劇烈，大量單元發(fā)生破壞； 隨著應(yīng)力的增大，裂紋逐漸向土體中擴展且裂紋的長度和寬度不斷增大，該過程有一個明顯的現(xiàn)象就是裂紋的互鎖(圖 32中圓圈A)，由于塊石的存在在很大程度上限制了裂紋的擴展，裂紋發(fā)展受到限制后將會向強度更弱的土體中擴展，隨后大量裂紋集聚貫通(圖 32圓圈B)至試樣發(fā)生破壞。

對應(yīng)于加載過程中單元損傷情況與荷載步的關(guān)系曲線(圖 33)可以看出，在加載初期，試樣被壓密，此時沒有單元損傷； 隨著荷載的增加，相對較弱的土石界面單元的應(yīng)力或應(yīng)變滿足了受拉或剪切的損傷閥值，開始損傷，這些單元破裂后緩和了應(yīng)力集中并恢復(fù)平衡狀態(tài)，由于微裂紋產(chǎn)生的能量較小，應(yīng)力-應(yīng)變變曲線呈線性發(fā)展，對應(yīng)于點“a”； 過了“a”點后，土石界面差異滑動明顯，于是結(jié)合裂紋開始增長，長度、寬度和數(shù)量開始隨應(yīng)變的增加而增加，達到“b”點； 此后，由于塊石的形態(tài)分布特征導(dǎo)致的裂紋互鎖變得更加明顯，裂紋只能向強度低的土體中發(fā)展，直到試樣的破壞，對應(yīng)于峰值點“c”。過了峰值點后，由于試樣軟化，出現(xiàn)一次較明顯的應(yīng)力降，大量單元一并損傷破壞，對應(yīng)于“d”點。

圖 33 加載過程中單元損傷情況與荷載步的關(guān)系曲線Fig. 33 Number of damage element during cracking

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果將土石混合體試樣的破壞過程分為以下幾個階段：

Ⅰ. 土體及結(jié)合裂隙壓密階段。土石混合體由于在風干過程中體積收縮，在土石界面形成的裂隙稱之為結(jié)合裂隙。加載剛開始時，微裂紋及孔隙被壓密，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)非線性變形階段，試樣的剛度有增加的趨勢。

Ⅱ. 彈性變形階段。試樣被壓密后，內(nèi)部某些孤立單元上產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，這些單元破裂后緩和了應(yīng)力集中并恢復(fù)平衡狀態(tài)，由于微裂紋出現(xiàn)產(chǎn)生的損傷所釋放的能量很小，土石混合體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有很好的線性，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線關(guān)系。

Ⅲ. 裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(慢裂)。過了線彈性階段后，隨著荷載的增加，由于土石界面的強度低，土體和塊石沿開裂面產(chǎn)生了相對滑動，裂紋沿塊石表面擴展，且有的裂紋開始向土體中擴展，此時的裂紋擴展很慢，如果停止加載，裂紋的擴展也將停止。

Ⅳ. 裂紋不穩(wěn)定發(fā)展應(yīng)變局部化階段(快裂)。進入該階段后，荷載再增加，塊石周圍的結(jié)合裂紋快速向土體中擴展，這些裂紋快速貫通，形在控制試樣強度的宏觀裂紋。裂紋擴展的結(jié)果，形成土體主裂紋和繞石分岔裂紋兩種典型的形態(tài)。

Ⅴ. 應(yīng)變軟化階段。達到峰值強度后，由于裂紋的貫通及塊石的移動和轉(zhuǎn)動，試樣強度降低，曲線下降。

2 土石混合體的強度特征及其結(jié)構(gòu)效應(yīng)

利用作者研制的上述RSM1000型伺服控制土石混合體大型直剪儀研究了含石量及基質(zhì)類型對土石混合體強度性質(zhì)的影響。設(shè)計試樣的含石量分別為0、8%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%、60%； 基質(zhì)類型分別為細粒土、含砂質(zhì)細粒土及細砂； 圖 34～圖 36為試驗結(jié)果(張小艷， 2015)。

從圖 34的整體趨勢看，黏聚力是隨含石量的增大而增大的。細微上看，含石量小于25%時，黏聚力隨含石量增加的變化不大； 當含石量大于25%后，土石混合體試樣的黏聚力隨含石量則增加明顯。從圖 35中可以看出，內(nèi)摩擦角隨著含石量的增加呈先減小后增大的趨勢，但整體上看來內(nèi)摩擦角的變化幅度較小，在5°之內(nèi)。

圖 34 黏聚力隨含石量變化Fig. 34 Cohesion varies with rock block percentages

圖 35 內(nèi)摩擦角隨含石量變化Fig. 35 Internal friction angle varies with rock block percentages

由此，獲得了不同塊石含量(0， 30%， 50%及70%)下土石混合體的抗剪強度參數(shù)(c，φ)(圖 36)(Xu et al.， 2011)。

圖 36 不同塊石含量下土石混合體抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系Fig. 36 Relationship between shear strength and normal stress of S-RM under different rock block percentages

利用上述現(xiàn)場和室內(nèi)試驗資料，通過對比分析，得到了如圖 37所示的土石混合體抗剪強度參數(shù)與塊石含量關(guān)系(徐文杰等， 2008)。由圖 37a可以看出，試驗土石混合體的內(nèi)摩擦角較試驗土體內(nèi)摩擦角的增量與塊石含量近似成線性關(guān)系，并根據(jù)前人研究有：

式中，ΔφPR為當塊石含量為PR時土石混合體內(nèi)摩擦角較相應(yīng)土體內(nèi)摩擦角的增量；PR為土石混合體塊石含量(%)； Δφ70為塊石含量為70%時土石混合體內(nèi)摩擦角較相應(yīng)土體內(nèi)摩擦角的增量。

根據(jù)上式可知，當塊石含量小于25%時，土石混合體的內(nèi)摩擦角隨塊石含量的變化不大，近似等于相應(yīng)土體的內(nèi)摩擦角； 當塊石含量位于25% ～70%時內(nèi)摩擦角增加與塊石含量變化近似呈線性關(guān)系； 當塊石含量增大到超過70%時，其內(nèi)摩擦角將基本不發(fā)生變化。

圖 37 土石混合體抗剪強度與塊石含量關(guān)系Fig. 37 Relationship between shear strength and rock block percentages of S-RMa. 內(nèi)摩擦角增量與塊石含量關(guān)系； b. 黏聚力與塊石含量關(guān)系

圖 37b顯示了土石混合體的黏聚力隨著塊石含量的變化關(guān)系。可以看出，土石混合體的黏聚力較相應(yīng)土體的黏聚力有很大程度的降低； 當塊石含量在30% ～70%變化范圍內(nèi)時雖然其黏聚力隨著塊石含量的增加而稍有降低，但是其變化量很小(根據(jù)本文試驗成果，塊石含量由30%增大到70%，黏聚力僅降低0.33ikPa)。

綜合以上關(guān)于土石混合體變形和強度的研究成果，作者認為土石混合體的塊石含量及粒度組成很大程度上影響著土石混合體的剪切力學(xué)特性，尤其是對強度特性的影響非常顯著。主要特點歸納如下：

(1)土石混合體受剪達到峰值強度前，會經(jīng)歷一屈服階段(甚至?xí)卸啻斡汕A段與應(yīng)變硬化階段的相互轉(zhuǎn)換過程)，該過程隨著塊石含量及法向應(yīng)力的增加而變得更為明顯。

(2)土石混合體垂直位移-水平位移曲線，較土體有所不同，在經(jīng)歷一段剪縮狀態(tài)后，隨著剪切位移的不斷增大將由剪縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘洜顟B(tài)。

(3)土石混合體的剪應(yīng)力-水平位移曲線及垂直位移-水平位移曲線會呈現(xiàn)不同程度的跳躍現(xiàn)象，這與土石混合體內(nèi)部塊石的相互作用有密切的關(guān)系。

(4)土石混合體的剪切帶發(fā)育特征與其內(nèi)部塊石含量有著密切的關(guān)系，隨著塊石含量的增加其剪切帶逐漸變寬，并會出現(xiàn)多裂紋擴展現(xiàn)象。

(5)當塊石含量為25% ～70%時，土石混合體的內(nèi)摩擦角增量(較相應(yīng)土體內(nèi)摩擦角)與塊石含量呈線性遞增關(guān)系。土石混合體的黏聚力較相應(yīng)土體有很大程度的降低，但當塊石含量大于30%左右時其黏聚力隨著塊石含量的增加變化較為緩慢。

為此，作者對土石混合體的科學(xué)定義做了如下界定：土石混合體是指由粒徑界于(0.05～0.075)LC(工程特征尺度)、含石量在25% ～75%之間、強度是基質(zhì)(土)2倍以上的塊石和細粒土隨機構(gòu)成的第四紀松散堆積體。

3 土石混合體滲透特性及其結(jié)構(gòu)控制規(guī)律

土石混合體具有非常顯著的非線性土石結(jié)構(gòu)，研究其滲透力學(xué)特性不能沿用達西試驗，必須研制出新的可以反映其非線性滲流特性的試驗裝置(顧金略等，2009)。圖 38就是一款這樣的試驗裝置。它是中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李曉團隊自行研制的，取名為“大尺度變水壓伺服控制滲透儀器”。該滲透儀的設(shè)計最高水壓力為2iMPa，筒身采用壁厚20imm，內(nèi)徑309imm的不銹鋼筒。根據(jù)土工試驗規(guī)范要求，儀器內(nèi)徑應(yīng)大于試樣中最大塊石顆粒的10～12倍。對于本滲透儀，最大塊石顆粒為30imm。滲透儀筒身長700imm，恰當?shù)耐采黹L度既能減小試驗工作量又能保證外接測壓系統(tǒng)測壓順利。筒身通過法蘭環(huán)和O型橡皮圈與上下蓋密封連接。滲透筒內(nèi)裝帶小孔的不銹鋼透水板，透水板下部有集水空室，匯集試樣滲水，然后從下部出水口排出。

圖 38 自主研發(fā)的大尺度伺服控制土石混合體壓力滲透儀Fig. 38 Structure scheme of the large-scale servo-controlled permeability testing system for permeability testing

該滲透儀的主要優(yōu)點如下：

(1)滲透筒為大尺寸，能進行土石混合體等含粗顆粒料試樣的滲透試驗，可最大可能地消除尺寸效應(yīng)。

(2)采用伺服加壓供水系統(tǒng)，能進行高水壓下，試樣的滲透性能試驗，能準確控制供水壓力和供水速度。

(3)測壓管、水壓表和差壓送變器聯(lián)合使用，既能測定高水頭的壓力又能準確測定低水頭下的壓力。

(4)下部滾輪和法蘭環(huán)設(shè)計，使?jié)B透儀操作、卸樣非常方便。

試驗時，試樣尺度采用直徑300imm、高度700imm的圓柱試樣。試驗采用的土體主要有3種：黏土、淤泥質(zhì)土和細砂土。塊石為大理巖碎石，塊石顆粒直徑為5imm、10imm、20imm和30imm，質(zhì)量比為 1︰3︰2 ︰1，如圖 39所示。利用大尺度伺服控制土石混合體壓力滲透儀進行滲流試驗(圖 40)。

圖 39 大尺度滲流試驗所采用的塊石形態(tài)Fig. 39 Rock blocks used in large-scale seepage test

圖 40 大尺度滲流試驗遵循的試驗步驟Fig. 40 Test procedure of large-scale seepage test

圖 41 黏土基質(zhì)試樣滲透流速與水力梯度的關(guān)系Fig. 41 Relationship between seepage velocity and hydraulic gradient for SRM specimens with clay matrix with different rock block percentagesa. 含石量30%； b. 含石量40%； c. 含石量50%； d. 含石量60%

圖 42 黏土基質(zhì)試樣滲透系數(shù)與水力梯度的關(guān)系Fig. 42 Relationship between permeability coefficient and hydraulic gradient for SRM specimens with clay matrix with different rock block percentagesa. 含石量30%； b. 含石量40%； c. 含石量50%； d. 含石量60%

以下是根據(jù)上述裝置完成的相關(guān)滲透試驗的分析成果(Wang， 2016b)：

(1)黏土基質(zhì)滲流試驗結(jié)果分析：當土石混合體內(nèi)基質(zhì)為黏性土?xí)r，滲透流速與水力梯度的關(guān)系見圖 41。滲透流速與水力梯度并不是線性關(guān)系，滲透流速隨水力梯度的增加而不斷增大，但是增加速率不斷加大，對于含石量為60%的試樣，滲透流速的增加速率最大。這一結(jié)果表明，黏土基質(zhì)試樣的滲流系數(shù)并不是定值，而是隨著水力梯度的改變而發(fā)生變化。土石混合體作為一種特殊的地質(zhì)材料，基質(zhì)為黏土?xí)r并不符合達西定律。

對于試驗中所測試的黏土基質(zhì)試樣，隨著流速的增加，流體在試樣中的流動變成非達西狀態(tài)，即滲透流速與水力梯度并不符合線性關(guān)系，滲透系數(shù)具有水力梯度依賴性。這種依賴性的強弱取決于試樣中塊石的含量及土體基質(zhì)的特性。Forchheimer于1901年對達西定律進行了修正，得到了如下修正的經(jīng)驗方程：

(2)

式中，Ca為加速度系數(shù)；μ為流體的動力黏度系數(shù)；K為滲透系數(shù)；f為單位質(zhì)量的體積力;V為滲透流速； ?p/?x為壓力梯度。

當時間超過一定值后，滲流達到穩(wěn)定狀態(tài)，即?V/?t=0。理論分析表明，當不考慮流體的壓縮性時，穩(wěn)定滲流狀態(tài)下的壓力梯度是均勻分布的，故可用兩端壓差pa=pbase-ptop的穩(wěn)定值與高度h的比值作為壓力梯度?p/?x的近似穩(wěn)定值。當忽略了體積力后，由(2)式可得：

(3)

在穩(wěn)態(tài)法滲透試驗中，試樣的上端通大氣，故ttop=0。因此，壓力梯度的穩(wěn)定值為-pbase/h。通過伺服增壓水泵的測控系統(tǒng)，在不斷增加水壓差的條件下便可以得出一系列的滲透流速，由線性回歸便可得到巖石的滲流特性。采用Forchheimer 方程擬合得到黏土基質(zhì)非達西滲流方程見表 2。

表 2 由Forchheimer 方程表征黏土基質(zhì)試樣的滲流規(guī)律Table 2 Curve fitting results of seepage velocity against hy- draulic gradient for typical specimens using Forchheimer equation

(2)淤泥質(zhì)土基質(zhì)滲流試驗結(jié)果分析：當土石混合體基質(zhì)類型為淤泥質(zhì)土?xí)r，滲透速度與水力梯度的關(guān)系見圖 43。兩者間的關(guān)系和基質(zhì)為黏土?xí)r相似，表現(xiàn)出很強的非線性； 隨著水力梯度的增加，試樣的滲透流速不斷斷大。計算每一水力梯度下對應(yīng)的滲透流速，如圖 44所示，可以看出土石混合體的滲透系數(shù)并不是一個定值，而是隨著水力梯度的增加不斷增大。

圖 43 淤泥基質(zhì)試樣滲透速度與水力梯度的關(guān)系(a～d含石量分別為30% ～60%)Fig. 43 Relationship between seepage velocity and hydraulic gradient for SRM specimens with mucky soil matrix with different rock block percentages

圖 44 淤泥基質(zhì)試樣滲透系數(shù)隨水力梯度的變化關(guān)系(a～d含石量分別為30% ～60%)Fig. 44 Relationship between permeability coefficient and hydraulic gradient for SRM specimens with mucky soil matrix with different rock block percentages

圖 45 采用Forchheimer方程擬合滲流速度與水力梯度的關(guān)系Fig. 45 Forchheimer equation fitting for typical SRM specimens with mucky soil matrix

由Forchheimer方程擬合得到試樣的滲透系數(shù)，滲透速度與水力梯度的關(guān)系，如圖 45所示。擬合關(guān)系見表 3。

表 3 由Forchheimer 方程表征淤泥基質(zhì)試樣的滲流規(guī)律Table 3 Curve fitting results of seepage velocity against hydraulic gradient for typical specimens with mucky matrix using Forchheimer equation

(3)砂土基質(zhì)滲流試驗結(jié)果分析：當基質(zhì)類型為砂土?xí)r，由滲流試驗得到滲透流速與水力梯度的關(guān)系曲線。由于砂土的高滲透性，試驗過程中采用常水頭滲透試驗。圖 46為典型試樣滲透速度與水力梯度的關(guān)系曲線。滲透速度隨著水力梯度的增加而增大，但兩者呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，這一結(jié)果表明，滲透規(guī)律符合達西定律。圖 47為典型砂土基質(zhì)試樣(含石量分別為30%和50%)在不同水力梯度下的滲透系數(shù)計算結(jié)果。

(4)不同基質(zhì)類型滲透特性對比分析：土石混合體作為一種特殊的地質(zhì)材料，在土體中加入塊石導(dǎo)致了其非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成，土體基質(zhì)的差異導(dǎo)致其滲透規(guī)律的差異。作者利用自主研發(fā)的大尺度變水壓伺服控制滲透儀器和小尺度滲流試驗系統(tǒng)，進行了不同尺度試樣的土石混合體滲流試驗，從試驗結(jié)果可以看出，黏土基質(zhì)和淤泥基質(zhì)試樣的滲透規(guī)律均不符合達西定律(Wang， 2016a)。

對于黏土基質(zhì)試樣，由于塊石的隔水作用，滲透系數(shù)隨含石量的增加先是減小，當含石量為50%時，滲透系數(shù)達到最小，而后又開始增大(圖 48)。對于淤泥基質(zhì)試樣，同樣滲透系數(shù)隨含石量的增加先是減小，但是當含石量為40%時，滲透系數(shù)達到最小(圖 49)。這一結(jié)果表明，滲透特性受基質(zhì)特性的影響非常明顯，基質(zhì)微細觀結(jié)構(gòu)及礦物組成差異是造成滲流差異的根本原因。同時，由試驗得出的滲透系數(shù)隨含石量的增加先減小后增大這一現(xiàn)象，進一步說明了土石混合體的滲透特性是土體基質(zhì)、塊石及土石界面三者相互作用的結(jié)果。

圖 46 砂土基質(zhì)典型試樣的滲透速率與水力梯度的關(guān)系曲線Fig. 46 Relationship between seepage velocity and hydraulic gradient for SRM specimens with fine sand matrix

圖 47 所測試的砂土基質(zhì)典型試樣滲透速率的最大值、最小值和均值Fig. 47 The box chart figure for S-RM specimens with fine sand matrix

圖 48 基質(zhì)為黏土?xí)r不同含石量滲透特性的比較Fig. 48 Comparison of permeability characteristics of clay matrix with different rock block contenta. 滲透速率與水力梯度的關(guān)系； b. 滲透系數(shù)與含石量的關(guān)系

圖 49 基質(zhì)為淤泥時不同含石量滲透特性的比較Fig. 49 Comparison of permeability characteristics of muddy matrix with different rock block contenta. 滲透速率與水力梯度的關(guān)系； b. 滲透系數(shù)與含石量的關(guān)系

造成這一結(jié)果的原因為：一方面由于塊石相對于基質(zhì)的滲透率極低，加入塊石相當于減小了試樣的過水斷面，也就是塊石造成試樣的孔隙度極大地降低，因此，試樣的滲透特性理應(yīng)隨著塊石的增加而減?。?另一方面，由于土石界面是試樣最薄弱的部位，由于土石介質(zhì)的高度彈性不匹配，沿著滲流方向，滲流過程中會在土石界面產(chǎn)生較大的滲透力，而導(dǎo)致界面滲透速度明顯高于土體基質(zhì)。雖然塊石降低了試樣的滲透性，但是土石界面的存在一定程度上提高了試樣的滲透性。因此，影響試樣滲透性的最主要因素是基質(zhì)、塊石、土石界面三者間的共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)論與展望

歸納起來，本文在土石混合體工程地質(zhì)力學(xué)特征及其結(jié)構(gòu)效應(yīng)研究方面取得的成果主要包括：

(1)剪切作用下，土樣剪切變形主要受含石量、上覆壓力、塊石大小的影響。影響程度由大到小依次為含石量、上覆壓力、塊石大小。

(2)三軸剪切條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線可出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象。當試樣內(nèi)部超徑塊石之間發(fā)生咬合作用時，偏應(yīng)力增大，相應(yīng)的體積增大，體應(yīng)變減小，孔隙水壓力減?。?當試樣內(nèi)部超徑顆粒發(fā)生破碎或者超徑顆粒之間發(fā)生滑移時，相應(yīng)的體積減小，體應(yīng)變增大，孔隙水壓力增大。

(3)推剪過程中，不同含石量和密實度下，剪切帶可出現(xiàn)繞石、切石、轉(zhuǎn)石等形態(tài)模式。一般密度越大、含石量越大，發(fā)生切石的概率更大。含石量越大、法向應(yīng)力越大，形成的剪切滑面彎度越大、深度發(fā)展越顯著。

(4)土石混合體受剪達到峰值強度前，會經(jīng)歷一屈服階段(甚至?xí)卸啻斡汕A段與應(yīng)變硬化階段的相互轉(zhuǎn)換過程)，該過程隨著塊石含量及法向應(yīng)力的增加而變得更為明顯．

(5)土樣的超聲波監(jiān)測，可以有效俘獲土石混合體在單軸壓縮條件下的微觀開裂過程與特征。土樣的密度不同，聲波速率不同，呈反比關(guān)系。聲波衰減，顯示土石混合體的非線性變形，存在初始壓密與彈性變形-初始損傷與穩(wěn)定發(fā)展-加速損傷發(fā)展3個階段。

(6)CT分析表明：土石混合體內(nèi)土與石的彈性不匹配是造成試樣開裂的最根本原因，試樣在較低的應(yīng)力水平下土石界面產(chǎn)生差異滑動、塊石的旋轉(zhuǎn)及移動，導(dǎo)致結(jié)合裂隙萌生，進而引起裂紋向土體中擴展，最后導(dǎo)致試樣的破壞。

(7)當塊石含量為25% ～70%時，土石混合體的內(nèi)摩擦角增量(較相應(yīng)土體內(nèi)摩擦角)與塊石含量呈線性遞增關(guān)系。土石混合體的黏聚力較相應(yīng)土體有很大程度的降低，但當塊石含量大于30%左右時其黏聚力隨著塊石含量的增加變化較為緩慢。

(8)土石混合體不服從于達西定律，屬典型的非線性滲流。利用伺服控制式大尺度滲透儀可以獲得不同含石量、不同基質(zhì)的滲透特征和相應(yīng)的滲流方程，可以此開展?jié)B透變形和穩(wěn)定性評價。

雖然本次工作取得了上述有益成果，但是研究工作存在的應(yīng)用性不夠、理論研究偏多等弱點也是比較明顯的。下一步應(yīng)當更多地結(jié)合實際，針對不同類型土石混合體工程地質(zhì)力學(xué)特性做進一步研究，尤其要加大土石混合體地基穩(wěn)定性、斜坡穩(wěn)定性研究，將土石混合體的結(jié)構(gòu)性融入穩(wěn)定性評價之中，使半經(jīng)驗化的土石混合體穩(wěn)定性研究逐漸邁向定量化軌道。