埋深和水土含量对松散岩堆抗剪强度的影响

陈志敏 易明炀 杨志强 王壹敏

兰州交通大学 土木工程学院， 兰州 730070

松散岩堆是岩块与土体的混合岩土体［1］。岩块和土颗粒的混合特征与松散岩堆的形成条件有直接关系。自然崩塌或地震作用形成过程中，岩块堆积具有一定特征，即堆积体存在时间越短，其架空越明显；土体填充越少，岩堆越松散。松散岩堆黏聚力小，抗剪能力弱，且松散岩堆的裂隙中多为角砾与黏土颗粒。因此，松散岩堆会在开挖、地震、降雨等因素影响下，引起滑坡、崩塌等严重的自然灾害［2］。

对于岩堆体的物理力学特性已经有所研究。柏树田等［3-4］对砂岩、灰岩等硬岩和泥岩、页岩等软岩的力学特性进行研究，得到压实硬岩堆石的内摩擦角与围岩的关系，且软岩堆石料的抗剪强度比硬岩堆石料低。阎宗岭［5］将堆石体的物理力学性质总结成一个较完整的基础理论体系。陈秀吉等［6］通过蠕变试验给出不同密度的软岩堆石料的蠕变规律。孙振远等［7］运用大型三轴试验探究了密度对堆石料流变特性的影响。宋继宏等［8］利用直剪试验得出岩堆体咬合力和摩擦角会随着岩堆密度的增加而增加的规律，并提出岩堆体的土体含水率通常也会对其抗剪强度产生影响。徐则民等［9］对不同埋深下岩体应力特征进行分析。赵占厂等［10］对不同埋深岩体压力性质进行了数值模拟分析。以上研究皆针对一到两个因素对于岩堆体物理力学特性的影响进行研究，而未探索填充土含量、含水率和埋深三种因素对于岩堆体力学特性的影响。

本文依据相似理论［11］，通过对相似材料进行三轴试验，分析填充土的含量和含水率对松散岩堆体宏观强度的影响。

1 试验材料

受试验设备和环境限制，目前研究岩堆体的主要方法有相似级配法、等量代替法、混合法等［12］。针对应变硬化的松散岩堆在取样、运输、保存等方面的局限性，考虑试验的适应性、经济性，对应变硬化的松散岩堆［13］的研究重在揭示各物理量的变化规律。因此，基于相似理论，选择与大多松散岩堆的摩擦角（φμ）、摩擦因数（μ）、堆积密度（ρ）、形状参数（S）和刚度（K）均相似的石英砂构成岩块基本单元。杨家庄、黄山哨等隧道［14-15］勘察揭示，松散岩堆土体多为黏性土，故试验以黏性土作为填充土，用自来水模拟地下水，研究受填充土及其含水率影响的松散岩堆的物理力学特性。松散岩堆中岩块内部含水率在研究中可以忽略，松散岩堆体中的水分主要存在于裂隙、孔隙和填充土中，故该试验忽略石英砂内部水对试验结果的影响。

试验选用棱角分明、粒径1 ～ 5 mm、平均粒径（d）2.75 mm的石英砂，黏性土粒径为0.075 mm。石英砂与黏性土有明显的粒径差。通过对石英砂、黏性土进行密度、含水率测试，直剪试验等，得到石英砂和黏性土的基本物理力学参数，见表1、表2。

表1 黏性土的基本物理力学参数

表2 石英砂的基本物理力学参数

2 试验方案

针对松散岩堆相似材料非整体性、非连续性、非均匀性的特点，采用动静三轴系统开展试验研究，以完整地反映试样受力变形直至破坏的过程。相似材料按照规范设计要求，制成直径39.1 mm、高度80 mm的圆柱体，误差不超过0.05 mm。试样如图1所示。

图1 石英砂试样

随着岩堆埋深增加，岩堆所受正应力增加。为了模拟埋深改变的情况，上部岩堆的天然重度取22 kN/m3。为了方便计算，取岩堆中四处试样，其控制围压分别为50、75、100、125 kPa，模拟埋深相应为2.27、3.41、4.55、5.68 m。对这四组试样进行三轴固结不排水试验［16］，分析应力-应变关系和强度规律。岩堆体自上部到底部有三种结构类型：架空结构（块石占绝大部分，有少量黏土）；填充结构（块石比黏土多，体积比约3∶1）；密实结构（以填充土和小颗粒块石为主的胶结结构）。在岩堆体底部密实结构中可能会出现填充土含量比小颗粒块石含量多的现象，为了方便计算分析，块石和填充土体积比取1∶3。依据上述岩堆结构特点，配置黏性土含量为6%、25%、50%、75%的石英砂。降雨对于岩堆边坡有着不可忽视的影响，基于实际工程调查结果和文献资料，选取5%、12%、19%三种常见的岩堆含水率进行研究。在不同黏性土含量的石英砂中分别填充含水率为5%、12%和19%的土后，分别在埋深为2.27、3.41、4.55、5.68 m时施加对应的围压50、75、100、125 kPa，剪切速率为0.4 mm/min。

试样三轴试验的物理参数见表3。用密度为1.58 g/cm3的石英砂模拟天然状态下的岩堆，再用含量为0 ～ 25%的填充土模拟土体进入岩堆裂隙，此时石英砂质量不发生改变；在填充土含量25% ～ 75%时，模拟土体逐渐分隔岩体，此时石英砂密度会随之增加。由于密度对试验结果有影响，故降低石英砂质量，以消除密度对试验结果的影响。

表3 三轴试样物理参数

本试验依据王龙等［17］对土石混合料的结构分类，填充土含量的确定以含石量、干密度为指标。石英砂天然含水率极小，故本试验不考虑松散岩堆体自身含水率的影响。饱和含水率27%黏性土土体颗粒不能离散到岩块孔隙中，故含水率采用19%。

3 土水含量对岩堆抗剪强度的影响

3.1 松散岩堆相似材料的应力-应变关系和强度规律

松散岩堆相似材料作为一种非连续的特殊岩土体，其极限强度与围压的关系尚不清楚，故采用四组围压设计值，以增加试验分析的精确性。石英砂应力-应变关系曲线见图2。可知，岩堆相似材料作为离散的颗粒体系，其应力-应变关系曲线呈现非线性变化，即偏差应力（σ1-σ3）随着应变（ε）的增大而增加，增加速率随着应变的增大而逐渐减小，最后趋于稳定。在塑性理论中称此为应变硬化。

图2 石英砂应力-应变关系曲线

根据石英砂的应力-应变关系曲线，可以得到石英砂最大偏差应力与围压（σ3）的关系拟合曲线，见图3。可知，石英砂的最大偏差应力与围压符合线性关系。

图3 最大偏差应力与围压关系拟合曲线

根据摩尔-库伦强度理论和土的极限平衡条件，得到式（1），从而求解黏聚力（c）和内摩擦角（φ）。

代入试验数据解得c= 98.6 kPa，φ= 38°，而实际石英砂黏聚力几乎为0。因此，试验得出的黏聚力并不能反映真实石英砂的黏聚力。试验中的黏聚力是陈希哲［18］根据大量粗粒土试验和工程实际提出的特殊内摩擦力和黏聚力，是粗粒土颗粒互相交错镶嵌排列而产生的抗剪切的阻力，也称为咬合力。因此，本文认为黏聚力是由石英砂咬合结构产生的结构性抗剪强度。针对不同含水率下填充土含量分别为6%、25%、50%、75%情况下的三轴试验，得到围压与最大偏差应力的关系，见图4。

图4 不同含水率填充土试样最大偏差应力与围压关系

3.2 填充土含量对岩堆剪切力的影响

石英砂和黏性土对水的敏感程度不同，在分析时尽量采用较低含水率的试验结果，以排除水的干扰，故采用填充土天然含水率6%的试验结果进行分析。根据图4的数据和土的极限平衡条件，得到填充土含量与咬合力、内摩擦角和剪切力的关系曲线，见图5。可知，当填充土含量为0 ～ 10%时，随着填充土含量增加松散岩堆相似材料的咬合力降低，内摩擦角降低，在10%左右到达极值，并不是随着填充土的增加成线性变化。

岩块在不同土含量下的咬合关系见图6。可知，因为填充土改变了岩体之间的接触关系，岩体之间的接触面积减少，从而增加了岩体节理上下面壁沿剪切方向错开不同的位移，形成不同的接触状态以模拟不耦合度的节理，符合文献［19］中峰值剪切强度随错开位移的增加而呈非线性减少的结论。

图6 岩块在不同填充土含量下的咬合关系

当填充土含量在10% ～ 30%时，随着填充土含量增加松散岩堆相似材料的咬合力和内摩擦角显著上升；在填充土含量30%左右，咬合力和内摩擦角达到峰值，咬合力远高于无填充土的强度，内摩擦角达到无填充土岩堆强度。由图6（b）和图6（c）可知，当填充土含量到30%左右，抗剪强度达到峰值。这是因为填充土进入松散岩堆的孔隙，间接增加了松散岩堆体的密度，岩体之间存在的接触关系还未发生本质变化。

当填充土含量为30%以上，松散岩堆相似材料的咬合力和内摩擦角持续减小。填充土含量增加使岩块逐渐处于悬浮状态，土体将岩块包裹，岩块失去接触关系。松散岩堆逐渐变为土，抗剪强度表现出填土的性质。

综上，在天然含水率6%以下，松散岩堆分为两种情况。第一种情况，填充土含量在0 ～ 30%时，土体填充岩体孔隙。含量为0 ～ 10%时，改变了岩堆结构的初始状态，松散岩堆的抗剪强度略微降低。随着填充土含量增加，岩堆孔隙逐渐被填满，抗剪强度快速提高，当围岩压力为100 kPa时最高可提升达1倍；第二种情况，填充土含量在30% ～ 75%时，土体包裹岩体。填充土逐渐使岩体失去接触关系，进而使得松散岩堆的抗剪强度快速降低。

3.3 填充土中水含量对岩堆剪切力的影响

由图4中的数据得到不同填充土含量时含水率与松散岩堆的咬合力、内摩擦角和剪切力（以正应力σ=125 kPa为例）的关系曲线，见图7。

图7 不同填充土含量时含水率与咬合力、内摩擦、剪切力关系曲线

由图7可知，在填充土含量大于30%（松散岩堆孔隙填满），含水率由6%上升到12%时，含水率的增加使岩堆咬合力显著降低。这符合王伟等［20］对于岩堆咬合力降低原理的分析，即黏性土含水率增加会使黏聚力呈倍数减小。当大于最优含水率12%时，含水率的增加主要影响岩堆的内摩擦角。含水率的增加对于松散岩堆咬合力和内摩擦角都有显著降低，在填充土含量分别为25%、50%、75%时，咬合力呈凹形递减，内摩擦角呈凸形递减。但在填充土为6%时，呈凹形递减。填充土含量6%的规律与其他3组存在差异，这可能是因为填充土含量较少，导致松散岩堆中总体含水量过少，岩堆体处于架空结构颗粒间咬合作用较小［21］，因此咬合力和剪切力较小，而随着含水率上升孔隙中逐渐产生结合水，结合水拥有一定抗剪强度，进而导致咬合力和剪切力增加。这属于较为特殊的情况，不影响整体的变化规律。松散岩堆抗剪强度都随着含水率的增加显著下降，但松散岩堆在孔隙填满时受水的影响最严重。

4 埋深和土水含量对岩堆剪切力的影响

单一因素对岩堆抗剪强度的影响分析并不能全面反映填充土的含量和含水量对于岩堆强度的影响。因此，根据埋深为2.27、3.41、4.55、5.68 m的四组试验数据（对应的正应力分别为50、75、100、125 kPa）计算结果，得到在不同埋深下含水率、填土量双重作用对抗剪强度的影响，见图8。可知，在相同填土含量下，含水量始终对岩堆的剪切力有降低作用，且在填充土含量为30%左右时效果最为明显。在相同含水率下，30%的填土量时岩堆剪切力最大，此时填土量增加和减少都会使岩堆的剪切力降低。在填充土的含量和含水量双重影响下，岩堆最低剪切力为152 kPa，最高为373 kPa。这说明松散岩堆的剪切强度有很大的不确定性，对于隧道进口段围岩分级和开挖有很大影响。

图8 不同埋深处含水量、填土量双重作用对抗剪强度的影响

在实际工程中，隧道进口段埋深会影响到抗剪强度的分布和大小，使含水量、填充土含量耦合对岩堆造成复杂影响。当埋深为2.27 m时，最大剪切力为311.7 kPa，随着埋深的增加最大剪切力逐渐增加至372.0 kPa。这种现象不仅仅是在最大剪切力时存在，剪切力都随着埋深的增加而增加，这证明了在同一含水率和填充土含量条件下，剪切力与岩堆埋深是成正比关系的。

综上可知，在埋深变化不大的情况下，整个岩堆的抗剪强度分布没有明显变化，因此埋深不会使得抗剪强度突变。当填充土含量为25%且含水率为6%时，剪切力达到最大；在填充土含量为6%且含水率为19%时，剪切力最小。由此可以确定施工中最适合环境条件的隧道埋深。

将四组数据之间的最大剪切力差值与埋深差值之比进行比较，比值都是17.632 kPa。由此可以得出：在岩堆土重度一定的情况下，抗剪强度随埋深增加而增加，而速率可看作不变，抗剪强度和埋深两者呈线性关系。这可作为实际工程抗剪强度推导的理论依据。

5 结 论

本文研究了填充土含量、含水率和埋深这三种因素对岩堆抗剪强度的影响。先分析单因子对岩堆抗剪强度的影响，再分析填充土含量和含水率耦合作用对抗剪强度的影响，最后在填充土含量和含水量双重作用下研究埋深对抗剪强度的影响。主要结论如下：

1）松散岩堆的抗剪能力根据填充土含量分为两种情况。第一种情况，填充土含量为0～30%时，土体填充岩体孔隙，岩堆的抗剪强度会随着填充土的含量增加显著提高，在低围压时（125 kPa）最大可提高221 kPa，但在初始填充土含量为0～10%时，会因填土改变了岩体的初始状态而略微降低；第二种情况，填充土含量为30% ～ 75%时，土体包裹岩体，这种情况的岩堆抗剪强度会随着填充土含量增加而逐渐降低。

2）松散岩堆的咬合力随含水量增加呈凹形递减，而松散岩堆的内摩擦角随含水量增加呈凸形递减。

3）填充土的含量和含水率对松散岩堆的抗剪强度有影响，对咬合力和内摩擦角起决定性影响，且对咬合力影响程度更大。

4）填土中水对于松散岩堆的剪切力起着削弱作用。松散岩堆的剪切力在填充土含量30%时最大，也是水作用最显著的阶段。当填充土含量为6%时，在含水率从6%增加到12%过程中，岩堆咬合力和剪切力会发生一定程度的增加，这是岩堆咬合特性导致的。

5）岩堆剪切力大小随着埋深的增加而增加，但是不同埋深处岩堆有相同的最佳填充土含量和含水率，可以借此推导其他埋深条件下岩堆的最佳填充土含量和含水率。同时在恒定岩堆土重度情况下，抗剪强度随埋深的增加而增加，两者呈线性关系。