含石量與含水率對(duì)土石混合體抗剪特性研究綜述

張修軍，季思同，戴文杰

（中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院 江蘇 徐州 221000）

0 引言

自20 世紀(jì)以來，隨著國家綜合實(shí)力的發(fā)展，大量工程活動(dòng)被列入國家發(fā)展計(jì)劃，土石混合體作為一種常見的第四紀(jì)的地質(zhì)材料廣泛存在于各類工程活動(dòng)之中，由于土石混合體性質(zhì)判斷不清所引發(fā)的問題屢見不鮮。

自21 世紀(jì)初，對(duì)于土石混合體的研究正式展開。土石混合體是經(jīng)歷一定的地質(zhì)作用形成的，既不同于一般的均質(zhì)土體，又不同于一般的碎裂巖體，是一種介于均質(zhì)土體和碎裂巖體之間的特殊的工程地質(zhì)材料［1］。為了更加了解土石混合體的力學(xué)特性，尤其是其抗剪切特性，國內(nèi)外許多學(xué)者從含石量和含水率兩大因素進(jìn)行了大量研究。張敏超等人［2］使用粗粒土應(yīng)力路徑控制大型三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)，提出內(nèi)摩擦角會(huì)隨著含石量的增大而呈現(xiàn)慢-快-慢的“S”型增長趨勢(shì)。江強(qiáng)強(qiáng)等人［3］使用大型室內(nèi)直剪實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)，提出隨著含石量（20%～80%）的增加，剪切過程中表現(xiàn)為混合體間啃掘式的剪切變形。徐文杰等人［4］基于數(shù)字圖像分析技術(shù)進(jìn)行大型直剪實(shí)驗(yàn)，分析土石混合體內(nèi)部塊石的形態(tài)，提出隨著含石量的增加（25%～70%），內(nèi)摩擦角近似呈線性增長關(guān)系。薛亞東等人［5］進(jìn)行大型原位水平推剪實(shí)驗(yàn)，提出土石混合體的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加呈現(xiàn)緩慢減小-快速減小-緩慢減小的過程。李維樹等人［6］進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)，提出了不同含石量下c、φ值隨著含水率的弱化公式。鄧華鋒等人［7］進(jìn)行大型室內(nèi)直剪實(shí)驗(yàn)，提出根據(jù)剪切“跳躍”起止階段，用臨塑抗剪強(qiáng)度和極限抗剪強(qiáng)度來分析土石混合體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，徐曉宇等人［8］提出花崗巖殘積土的室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)，剪切速率為0.8 mm∕min最能反映土的強(qiáng)度性質(zhì)。

當(dāng)今人類的工程活動(dòng)和地質(zhì)災(zāi)害，如水工、道路工程、基坑開挖、堆積層滑坡、三峽庫區(qū)的滑坡體等都廣泛存在著土石混合體的作用。土石混合體的使用和研究關(guān)系著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，與我國的地質(zhì)災(zāi)害的治理和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相關(guān)。目前土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)的研究已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。

1 土石混合體的概念及組成

對(duì)于土石混合體的定義，在不同的期刊和文獻(xiàn)資料中不盡相同，文獻(xiàn)［1］從其形成過程和物質(zhì)組成角度出發(fā)將其定義為經(jīng)歷一定的地質(zhì)作用形成的，既不同于一般的均質(zhì)土體，又不同于一般的碎裂巖體，是一種介于均質(zhì)土體和碎裂巖體之間的特殊的工程地質(zhì)材料。然而，對(duì)于土石混合體，目前研究最多的是其物理力學(xué)性質(zhì)。從巖土力學(xué)的角度出發(fā)，徐文杰等人［9］將土石混合體定義為第四紀(jì)以來形成的，由具有一定工程尺度、強(qiáng)度較高的塊石、細(xì)粒土體及孔隙構(gòu)成具有一定含石量的極端不均勻松散巖土介質(zhì)系統(tǒng)。根據(jù)定義，土石混合體包含“土”和“石”兩種組成成分，針對(duì)如何確定土石混合體內(nèi)部的“土”與“石”，即土∕石的閾值問題，MEDLEY，LIUQUIST 等人（1994，1995）在對(duì)Franciscan 等地分布的土石混合體研究中發(fā)現(xiàn)，土石混合體具有一個(gè)很重要的性質(zhì)——比例無關(guān)性（Scale-independence），根據(jù)其研究提出了土石混合體的閾值為：dS∕RT=0.05Lc，在不同的研究區(qū)域中，Lc取值不同。在平面研究區(qū)域時(shí)，Lc為研究平面的平方根；對(duì)于隧道等建筑物，Lc等于其直徑；對(duì)于邊坡而言，Lc等于坡高；對(duì)于直剪試樣，Lc為單個(gè)試樣的高度；對(duì)于三軸實(shí)驗(yàn)試樣，Lc為其試樣直徑。據(jù)此，劃分出了土石混合體中“土”與“石”的分類，當(dāng)d≥dS∕RT時(shí)，我們認(rèn)為其為“石”，當(dāng)d≤dS∕RT時(shí)，我們認(rèn)為其為“土體”，d為顆粒的粒徑。

由于“石”與“土”的物理力學(xué)性質(zhì)差異大，其二者含量的不同對(duì)于土石混合體的整體物理力學(xué)性質(zhì)有巨大影響。因此，含石量成為判定土石混合體的一個(gè)重要的物理參數(shù)。根據(jù)眾多學(xué)者研究，當(dāng)含石量小于25%時(shí)，塊石之間基本無接觸，其整體的物理力學(xué)性質(zhì)與土體差異不大；當(dāng)含石量大于60%時(shí)，塊石之間密切接觸，塊石起整體骨架作用，物理力學(xué)性質(zhì)主要決定于塊石［10］。所以，從這一角度出發(fā)認(rèn)為，當(dāng)含“石”量小于25%時(shí)，為土體；含石量大于60%時(shí)，為“堆石體”［9］；當(dāng)含“石”量介于兩者之間時(shí)，為土石混合體。

2 土石混合體抗剪強(qiáng)度的影響因素和變化規(guī)律

2.1 抗剪強(qiáng)度隨含石量的變化規(guī)律及其影響方式

李曉等人［11］基于對(duì)野外土石混合體結(jié)構(gòu)特征的統(tǒng)計(jì)分析指出，土石混合體力學(xué)性質(zhì)的變化主要受控于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。含石量作為土石混合體結(jié)構(gòu)最直接的表現(xiàn)指標(biāo)之一，控制著其結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而控制其變形破壞特性與宏觀的力學(xué)性質(zhì)。隨著含石量的增加，土石混合體由以土體為主，塊石鑲嵌其中的懸浮式結(jié)構(gòu)，向以塊石為主，土體填充空隙的骨架式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，其抗剪強(qiáng)度則隨著含石量的增加有規(guī)律的變化。目前，對(duì)于不同含石量抗剪強(qiáng)度的研究，多為使用大型直剪實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)不同含石量的土樣進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，繪制其剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，分析其剪切過程中的破壞模式，得到含石量與抗剪強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。表1 總結(jié)了國內(nèi)多次大型直剪實(shí)驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律。

表1 不同試驗(yàn)及結(jié)果Tab.1 Different Tests and Results

前人試驗(yàn)結(jié)果表明，含石量對(duì)土石混合體抗剪強(qiáng)度影響為正相關(guān)性，趨勢(shì)為隨著含石量增大抗剪強(qiáng)度增大。當(dāng)含石量小于80%時(shí)，抗剪強(qiáng)度整體隨著含石量的增大而增大，根據(jù)塊石與土體本身性質(zhì)的不同可能存在最佳含石量及抗剪強(qiáng)度的最大值點(diǎn)，后隨著含石量的降低抗剪強(qiáng)度不斷降低。在到達(dá)最佳含石量之前，土體為主體部分，塊石的加入使得整體變得密實(shí)，增大了剪切時(shí)顆粒之間的咬合力，此時(shí)，土體之間仍相互接觸成為一個(gè)較為完整的整體，土體之間的黏聚力仍可以發(fā)揮較大作用，所以抗剪強(qiáng)度會(huì)不斷增大；到達(dá)最佳含石量之后，塊石作為主體部分，塊石之間接觸更加緊密，咬合力與摩擦力不斷增大，內(nèi)摩擦角增大到接近破碎巖體的內(nèi)摩擦角，土體部分減少到難以構(gòu)成一個(gè)整體，土體間的黏聚力難以發(fā)揮作用反而變?yōu)檐浫鯉В诩羟羞^程中易遭受破壞，整體的抗剪強(qiáng)度不斷降低。

含石量通過改變土石混合體的孔隙結(jié)構(gòu)影響內(nèi)摩擦角與黏聚力的變化。唐建一等人［14］認(rèn)為含石量在20%～50%時(shí)，為骨架孔隙結(jié)構(gòu)，在剪切過程中土體先被破壞，塊石之間相互咬合致使密實(shí)度增大，內(nèi)摩擦角與黏聚力也會(huì)有明顯增大，含石量超過50%后，整體表現(xiàn)為密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)粒土無法完全填充孔隙，內(nèi)摩擦角與黏聚力明顯下降；孫韜等人［13］提出含石量低于20%時(shí)，塊石增大了細(xì)粒土之間的距離，黏聚力有明顯降低，含石量在20%～50%之間時(shí)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，內(nèi)摩擦角與黏聚力明顯增大，含石量大于50%時(shí)，塊石結(jié)構(gòu)基本成型，內(nèi)摩擦角與黏聚力先降低后趨于穩(wěn)定；文獻(xiàn)［2］擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到經(jīng)驗(yàn)公式，內(nèi)摩擦角隨含石量的增大而增大，含石量在20%～80%之間時(shí)增加較快，含石量大于80%時(shí)趨于穩(wěn)定，黏聚力隨含石量增加而不斷降低，但降低速率逐漸減小。

針對(duì)不同的土體與塊石的性質(zhì)，抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)隨含石量的變化有所不同，但都是由于自身結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度及其指標(biāo)的變化。在含石量較低時(shí)，以土體為主的懸浮式結(jié)構(gòu)中加入塊石，混合體內(nèi)摩擦角與土體的內(nèi)摩擦角相似，由于細(xì)粒土之間的間隔增大，土體之間的靜電力與范德華力相應(yīng)減小，黏聚力略微降低（見圖1）；隨著含石量增大，逐漸變?yōu)楣羌芸紫督Y(jié)構(gòu)［15］，塊石之間的咬合力逐漸增大，內(nèi)摩擦角隨含石量的變化近似呈線性增長［4］（見圖2），土體之間的間隔足夠大，范德華力與靜電力變化不大，塊石本身的性質(zhì)使得剪切所做的功增多，黏聚力增大到最大值（見圖1）；含石量較大達(dá)到60%時(shí)，塊石構(gòu)成整體的骨架，塊石之間的咬合力達(dá)到飽和，同時(shí)細(xì)粒土難以完全填充塊石孔隙，內(nèi)摩擦角基本保持穩(wěn)定，會(huì)有略微下降（見圖2），細(xì)粒土所占含量較少且接觸不良，黏聚力下降（見圖1）；當(dāng)含石量接近100%時(shí)為破碎的巖體，內(nèi)摩擦角變化不大，土體黏聚力轉(zhuǎn)變?yōu)槠扑閹r體之間的黏聚力，發(fā)生質(zhì)的變化，有明顯增大。圖1 與圖2 為前人所進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦角與黏聚力的變化基本符合上述規(guī)律。

圖1 黏聚力隨含石量變化［12，14，16］Fig.1 Ange of Cohesive Force with Rock Content

圖2 內(nèi)摩擦角隨含石量變化［12，14，16］Fig.2 Change of Internal Friction Angle with Rock Content

2.2 抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律及其影響方式

水對(duì)土體具有軟化作用，對(duì)土體的物理力學(xué)性質(zhì)具有十分明顯的影響。文獻(xiàn)［5］通過大型直剪實(shí)驗(yàn)總結(jié)出土石混合體抗剪強(qiáng)度隨含水率增加的3個(gè)變化階段；文獻(xiàn)［6］發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增大，土石混合體的抗剪強(qiáng)度不斷衰減；林斌等人［17］通過紅黏土的剪切實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅黏土抗剪強(qiáng)度隨含水率增大而減小。

據(jù)前人試驗(yàn)，土石混合體抗剪強(qiáng)度大致隨著含水率的增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，整體變化分為3 個(gè)階段，含水率為（0.8～0.9）wP之前時(shí)為緩慢下降階段，在0.9wP與0.5（wP+wL）之間時(shí)為快速下降階段，當(dāng)含水率介于0.5（wP+wL）與液限之間時(shí)其抗剪強(qiáng)度又變?yōu)榫徛陆惦A段（見圖3、圖4）。

圖3 抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化［17］（wP=20.34,wL=39.37）Fig.3 The Change of Shear Strength with Water Content（wP=20.34,wL=39.37）

圖4 30%含石量時(shí)抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化［5］（wP=30,wL=44）Fig.4 Change of Shear Strength with Moisture Content at 30% （wP=30,wL=44）

2.2.1 黏聚力分析

湯新福等人［18］認(rèn)為壓實(shí)粘土黏聚力隨含水率的增加會(huì)經(jīng)歷先減小后增大最后減小的過程，過程中存在兩個(gè)含水率特征點(diǎn)（15.3%，17.3%）；文獻(xiàn)［5］認(rèn)為含石量低于40%時(shí)為低含石量，卵石對(duì)混合體的黏聚力沒有影響，含石量大于40%時(shí)為高含石量，黏聚力由土、水、卵石共同影響。由前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知（見圖5），在含石量較低時(shí)，混合體主體為土體，推測(cè)當(dāng)含水率介于塑限與液限之間時(shí)黏聚力達(dá)到最大值，隨后不斷降低；含石量較高時(shí)為骨架孔隙結(jié)構(gòu)，含水率在（0.6～0.7）wP時(shí)黏聚力取到最大值，后不斷降低。推測(cè)為在含水率達(dá)到塑限之前，水在黏土顆粒表面以結(jié)合水的形式存在，隨著水量增加，表面存在結(jié)合水膜的土粒不斷增多，接近塑限時(shí)被水膜覆蓋的土粒數(shù)量達(dá)到可以相互聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)整體的顆粒數(shù)量界限值，土顆粒之間通過結(jié)合水產(chǎn)生電分子力，同時(shí)由于塊石的存在，塊石之間的咬合力以黏聚力的形式表現(xiàn)出來，細(xì)粒土通過結(jié)合水粘結(jié)在塊石表面，混合體的整體性增強(qiáng)，宏觀變現(xiàn)為黏聚力增加；當(dāng)含石量較大時(shí)，混合體的主體為塊石，塊石越多，被水膜覆蓋的土粒形成一個(gè)整體時(shí)所需的水量越少，即含水率越低。當(dāng)黏聚力達(dá)到最大值后，結(jié)合水膜增厚，甚至產(chǎn)生自由水，在土顆粒之間起到潤滑作用，同時(shí)有效應(yīng)力不斷減小，自由水傳遞靜水壓力，黏聚力不斷降低。

圖5 黏聚力隨含水率變化［5，17］Fig.5 Change of Cohesive Force with Moisture Content

由此可知，黏聚力隨含水率的增加存在最大值，含水率通過影響水的存在形式影響?zhàn)ぞ哿Γ?dāng)含石量增大時(shí)黏聚力由土粒之間、土粒與塊石之間的作用提供。

2.2.2 內(nèi)摩擦角分析

胡海英等人［19］認(rèn)為壓實(shí)粘土的含水率變化對(duì)內(nèi)摩擦角有影響，但是規(guī)律性不強(qiáng)；王麗等人［20］通過對(duì)粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度的研究認(rèn)為含水率的變化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在黏聚力上，內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)不大；文獻(xiàn)［5］認(rèn)為內(nèi)摩擦角隨含水率的變化比較有規(guī)律，低含石量時(shí)經(jīng)歷了緩慢下降后急劇下降的過程，含石量較高時(shí)內(nèi)摩擦角先緩慢下降后增加；文獻(xiàn)［17］認(rèn)為重塑紅黏土的內(nèi)摩擦角隨含水率增加而減小。當(dāng)含石量比較低時(shí)，據(jù)前人試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見圖6），內(nèi)摩擦角在塑限之前達(dá)到最大值，而后逐漸下降，內(nèi)摩擦角達(dá)最大值時(shí)的特征含水率為（0.6～0.8）wP，整體趨勢(shì)為不斷降低；當(dāng)含石量較高時(shí)，內(nèi)摩擦角先降低后增大，內(nèi)摩擦角最小時(shí)的特征含水率小于塑限。

圖6 內(nèi)摩擦角隨含水率變化［5，17］Fig.6 Change of Internal Friction Angle with Moisture Content

低含石量時(shí)混合體主要為懸浮結(jié)構(gòu)，內(nèi)摩擦角主要由土顆粒之間的滾動(dòng)摩擦力提供，塊石所產(chǎn)生的咬合力相對(duì)較小。盧肇鈞［21］認(rèn)為黏土的內(nèi)摩擦角與液性指數(shù)有粗略的關(guān)系，并指出粘性土的實(shí)際內(nèi)摩擦角由基本內(nèi)摩擦角φ0和兩者之間的差值Δφ組成。筆者以為低含石量的情況下，含水率低時(shí)土體之間的只有粗糙顆粒之間的滾動(dòng)摩擦力，隨著含水率增加，混合體狀態(tài)逐漸由堅(jiān)硬狀態(tài)向硬塑狀態(tài)轉(zhuǎn)換，水在包裹土顆粒的同時(shí)填充孔隙，滾動(dòng)摩擦力逐漸變?yōu)橐运疄榻橘|(zhì)的滑動(dòng)摩擦力，摩擦力形式和顆粒表面粗糙度的變化導(dǎo)致了內(nèi)摩擦角的變化，在達(dá)到塑限之前顆粒表面的水膜逐漸形成，摩擦力與顆粒水膜之間的咬合力共同作用下內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值，此后由于水膜的完善、顆粒表面粗糙度的降低、水作為滑動(dòng)介質(zhì)的潤滑作用，內(nèi)摩擦角降低。

3 總結(jié)

土石混合體是一種常用的工程材料，其塊石的含量和含水率對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)有明顯影響，近些年來許多學(xué)者對(duì)于土石混合體抗剪強(qiáng)度做了相關(guān)試驗(yàn)，得出各種不同的結(jié)論，根據(jù)土體的性質(zhì)不同其強(qiáng)度性質(zhì)有明顯差異，本文根據(jù)前人實(shí)驗(yàn)總結(jié)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果加以分析總結(jié)規(guī)律，以期服務(wù)于工程實(shí)踐。

⑴含石量對(duì)于土石混合體的抗剪強(qiáng)度有較為明顯的作用，根據(jù)土石混合體組成特性的不同，可能存在最佳含石量及抗剪強(qiáng)度的最大值點(diǎn)，研究表明當(dāng)含石量小于80%時(shí)，抗剪強(qiáng)度整體隨著含石量的增大而增大，到達(dá)最大值點(diǎn)，后隨著含石量的增大抗剪強(qiáng)度不斷減小。塊石的含量通過改變土石混合體的結(jié)構(gòu)來改變內(nèi)摩擦角與黏聚力進(jìn)而影響抗剪強(qiáng)度，從含石量較低時(shí)的懸浮式結(jié)構(gòu)到含石量較高時(shí)的骨架孔隙式結(jié)構(gòu)，內(nèi)摩擦角與黏聚力的變化有較好的規(guī)律性。隨著含石量的增大，抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角與黏聚力整體呈現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，抗剪強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角數(shù)值變化幅度不大，黏聚力經(jīng)過減?。ㄝ^短）-增大-減小-增大的過程，當(dāng)含石量接近100%時(shí)土石混合體性質(zhì)發(fā)生劇變，黏聚力明顯增大。

⑵含水率對(duì)于土石混合體抗剪強(qiáng)度的影響在含石量高與低時(shí)影響效果不同。土石混合體的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大先緩慢較小后迅速減小最后緩慢減小。當(dāng)含石量較大時(shí)，黏聚力由土粒之間、土粒與塊石之間的作用提供，整體來說規(guī)律性不強(qiáng)，在不同的粘土中呈現(xiàn)不同的規(guī)律。整體趨勢(shì)是含水率超過塑限之后隨著含水率的增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角不斷減小。黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化與粘土的塑限、液限有關(guān)，兩者在塑限左右會(huì)出現(xiàn)最大值，但總體規(guī)律性不強(qiáng)。高含石量時(shí)，黏聚力取到最大值時(shí)的特征含水率為（0.6～0.7）wP；低含石量時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)最大值時(shí)的特征含水率為（0.6～0.8）wP，黏聚力到達(dá)最大值時(shí)，含水率可能會(huì)介于塑限與液限之間。