埋深和水土含量對松散巖堆抗剪強度的影響

陳志敏 易明煬 楊志強 王壹敏

蘭州交通大學 土木工程學院， 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系。自然崩塌或地震作用形成過程中，巖塊堆積具有一定特征，即堆積體存在時間越短，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，松散巖堆會在開挖、地震、降雨等因素影響下，引起滑坡、崩塌等嚴重的自然災害［2］。

對于巖堆體的物理力學特性已經有所研究。柏樹田等［3-4］對砂巖、灰巖等硬巖和泥巖、頁巖等軟巖的力學特性進行研究，得到壓實硬巖堆石的內摩擦角與圍巖的關系，且軟巖堆石料的抗剪強度比硬巖堆石料低。閻宗嶺［5］將堆石體的物理力學性質總結成一個較完整的基礎理論體系。陳秀吉等［6］通過蠕變試驗給出不同密度的軟巖堆石料的蠕變規律。孫振遠等［7］運用大型三軸試驗探究了密度對堆石料流變特性的影響。宋繼宏等［8］利用直剪試驗得出巖堆體咬合力和摩擦角會隨著巖堆密度的增加而增加的規律，并提出巖堆體的土體含水率通常也會對其抗剪強度產生影響。徐則民等［9］對不同埋深下巖體應力特征進行分析。趙占廠等［10］對不同埋深巖體壓力性質進行了數值模擬分析。以上研究皆針對一到兩個因素對于巖堆體物理力學特性的影響進行研究，而未探索填充土含量、含水率和埋深三種因素對于巖堆體力學特性的影響。

本文依據相似理論［11］，通過對相似材料進行三軸試驗，分析填充土的含量和含水率對松散巖堆體宏觀強度的影響。

1 試驗材料

受試驗設備和環境限制，目前研究巖堆體的主要方法有相似級配法、等量代替法、混合法等［12］。針對應變硬化的松散巖堆在取樣、運輸、保存等方面的局限性，考慮試驗的適應性、經濟性，對應變硬化的松散巖堆［13］的研究重在揭示各物理量的變化規律。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（μ）、堆積密度（ρ）、形狀參數（S）和剛度（K）均相似的石英砂構成巖塊基本單元。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，故試驗以黏性土作為填充土，用自來水模擬地下水，研究受填充土及其含水率影響的松散巖堆的物理力學特性。松散巖堆中巖塊內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，故該試驗忽略石英砂內部水對試驗結果的影響。

試驗選用棱角分明、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。通過對石英砂、黏性土進行密度、含水率測試，直剪試驗等，得到石英砂和黏性土的基本物理力學參數，見表1、表2。

表1 黏性土的基本物理力學參數

表2 石英砂的基本物理力學參數

2 試驗方案

針對松散巖堆相似材料非整體性、非連續性、非均勻性的特點，采用動靜三軸系統開展試驗研究，以完整地反映試樣受力變形直至破壞的過程。相似材料按照規范設計要求，制成直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體，誤差不超過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，模擬埋深相應為2.27、3.41、4.55、5.68 m。對這四組試樣進行三軸固結不排水試驗［16］，分析應力-應變關系和強度規律。巖堆體自上部到底部有三種結構類型：架空結構（塊石占絕大部分，有少量黏土）；填充結構（塊石比黏土多，體積比約3∶1）；密實結構（以填充土和小顆粒塊石為主的膠結結構）。在巖堆體底部密實結構中可能會出現填充土含量比小顆粒塊石含量多的現象，為了方便計算分析，塊石和填充土體積比取1∶3。依據上述巖堆結構特點，配置黏性土含量為6%、25%、50%、75%的石英砂。降雨對于巖堆邊坡有著不可忽視的影響，基于實際工程調查結果和文獻資料，選取5%、12%、19%三種常見的巖堆含水率進行研究。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時施加對應的圍壓50、75、100、125 kPa，剪切速率為0.4 mm/min。

試樣三軸試驗的物理參數見表3。用密度為1.58 g/cm3的石英砂模擬天然狀態下的巖堆，再用含量為0 ～ 25%的填充土模擬土體進入巖堆裂隙，此時石英砂質量不發生改變；在填充土含量25% ～ 75%時，模擬土體逐漸分隔巖體，此時石英砂密度會隨之增加。由于密度對試驗結果有影響，故降低石英砂質量，以消除密度對試驗結果的影響。

表3 三軸試樣物理參數

本試驗依據王龍等［17］對土石混合料的結構分類，填充土含量的確定以含石量、干密度為指標。石英砂天然含水率極小，故本試驗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 土水含量對巖堆抗剪強度的影響

3.1 松散巖堆相似材料的應力-應變關系和強度規律

松散巖堆相似材料作為一種非連續的特殊巖土體，其極限強度與圍壓的關系尚不清楚，故采用四組圍壓設計值，以增加試驗分析的精確性。石英砂應力-應變關系曲線見圖2?？芍?，巖堆相似材料作為離散的顆粒體系，其應力-應變關系曲線呈現非線性變化，即偏差應力（σ1-σ3）隨著應變（ε）的增大而增加，增加速率隨著應變的增大而逐漸減小，最后趨于穩定。在塑性理論中稱此為應變硬化。

圖2 石英砂應力-應變關系曲線

根據石英砂的應力-應變關系曲線，可以得到石英砂最大偏差應力與圍壓（σ3）的關系擬合曲線，見圖3?？芍?，石英砂的最大偏差應力與圍壓符合線性關系。

圖3 最大偏差應力與圍壓關系擬合曲線

根據摩爾-庫倫強度理論和土的極限平衡條件，得到式（1），從而求解黏聚力（c）和內摩擦角（φ）。

代入試驗數據解得c= 98.6 kPa，φ= 38°，而實際石英砂黏聚力幾乎為0。因此，試驗得出的黏聚力并不能反映真實石英砂的黏聚力。試驗中的黏聚力是陳希哲［18］根據大量粗粒土試驗和工程實際提出的特殊內摩擦力和黏聚力，是粗粒土顆?；ハ嘟诲e鑲嵌排列而產生的抗剪切的阻力，也稱為咬合力。因此，本文認為黏聚力是由石英砂咬合結構產生的結構性抗剪強度。針對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，得到圍壓與最大偏差應力的關系，見圖4。

圖4 不同含水率填充土試樣最大偏差應力與圍壓關系

3.2 填充土含量對巖堆剪切力的影響

石英砂和黏性土對水的敏感程度不同，在分析時盡量采用較低含水率的試驗結果，以排除水的干擾，故采用填充土天然含水率6%的試驗結果進行分析。根據圖4的數據和土的極限平衡條件，得到填充土含量與咬合力、內摩擦角和剪切力的關系曲線，見圖5?？芍?，當填充土含量為0 ～ 10%時，隨著填充土含量增加松散巖堆相似材料的咬合力降低，內摩擦角降低，在10%左右到達極值，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系見圖6?？芍?，因為填充土改變了巖體之間的接觸關系，巖體之間的接觸面積減少，從而增加了巖體節理上下面壁沿剪切方向錯開不同的位移，形成不同的接觸狀態以模擬不耦合度的節理，符合文獻［19］中峰值剪切強度隨錯開位移的增加而呈非線性減少的結論。

圖6 巖塊在不同填充土含量下的咬合關系

當填充土含量在10% ～ 30%時，隨著填充土含量增加松散巖堆相似材料的咬合力和內摩擦角顯著上升；在填充土含量30%左右，咬合力和內摩擦角達到峰值，咬合力遠高于無填充土的強度，內摩擦角達到無填充土巖堆強度。由圖6（b）和圖6（c）可知，當填充土含量到30%左右，抗剪強度達到峰值。這是因為填充土進入松散巖堆的孔隙，間接增加了松散巖堆體的密度，巖體之間存在的接觸關系還未發生本質變化。

當填充土含量為30%以上，松散巖堆相似材料的咬合力和內摩擦角持續減小。填充土含量增加使巖塊逐漸處于懸浮狀態，土體將巖塊包裹，巖塊失去接觸關系。松散巖堆逐漸變為土，抗剪強度表現出填土的性質。

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，土體填充巖體孔隙。含量為0 ～ 10%時，改變了巖堆結構的初始狀態，松散巖堆的抗剪強度略微降低。隨著填充土含量增加，巖堆孔隙逐漸被填滿，抗剪強度快速提高，當圍巖壓力為100 kPa時最高可提升達1倍；第二種情況，填充土含量在30% ～ 75%時，土體包裹巖體。填充土逐漸使巖體失去接觸關系，進而使得松散巖堆的抗剪強度快速降低。

3.3 填充土中水含量對巖堆剪切力的影響

由圖4中的數據得到不同填充土含量時含水率與松散巖堆的咬合力、內摩擦角和剪切力（以正應力σ=125 kPa為例）的關系曲線，見圖7。

圖7 不同填充土含量時含水率與咬合力、內摩擦、剪切力關系曲線

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，含水率的增加使巖堆咬合力顯著降低。這符合王偉等［20］對于巖堆咬合力降低原理的分析，即黏性土含水率增加會使黏聚力呈倍數減小。當大于最優含水率12%時，含水率的增加主要影響巖堆的內摩擦角。含水率的增加對于松散巖堆咬合力和內摩擦角都有顯著降低，在填充土含量分別為25%、50%、75%時，咬合力呈凹形遞減，內摩擦角呈凸形遞減。但在填充土為6%時，呈凹形遞減。填充土含量6%的規律與其他3組存在差異，這可能是因為填充土含量較少，導致松散巖堆中總體含水量過少，巖堆體處于架空結構顆粒間咬合作用較?。?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生結合水，結合水擁有一定抗剪強度，進而導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律。松散巖堆抗剪強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受水的影響最嚴重。

4 埋深和土水含量對巖堆剪切力的影響

單一因素對巖堆抗剪強度的影響分析并不能全面反映填充土的含量和含水量對于巖堆強度的影響。因此，根據埋深為2.27、3.41、4.55、5.68 m的四組試驗數據（對應的正應力分別為50、75、100、125 kPa）計算結果，得到在不同埋深下含水率、填土量雙重作用對抗剪強度的影響，見圖8?？芍?，在相同填土含量下，含水量始終對巖堆的剪切力有降低作用，且在填充土含量為30%左右時效果最為明顯。在相同含水率下，30%的填土量時巖堆剪切力最大，此時填土量增加和減少都會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。這說明松散巖堆的剪切強度有很大的不確定性，對于隧道進口段圍巖分級和開挖有很大影響。

圖8 不同埋深處含水量、填土量雙重作用對抗剪強度的影響

在實際工程中，隧道進口段埋深會影響到抗剪強度的分布和大小，使含水量、填充土含量耦合對巖堆造成復雜影響。當埋深為2.27 m時，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。這種現象不僅僅是在最大剪切力時存在，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系的。

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

將四組數據之間的最大剪切力差值與埋深差值之比進行比較，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，抗剪強度隨埋深增加而增加，而速率可看作不變，抗剪強度和埋深兩者呈線性關系。這可作為實際工程抗剪強度推導的理論依據。

5 結 論

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

1）松散巖堆的抗剪能力根據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，土體填充巖體孔隙，巖堆的抗剪強度會隨著填充土的含量增加顯著提高，在低圍壓時（125 kPa）最大可提高221 kPa，但在初始填充土含量為0～10%時，會因填土改變了巖體的初始狀態而略微降低；第二種情況，填充土含量為30% ～ 75%時，土體包裹巖體，這種情況的巖堆抗剪強度會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松散巖堆的抗剪強度有影響，對咬合力和內摩擦角起決定性影響，且對咬合力影響程度更大。

4）填土中水對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%時最大，也是水作用最顯著的階段。當填充土含量為6%時，在含水率從6%增加到12%過程中，巖堆咬合力和剪切力會發生一定程度的增加，這是巖堆咬合特性導致的。

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，可以借此推導其他埋深條件下巖堆的最佳填充土含量和含水率。同時在恒定巖堆土重度情況下，抗剪強度隨埋深的增加而增加，兩者呈線性關系。