陳志敏 易明煬 楊志強(qiáng) 王壹敏

蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 蘭州 730070

松散巖堆是巖塊與土體的混合巖土體［1］。巖塊和土顆粒的混合特征與松散巖堆的形成條件有直接關(guān)系。自然崩塌或地震作用形成過(guò)程中，巖塊堆積具有一定特征，即堆積體存在時(shí)間越短，其架空越明顯；土體填充越少，巖堆越松散。松散巖堆黏聚力小，抗剪能力弱，且松散巖堆的裂隙中多為角礫與黏土顆粒。因此，松散巖堆會(huì)在開(kāi)挖、地震、降雨等因素影響下，引起滑坡、崩塌等嚴(yán)重的自然災(zāi)害［2］。

對(duì)于巖堆體的物理力學(xué)特性已經(jīng)有所研究。柏樹(shù)田等［3-4］對(duì)砂巖、灰?guī)r等硬巖和泥巖、頁(yè)巖等軟巖的力學(xué)特性進(jìn)行研究，得到壓實(shí)硬巖堆石的內(nèi)摩擦角與圍巖的關(guān)系，且軟巖堆石料的抗剪強(qiáng)度比硬巖堆石料低。閻宗嶺［5］將堆石體的物理力學(xué)性質(zhì)總結(jié)成一個(gè)較完整的基礎(chǔ)理論體系。陳秀吉等［6］通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)給出不同密度的軟巖堆石料的蠕變規(guī)律。孫振遠(yuǎn)等［7］運(yùn)用大型三軸試驗(yàn)探究了密度對(duì)堆石料流變特性的影響。宋繼宏等［8］利用直剪試驗(yàn)得出巖堆體咬合力和摩擦角會(huì)隨著巖堆密度的增加而增加的規(guī)律，并提出巖堆體的土體含水率通常也會(huì)對(duì)其抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響。徐則民等［9］對(duì)不同埋深下巖體應(yīng)力特征進(jìn)行分析。趙占廠等［10］對(duì)不同埋深巖體壓力性質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。以上研究皆針對(duì)一到兩個(gè)因素對(duì)于巖堆體物理力學(xué)特性的影響進(jìn)行研究，而未探索填充土含量、含水率和埋深三種因素對(duì)于巖堆體力學(xué)特性的影響。

本文依據(jù)相似理論［11］，通過(guò)對(duì)相似材料進(jìn)行三軸試驗(yàn)，分析填充土的含量和含水率對(duì)松散巖堆體宏觀強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)材料

受試驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境限制，目前研究巖堆體的主要方法有相似級(jí)配法、等量代替法、混合法等［12］。針對(duì)應(yīng)變硬化的松散巖堆在取樣、運(yùn)輸、保存等方面的局限性，考慮試驗(yàn)的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性，對(duì)應(yīng)變硬化的松散巖堆［13］的研究重在揭示各物理量的變化規(guī)律。因此，基于相似理論，選擇與大多松散巖堆的摩擦角（φμ）、摩擦因數(shù)（μ）、堆積密度（ρ）、形狀參數(shù)（S）和剛度（K）均相似的石英砂構(gòu)成巖塊基本單元。楊家莊、黃山哨等隧道［14-15］勘察揭示，松散巖堆土體多為黏性土，故試驗(yàn)以黏性土作為填充土，用自來(lái)水模擬地下水，研究受填充土及其含水率影響的松散巖堆的物理力學(xué)特性。松散巖堆中巖塊內(nèi)部含水率在研究中可以忽略，松散巖堆體中的水分主要存在于裂隙、孔隙和填充土中，故該試驗(yàn)忽略石英砂內(nèi)部水對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

試驗(yàn)選用棱角分明、粒徑1 ～ 5 mm、平均粒徑（d）2.75 mm的石英砂，黏性土粒徑為0.075 mm。石英砂與黏性土有明顯的粒徑差。通過(guò)對(duì)石英砂、黏性土進(jìn)行密度、含水率測(cè)試，直剪試驗(yàn)等，得到石英砂和黏性土的基本物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1、表2。

表1 黏性土的基本物理力學(xué)參數(shù)

表2 石英砂的基本物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

針對(duì)松散巖堆相似材料非整體性、非連續(xù)性、非均勻性的特點(diǎn)，采用動(dòng)靜三軸系統(tǒng)開(kāi)展試驗(yàn)研究，以完整地反映試樣受力變形直至破壞的過(guò)程。相似材料按照規(guī)范設(shè)計(jì)要求，制成直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體，誤差不超過(guò)0.05 mm。試樣如圖1所示。

圖1 石英砂試樣

隨著巖堆埋深增加，巖堆所受正應(yīng)力增加。為了模擬埋深改變的情況，上部巖堆的天然重度取22 kN/m3。為了方便計(jì)算，取巖堆中四處試樣，其控制圍壓分別為50、75、100、125 kPa，模擬埋深相應(yīng)為2.27、3.41、4.55、5.68 m。對(duì)這四組試樣進(jìn)行三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)［16］，分析應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度規(guī)律。巖堆體自上部到底部有三種結(jié)構(gòu)類型：架空結(jié)構(gòu)（塊石占絕大部分，有少量黏土）；填充結(jié)構(gòu)（塊石比黏土多，體積比約3∶1）；密實(shí)結(jié)構(gòu)（以填充土和小顆粒塊石為主的膠結(jié)結(jié)構(gòu)）。在巖堆體底部密實(shí)結(jié)構(gòu)中可能會(huì)出現(xiàn)填充土含量比小顆粒塊石含量多的現(xiàn)象，為了方便計(jì)算分析，塊石和填充土體積比取1∶3。依據(jù)上述巖堆結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，配置黏性土含量為6%、25%、50%、75%的石英砂。降雨對(duì)于巖堆邊坡有著不可忽視的影響，基于實(shí)際工程調(diào)查結(jié)果和文獻(xiàn)資料，選取5%、12%、19%三種常見(jiàn)的巖堆含水率進(jìn)行研究。在不同黏性土含量的石英砂中分別填充含水率為5%、12%和19%的土后，分別在埋深為2.27、3.41、4.55、5.68 m時(shí)施加對(duì)應(yīng)的圍壓50、75、100、125 kPa，剪切速率為0.4 mm/min。

試樣三軸試驗(yàn)的物理參數(shù)見(jiàn)表3。用密度為1.58 g/cm3的石英砂模擬天然狀態(tài)下的巖堆，再用含量為0 ～ 25%的填充土模擬土體進(jìn)入巖堆裂隙，此時(shí)石英砂質(zhì)量不發(fā)生改變；在填充土含量25% ～ 75%時(shí)，模擬土體逐漸分隔巖體，此時(shí)石英砂密度會(huì)隨之增加。由于密度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，故降低石英砂質(zhì)量，以消除密度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

表3 三軸試樣物理參數(shù)

本試驗(yàn)依據(jù)王龍等［17］對(duì)土石混合料的結(jié)構(gòu)分類，填充土含量的確定以含石量、干密度為指標(biāo)。石英砂天然含水率極小，故本試驗(yàn)不考慮松散巖堆體自身含水率的影響。飽和含水率27%黏性土土體顆粒不能離散到巖塊孔隙中，故含水率采用19%。

3 土水含量對(duì)巖堆抗剪強(qiáng)度的影響

3.1 松散巖堆相似材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度規(guī)律

松散巖堆相似材料作為一種非連續(xù)的特殊巖土體，其極限強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系尚不清楚，故采用四組圍壓設(shè)計(jì)值，以增加試驗(yàn)分析的精確性。石英砂應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖2?？芍?，巖堆相似材料作為離散的顆粒體系，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)非線性變化，即偏差應(yīng)力（σ1-σ3）隨著應(yīng)變（ε）的增大而增加，增加速率隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。在塑性理論中稱此為應(yīng)變硬化。

圖2 石英砂應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)石英砂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，可以得到石英砂最大偏差應(yīng)力與圍壓（σ3）的關(guān)系擬合曲線，見(jiàn)圖3。可知，石英砂的最大偏差應(yīng)力與圍壓符合線性關(guān)系。

圖3 最大偏差應(yīng)力與圍壓關(guān)系擬合曲線

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論和土的極限平衡條件，得到式（1），從而求解黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）。

代入試驗(yàn)數(shù)據(jù)解得c= 98.6 kPa，φ= 38°，而實(shí)際石英砂黏聚力幾乎為0。因此，試驗(yàn)得出的黏聚力并不能反映真實(shí)石英砂的黏聚力。試驗(yàn)中的黏聚力是陳希哲［18］根據(jù)大量粗粒土試驗(yàn)和工程實(shí)際提出的特殊內(nèi)摩擦力和黏聚力，是粗粒土顆粒互相交錯(cuò)鑲嵌排列而產(chǎn)生的抗剪切的阻力，也稱為咬合力。因此，本文認(rèn)為黏聚力是由石英砂咬合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性抗剪強(qiáng)度。針對(duì)不同含水率下填充土含量分別為6%、25%、50%、75%情況下的三軸試驗(yàn)，得到圍壓與最大偏差應(yīng)力的關(guān)系，見(jiàn)圖4。

圖4 不同含水率填充土試樣最大偏差應(yīng)力與圍壓關(guān)系

3.2 填充土含量對(duì)巖堆剪切力的影響

石英砂和黏性土對(duì)水的敏感程度不同，在分析時(shí)盡量采用較低含水率的試驗(yàn)結(jié)果，以排除水的干擾，故采用填充土天然含水率6%的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)和土的極限平衡條件，得到填充土含量與咬合力、內(nèi)摩擦角和剪切力的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5?？芍?dāng)填充土含量為0 ～ 10%時(shí)，隨著填充土含量增加松散巖堆相似材料的咬合力降低，內(nèi)摩擦角降低，在10%左右到達(dá)極值，并不是隨著填充土的增加成線性變化。

巖塊在不同土含量下的咬合關(guān)系見(jiàn)圖6?？芍?，因?yàn)樘畛渫粮淖兞藥r體之間的接觸關(guān)系，巖體之間的接觸面積減少，從而增加了巖體節(jié)理上下面壁沿剪切方向錯(cuò)開(kāi)不同的位移，形成不同的接觸狀態(tài)以模擬不耦合度的節(jié)理，符合文獻(xiàn)［19］中峰值剪切強(qiáng)度隨錯(cuò)開(kāi)位移的增加而呈非線性減少的結(jié)論。

圖6 巖塊在不同填充土含量下的咬合關(guān)系

當(dāng)填充土含量在10% ～ 30%時(shí)，隨著填充土含量增加松散巖堆相似材料的咬合力和內(nèi)摩擦角顯著上升；在填充土含量30%左右，咬合力和內(nèi)摩擦角達(dá)到峰值，咬合力遠(yuǎn)高于無(wú)填充土的強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角達(dá)到無(wú)填充土巖堆強(qiáng)度。由圖6（b）和圖6（c）可知，當(dāng)填充土含量到30%左右，抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值。這是因?yàn)樘畛渫吝M(jìn)入松散巖堆的孔隙，間接增加了松散巖堆體的密度，巖體之間存在的接觸關(guān)系還未發(fā)生本質(zhì)變化。

當(dāng)填充土含量為30%以上，松散巖堆相似材料的咬合力和內(nèi)摩擦角持續(xù)減小。填充土含量增加使巖塊逐漸處于懸浮狀態(tài)，土體將巖塊包裹，巖塊失去接觸關(guān)系。松散巖堆逐漸變?yōu)橥?，抗剪?qiáng)度表現(xiàn)出填土的性質(zhì)。

綜上，在天然含水率6%以下，松散巖堆分為兩種情況。第一種情況，填充土含量在0 ～ 30%時(shí)，土體填充巖體孔隙。含量為0 ～ 10%時(shí)，改變了巖堆結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)，松散巖堆的抗剪強(qiáng)度略微降低。隨著填充土含量增加，巖堆孔隙逐漸被填滿，抗剪強(qiáng)度快速提高，當(dāng)圍巖壓力為100 kPa時(shí)最高可提升達(dá)1倍；第二種情況，填充土含量在30% ～ 75%時(shí)，土體包裹巖體。填充土逐漸使巖體失去接觸關(guān)系，進(jìn)而使得松散巖堆的抗剪強(qiáng)度快速降低。

3.3 填充土中水含量對(duì)巖堆剪切力的影響

由圖4中的數(shù)據(jù)得到不同填充土含量時(shí)含水率與松散巖堆的咬合力、內(nèi)摩擦角和剪切力（以正應(yīng)力σ=125 kPa為例）的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖7。

圖7 不同填充土含量時(shí)含水率與咬合力、內(nèi)摩擦、剪切力關(guān)系曲線

由圖7可知，在填充土含量大于30%（松散巖堆孔隙填滿），含水率由6%上升到12%時(shí)，含水率的增加使巖堆咬合力顯著降低。這符合王偉等［20］對(duì)于巖堆咬合力降低原理的分析，即黏性土含水率增加會(huì)使黏聚力呈倍數(shù)減小。當(dāng)大于最優(yōu)含水率12%時(shí)，含水率的增加主要影響巖堆的內(nèi)摩擦角。含水率的增加對(duì)于松散巖堆咬合力和內(nèi)摩擦角都有顯著降低，在填充土含量分別為25%、50%、75%時(shí)，咬合力呈凹形遞減，內(nèi)摩擦角呈凸形遞減。但在填充土為6%時(shí)，呈凹形遞減。填充土含量6%的規(guī)律與其他3組存在差異，這可能是因?yàn)樘畛渫梁枯^少，導(dǎo)致松散巖堆中總體含水量過(guò)少，巖堆體處于架空結(jié)構(gòu)顆粒間咬合作用較?。?1］，因此咬合力和剪切力較小，而隨著含水率上升孔隙中逐漸產(chǎn)生結(jié)合水，結(jié)合水擁有一定抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致咬合力和剪切力增加。這屬于較為特殊的情況，不影響整體的變化規(guī)律。松散巖堆抗剪強(qiáng)度都隨著含水率的增加顯著下降，但松散巖堆在孔隙填滿時(shí)受水的影響最嚴(yán)重。

4 埋深和土水含量對(duì)巖堆剪切力的影響

單一因素對(duì)巖堆抗剪強(qiáng)度的影響分析并不能全面反映填充土的含量和含水量對(duì)于巖堆強(qiáng)度的影響。因此，根據(jù)埋深為2.27、3.41、4.55、5.68 m的四組試驗(yàn)數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力分別為50、75、100、125 kPa）計(jì)算結(jié)果，得到在不同埋深下含水率、填土量雙重作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，見(jiàn)圖8?？芍?，在相同填土含量下，含水量始終對(duì)巖堆的剪切力有降低作用，且在填充土含量為30%左右時(shí)效果最為明顯。在相同含水率下，30%的填土量時(shí)巖堆剪切力最大，此時(shí)填土量增加和減少都會(huì)使巖堆的剪切力降低。在填充土的含量和含水量雙重影響下，巖堆最低剪切力為152 kPa，最高為373 kPa。這說(shuō)明松散巖堆的剪切強(qiáng)度有很大的不確定性，對(duì)于隧道進(jìn)口段圍巖分級(jí)和開(kāi)挖有很大影響。

圖8 不同埋深處含水量、填土量雙重作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

在實(shí)際工程中，隧道進(jìn)口段埋深會(huì)影響到抗剪強(qiáng)度的分布和大小，使含水量、填充土含量耦合對(duì)巖堆造成復(fù)雜影響。當(dāng)埋深為2.27 m時(shí)，最大剪切力為311.7 kPa，隨著埋深的增加最大剪切力逐漸增加至372.0 kPa。這種現(xiàn)象不僅僅是在最大剪切力時(shí)存在，剪切力都隨著埋深的增加而增加，這證明了在同一含水率和填充土含量條件下，剪切力與巖堆埋深是成正比關(guān)系的。

綜上可知，在埋深變化不大的情況下，整個(gè)巖堆的抗剪強(qiáng)度分布沒(méi)有明顯變化，因此埋深不會(huì)使得抗剪強(qiáng)度突變。當(dāng)填充土含量為25%且含水率為6%時(shí)，剪切力達(dá)到最大；在填充土含量為6%且含水率為19%時(shí)，剪切力最小。由此可以確定施工中最適合環(huán)境條件的隧道埋深。

將四組數(shù)據(jù)之間的最大剪切力差值與埋深差值之比進(jìn)行比較，比值都是17.632 kPa。由此可以得出：在巖堆土重度一定的情況下，抗剪強(qiáng)度隨埋深增加而增加，而速率可看作不變，抗剪強(qiáng)度和埋深兩者呈線性關(guān)系。這可作為實(shí)際工程抗剪強(qiáng)度推導(dǎo)的理論依據(jù)。

5 結(jié) 論

本文研究了填充土含量、含水率和埋深這三種因素對(duì)巖堆抗剪強(qiáng)度的影響。先分析單因子對(duì)巖堆抗剪強(qiáng)度的影響，再分析填充土含量和含水率耦合作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，最后在填充土含量和含水量雙重作用下研究埋深對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響。主要結(jié)論如下：

1）松散巖堆的抗剪能力根據(jù)填充土含量分為兩種情況。第一種情況，填充土含量為0～30%時(shí)，土體填充巖體孔隙，巖堆的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著填充土的含量增加顯著提高，在低圍壓時(shí)（125 kPa）最大可提高221 kPa，但在初始填充土含量為0～10%時(shí)，會(huì)因填土改變了巖體的初始狀態(tài)而略微降低；第二種情況，填充土含量為30% ～ 75%時(shí)，土體包裹巖體，這種情況的巖堆抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著填充土含量增加而逐漸降低。

2）松散巖堆的咬合力隨含水量增加呈凹形遞減，而松散巖堆的內(nèi)摩擦角隨含水量增加呈凸形遞減。

3）填充土的含量和含水率對(duì)松散巖堆的抗剪強(qiáng)度有影響，對(duì)咬合力和內(nèi)摩擦角起決定性影響，且對(duì)咬合力影響程度更大。

4）填土中水對(duì)于松散巖堆的剪切力起著削弱作用。松散巖堆的剪切力在填充土含量30%時(shí)最大，也是水作用最顯著的階段。當(dāng)填充土含量為6%時(shí)，在含水率從6%增加到12%過(guò)程中，巖堆咬合力和剪切力會(huì)發(fā)生一定程度的增加，這是巖堆咬合特性導(dǎo)致的。

5）巖堆剪切力大小隨著埋深的增加而增加，但是不同埋深處巖堆有相同的最佳填充土含量和含水率，可以借此推導(dǎo)其他埋深條件下巖堆的最佳填充土含量和含水率。同時(shí)在恒定巖堆土重度情況下，抗剪強(qiáng)度隨埋深的增加而增加，兩者呈線性關(guān)系。