含水率及填充土含量對(duì)松散巖堆體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律

張賡旺 宋嘉杰

（1.蘭州交通大學(xué)，蘭州 730070；2.寧夏寧東鐵路有限公司，銀川 750001）

巖堆是指在陡峻山坡上的巖體經(jīng)過(guò)物理風(fēng)化作用，坍塌堆積在坡腳形成松散的堆積體，其構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，主要由巖塊和填充土構(gòu)成，架空明顯，強(qiáng)度來(lái)源主要是巖塊間的咬合作用。

針對(duì)巖堆體的物理力學(xué)特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一定的研究。文獻(xiàn)［1］以西南地區(qū)某鐵路為研究背景，從顆粒材料力學(xué)出發(fā)，對(duì)松散巖堆體的細(xì)-宏觀強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行了分析；陳建勝［2］對(duì)堆石料進(jìn)行了碾壓試驗(yàn)，對(duì)其在碾壓作用下的密實(shí)程度進(jìn)行了分析；孫向軍［3］等開(kāi)展了堆石料的大型試驗(yàn)，研究了堆石料的級(jí)配變化規(guī)律；文獻(xiàn)［4-5］對(duì)巖堆體的動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行了研究，得出了爆破開(kāi)挖過(guò)程中巖堆體的位移情況；陳秀吉［6］等利用大型壓縮儀，對(duì)不同密度的堆石料進(jìn)行了單軸蠕變?cè)囼?yàn)，得出了堆石料的相對(duì)密度與軸向蠕變應(yīng)變呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；學(xué)者還通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)以及含石量及塊體大小分布的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方法，對(duì)土石混合體的強(qiáng)度和變形特征進(jìn)行了研究；季航宇［7］根據(jù)巖堆體實(shí)際穩(wěn)定性情況進(jìn)行參數(shù)反演，并結(jié)合室內(nèi)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)提出滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度計(jì)算方式；Pipatpongsa［8］研究了重力作用下松散土楔體平面斜坡傾斜的休止角的靜力容許應(yīng)力解問(wèn)題；Chen G［9］等和Ali［10］以國(guó)外不同礦場(chǎng)爆破試驗(yàn)為基礎(chǔ)分析了巖堆體爆破地震波衰減規(guī)律；汪彬［11］等結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，對(duì)巖堆體滑坡的特征、形成機(jī)制進(jìn)行了分析，并提出了具體的施工措施；莊嚴(yán)［12］等結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，對(duì)巖堆體滑坡的特征、形成機(jī)制進(jìn)行了分析，提出了具體的施工措施。綜上所述，目前針對(duì)松散巖堆體物理力學(xué)特性的研究較少，研究結(jié)果不能完全描述巖堆體的特性，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)由于條件限制，無(wú)法多次重復(fù)試驗(yàn)，得到同一影響因素下的試驗(yàn)結(jié)果有所差別，因此還需要更深入的分析。

基于上述研究，本文通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)與相似理論相結(jié)合的方法，對(duì)不同含水率及填充土含量下的試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，并分析了不同含水率、填充土含量對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律，以及松散巖堆體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果可為工程實(shí)踐提供一定的借鑒。

1 巖堆體三軸試驗(yàn)過(guò)程

1.1 基于相似理論的材料選擇

在地質(zhì)歷史進(jìn)程中巖堆體不斷受到物理風(fēng)化等作用，崩解堆積后變成沉積類物質(zhì)。因此，松散巖堆可以簡(jiǎn)化成巖塊和土體的混合體，土的填充直接影響到單個(gè)巖塊咬合作用大小，進(jìn)而影響松散巖堆的強(qiáng)度。為了簡(jiǎn)化分析，將松散巖堆視為由巖塊、土、水3 種基本的材料構(gòu)成的復(fù)合體。根據(jù)前期的調(diào)研結(jié)果，得到巖堆體的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 巖堆體物理力學(xué)參數(shù)表

為符合巖堆巖塊的形狀特征，選取外形自然多樣且具有棱角的石英砂作為巖堆的相似材料。石英砂的形成過(guò)程和物理特性與巖堆體巖塊高度相似，且?guī)r塊中含有石英砂成分，在礦物成分方面也與巖堆體具有相似性。此外，石英砂的主要成分為二氧化硅，是一種廉價(jià)易得、堅(jiān)硬耐磨的材料。填充土體選取粒徑大小為0.075 mm 以下的黏性土，黏性土粒徑須小于巖塊單元粒徑的0.1 倍，才能形成明顯的粒徑差異。考慮到松散巖堆中水的相似性，取自來(lái)水作為模擬水。根據(jù)相似基本定理，將石英砂作為基本巖塊單元組成顆粒體系。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷增加填充土含量和含水量，對(duì)松散巖堆體的力學(xué)行為進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

1.2 相似比的確定

相似理論在實(shí)際應(yīng)用中，要滿足所有相似準(zhǔn)則幾乎是不可能的。因此，根據(jù)巖堆體的物理特性，使樣本滿足主要相似的判據(jù)，能夠突出巖堆體的主要特點(diǎn)。由于巖堆體級(jí)配不良，粒徑差異較大，最大粒徑可達(dá)3～5 m，經(jīng)過(guò)相似比縮小后依然較大，因此采用等量代替法，將超粒徑顆粒等重量的用5 mm 至允許最大粒徑各級(jí)顆粒按照含量加權(quán)平均值代替。通常考慮的相似系數(shù)包括：幾何相似系數(shù)、應(yīng)力相似系數(shù)、應(yīng)變相似系數(shù)、彈性模量相似系數(shù)和密度相似系數(shù)等。綜合考慮試驗(yàn)精度、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)工作量、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、材料獲取的難易程度等方面，確定試驗(yàn)相似比如表2所示。

表2 模型試驗(yàn)相似比表

1.3 試驗(yàn)方案

采用常規(guī)三軸壓縮的應(yīng)力路徑方式，首先在一定的圍壓σ1下對(duì)試樣進(jìn)行各向等壓固結(jié)。然后，在保持σ3不變的情況下，增加軸向應(yīng)力直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的試驗(yàn)結(jié)果要求。試驗(yàn)破壞標(biāo)準(zhǔn)取松散巖堆相似材料的極限強(qiáng)度，應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值時(shí)的應(yīng)力值即為極限強(qiáng)度或峰值強(qiáng)度，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變即為破壞應(yīng)變。

參考試驗(yàn)規(guī)范和相關(guān)研究，同一種條件下每組試驗(yàn)進(jìn)行3 次，取其平均值作為代表結(jié)果。具體試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案表

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 填充土含量對(duì)粘聚力及內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律

隨著填充土含量的增加，不同含水率樣本的粘聚力呈現(xiàn)先略有減小、后大幅增加的趨勢(shì)，且可在填充土含量約為25%時(shí)取到極值。在極值點(diǎn)粘聚力分別為24.1 kPa、35.3 kPa、17.0 kPa，如圖1、圖2所示。當(dāng)填充土含量低于25%時(shí)，隨著填充土含量的增加，粘聚力減小，這是因?yàn)樘畛渫梁枯^低時(shí)，試樣粘聚力的來(lái)源主要是塊石顆粒間的咬合嵌固程度的大小，少量的填充土?xí)档蛪K石顆粒間的咬合力，但影響作用較小。當(dāng)填充土含量低于30%時(shí)，粘聚力隨著填充土含量的增加略微的降低。當(dāng)填充土含量高于30%時(shí)，填充土逐漸包裹住塊石，此時(shí)試樣的粘聚力主要來(lái)源是填充土之間的接觸粘結(jié)，且粘聚力因填充土含量增加而增大的部分大于因塊石顆粒含量減小而減小的部分，粘聚力總體上增加，這也是填充土含量在30%以上時(shí)，粘聚力曲線斜率越來(lái)越大的原因。

圖1 填充土含量與粘聚力關(guān)系曲線圖

圖2 填充土含量與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線圖

內(nèi)摩擦角隨著填充土含量的增加而逐步減小，這是因?yàn)閹r堆體填充土含量較少時(shí)，土顆粒雖不足以填充巖堆體塊石顆粒間的孔隙，但依然有少量的細(xì)顆粒在塊石之間起到潤(rùn)滑的作用，導(dǎo)致巖堆體摩擦角有所下降。隨著填充土含量的不斷增加，塊石顆粒間的潤(rùn)滑作用越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角也不斷減小。

在填充土含量較少的情況下，巖堆體的強(qiáng)度主要來(lái)源于塊石顆粒間的摩擦力。隨著填充土含量的增加，摩擦作用逐漸減小，因此內(nèi)摩擦角也越來(lái)越小。填充土含量較高的情況下，粘聚力主要來(lái)自于填充土間的粘結(jié)作用，而過(guò)多的填充土充滿在塊體顆粒之間，充當(dāng)剪切過(guò)程中的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角較低。隨著填充土含量的降低，填充土的粘結(jié)力逐漸被削弱，大顆粒間的摩擦、咬合作用開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位，所以粘聚力較小，內(nèi)摩擦角增大?？傮w上，隨著巖堆體填充土含量的增加，粘聚力增大，內(nèi)摩擦角減小。

2.2 含水率對(duì)粘聚力及內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律

隨著含水率從5%增加到12%，不同填充土含量試樣的粘聚力均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中，填充土含量為6%的試樣粘聚力增加幅度最大，從24.1 kPa 增加到35.3 kPa，增加幅度46.5%。其次是填充土含量為6%和50%的試樣，其粘聚力增加幅度較小，而填充土含量為75%的試樣的粘聚力增加幅度最小，僅從37.2 kPa 增加到44.5 kPa，增長(zhǎng)幅度19.6%，如圖3、圖4所示。曲線在上升或下降階段，填充土含量為6%的試樣變化幅度最大，這是因?yàn)檎尘哿χ饕杉?xì)顆粒填充土的含量決定。填充土較少時(shí)，較小的含水率變化都會(huì)引起填充土性質(zhì)的變化，因而曲線變化幅度較大。這表明填充土含量較小時(shí)，粘聚力對(duì)含水率的變化比較敏感。在含水率為12%時(shí)，各試樣曲線可取到最大值，分別為40.3 kPa、35.3 kPa、39.8 kPa 和44.50 kPa。含水率在12%到19%之間時(shí)，隨著含水率的增加，粘聚力逐漸降低。在降低過(guò)程中，填充土含量為75%的試樣的粘聚力均大于其他試樣。通過(guò)分析所發(fā)現(xiàn)，含水率小于12%時(shí)，試樣粘聚力主要來(lái)源于填充土的粘結(jié)作用。隨著含水率的增加，試樣達(dá)到最優(yōu)含水率，此時(shí)的粘聚力達(dá)到最大。然而，當(dāng)含水率大于12%后，隨著含水率的不斷增加，水分子在塊石粗顆粒和填充土細(xì)顆粒之間形成一層水膜，起到潤(rùn)滑作用，并填充在空隙之間，擠壓了土顆粒，降低了粘結(jié)性，從而使粘聚力下降。

圖3 含水率與粘聚力關(guān)系曲線圖

圖4 含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線圖

粘聚力是土顆粒間作用力的綜合結(jié)果，主要由細(xì)顆粒土的含量決定。填充土顆粒間的水膜連接和膠結(jié)作用對(duì)粘聚力的大小具有重要作用。較低含水率的膠結(jié)作用較小，因此粘聚力較低，而過(guò)高的含水率充斥在顆粒之間，會(huì)給顆粒一個(gè)膨脹的支撐力，也會(huì)使粘聚力減小。

由圖4 可知，摩擦角的變化規(guī)律始終一致。隨著含水率的增大，內(nèi)摩擦角不斷減小。其中，填充土含量為6%的試樣下降幅度最大，從41.9°降到31.3°，下降幅度為25.3%。填充土含量為25%和50%的試樣次之，75%的下降幅度最小，僅從30.7°減小到27.0°，下降幅度為12.1%。4 條曲線的斜率隨著含水率的增加逐漸降低。含水率較小時(shí)，下降速率快；含水率較大時(shí)，下降速率慢。此外，填充土含量越低，曲線斜率的變化幅度越大，表明內(nèi)摩擦角對(duì)含水率的敏感性越強(qiáng)。

2.3 巖堆體試樣剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律

當(dāng)含水率為5%時(shí)，隨著填充土含量的增加，4 種圍壓下的抗剪強(qiáng)度曲線基本一致，總體呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。圍壓越大，抗剪強(qiáng)度越大，曲線為“凸”型曲線形狀越明顯，表明圍壓越大，抗剪強(qiáng)度隨填充土含量變化的敏感性越大。填充土含量總體上在25%左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)處可取到不同圍壓下抗剪強(qiáng)度的極大值，分別為88.1 kPa、135.3 kPa、200.6 kPa和278.6 kPa，這是因?yàn)榇藭r(shí)的填充土充滿塊石顆粒的間隙，級(jí)配最為優(yōu)良，因此抗剪強(qiáng)度也達(dá)到最大。填充土含量小于25%時(shí)，隨著填充土的增加，抗剪強(qiáng)度隨之增大。圍壓越高，增長(zhǎng)幅度越大。圍壓為400 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度為11.8%。填充土含量大于25%時(shí)，隨著填充土含量的增加，抗剪強(qiáng)度不斷減小，說(shuō)明太少或過(guò)多的填充土含量都會(huì)使巖堆體的抗剪強(qiáng)度減小，剪切強(qiáng)度與填充土含量關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 剪切強(qiáng)度與填充土含量關(guān)系曲線圖

當(dāng)含水率為12%時(shí)，關(guān)系曲線隨填充土含量的增加，且呈現(xiàn)出“凹”型變化，即隨著填充土含量的增加，抗剪強(qiáng)度先減小后增加，且圍壓越大，這種規(guī)律越明顯。填充土含量在35%附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，曲線由減小變成增大。填充土含量小于35%時(shí)，隨著填充土含量的增加，試樣抗剪強(qiáng)度不斷減小，在填充土含量為35%時(shí)，不同圍壓下抗剪強(qiáng)度的取值分別為80.01 kPa、129.4 kPa、176.79 kPa和216.50 kPa。圍壓為400 kPa時(shí)，下降幅度為34.3%，圍壓為100 kPa 時(shí)，下降幅度為20%。填充土含量大于35%時(shí)，隨著填充土含量的增加，試樣抗剪強(qiáng)度隨之增大，圍壓越高，增加幅度越明顯，但總體上抗剪強(qiáng)度增加幅度小于其減小的幅度。

當(dāng)含水率為19%時(shí)，隨著填充土含量的變化，不同圍壓下的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，但依然是圍壓越大，抗剪強(qiáng)度越大。圍壓為300 kPa、400 kPa時(shí)，曲線變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)出填充土含量增加，抗剪強(qiáng)度減小的趨勢(shì)，且曲線減小速率由急劇下降逐漸變平穩(wěn)，斜率不斷減小。圍壓為100 kPa、200 kPa 時(shí)，抗剪強(qiáng)度變化曲線隨填充土含量的增加，表現(xiàn)出先增大后緩慢減小的規(guī)律，曲線在填充土含量小于25%時(shí)，填充土含量增加，抗剪強(qiáng)度隨之增加，在25%附近可取到極大值，分別為87.5 kPa、152.5 kPa。當(dāng)填充土含量大于25%時(shí)，隨著填充土含量的增加，抗剪強(qiáng)度逐漸減小，減小速率也逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。

填充土含量較小時(shí)，試樣抗剪強(qiáng)度主要來(lái)源于粗顆粒之間的咬合、嵌固作用。隨著填充土含量的增加，土顆粒充滿塊石間的空隙，使密實(shí)度變大，達(dá)到最優(yōu)級(jí)配。在這種情況下，顆粒間充分?jǐn)D密，顆粒間的摩擦力增大，且塊石顆粒在剪切帶要發(fā)生滑移或滾動(dòng)所需的能量也最大，因此抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。然而，隨著填充土的不斷增加，塊石的含量不斷減小，填充土細(xì)顆粒填充在粗顆粒之間。在剪切過(guò)程中，這些顆粒起到了潤(rùn)滑作用，減小了塊石顆粒間的摩擦作用，從而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度逐漸減小，但同時(shí)填充土也會(huì)產(chǎn)生一定抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用相似理論進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了填充土含量和含水率對(duì)巖堆體剪切強(qiáng)度和強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)松散巖堆的工程特性，可將巖堆體簡(jiǎn)化成由巖塊、土、水3 種基本的材料構(gòu)成。石英砂的形成過(guò)程和物理特性與巖堆體巖塊具有高度的相似性，且?guī)r塊中含有石英砂成分，在礦物成分方面也與巖堆體具有相似性，可模擬巖堆體巖塊。而填充土體可選取粒徑大小為0.075 mm 以下的黏性土，使其表現(xiàn)出明顯的粒徑差異，以便更好地模擬巖堆體。

（2）隨著填充土含量的增加，不同含水率樣本的粘聚力呈現(xiàn)出先略有減小后大幅度增加的趨勢(shì)，填充土含量在25%左右可取到極值，極值點(diǎn)粘聚力分別為24.1 kPa、35.3 kPa 和17.0 kPa。此外，內(nèi)摩擦角隨著填充土含量的增加逐漸減小，呈近似線性減小關(guān)系。這可能是因?yàn)樵趲r堆體中，填充土含量較少時(shí)，土顆粒無(wú)法完全填充巖堆體塊石顆粒間的孔隙，但仍有少量細(xì)顆粒在塊石之間起到潤(rùn)滑作用，使得摩擦角有所下降。

（3）含水率從5%增加到12%時(shí)，不同填充土試樣粘聚力呈增加趨勢(shì)。其中，填充土含量為25%的試樣的粘聚力增加幅度最大，從24.1 kPa 增加到35.3 kPa，增加幅度46.5%，其次是填充土含量為6%和50%的試樣，填充土含量為75%的試樣粘聚力增加幅度最小，從37.2 kPa 增加到44.5 kPa，增長(zhǎng)幅度19.6%。在含水率為12%時(shí)，各試樣曲線可取到最大值，分別為40.3 kPa、35.3 kPa、39.8 kPa 和44.5 kPa。含水率在12%到19%之間時(shí)，隨著含水率的增加，粘聚力逐漸降低，在降低過(guò)程中填充土含量為6%的試樣均大于其他試樣，且較大粘聚力試樣下降幅度較小。

（4）含水率為5%時(shí)，隨著填充土含量的增加，4 種圍壓下的抗剪強(qiáng)度曲線基本一致，總體上呈先增加后減小的趨勢(shì)。圍壓越大，抗剪強(qiáng)度越大。含水率為12%時(shí)，關(guān)系曲線隨填充圖含量的增加呈現(xiàn)出“凹”型變化，即隨著填充土含量的增加，抗剪強(qiáng)度先減小后增加，且圍壓越大，這種規(guī)律越明顯。當(dāng)含水率為19%時(shí)，隨著填充土含量的變化，不同圍壓下的抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)不同，但仍是圍壓越大，抗剪強(qiáng)度越大。