含石量对软质岩土石混合料土力学特性影响研究

邵忠瑞，罗雪贵，郭娜娜

(1.河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450053,2.贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳 550000)

近年来，随着工程用地的日渐紧张，许多大型建筑物诸如电厂、变电站等已迁移到山区。在山区进行大面积施工的过程中，往往会形成大范围的混合料填方边坡，这种人工边坡的变形破坏模式主要是以剪切破坏为主。而该类混合体的剪切力学特性往往不同于均质土体或岩体，在工程中对其剪切力学特性研究对该类工程具有重大意义。

随着现代岩土力学及各类大规模工程建设的发展，土石混合体作为一种特殊的岩土介质，众多学者对其力学特性的研究逐渐深入。由于土石混合体难以取得原状样，部分学者[1-6]通过重塑样对土石混合体力学特性进行相关研究，也有学者通过原位实验对土石混合体的剪切力学特性进行相关研究[7-9]。上述研究结果均表明含石量对土石混合体力学性能有重要影响：在含石量较低或较高时，土石混合体的剪切强度基本保持不变，而在含石量25%～70%时的内摩擦角随含石量增加而增加，黏聚力随含石量增加而降低。对于土石混合体的研究通常将其定义为强度较大的块石和强度较低的土体，但对于含强度较低的软岩块石(单轴抗压强度小于15 MPa)的土石混合体，其力学性能与含高强度块石混合体相比肯定有所差异，目前对于含软岩土石混合体的研究目前还较少。Roadifer 等[10]对Calaveras坝基的含强风化砂岩(单轴抗压强度为7～20 MPa)混合体进行了颗粒特征及力学特性的研究，研究表明其黏聚力和内摩擦角均随含石量增加而增加。

在实际工程中，由于块石的强度较低或者应力较高会导致土石混合体在变形破坏过程中块石不但会转动、咬合，而且还伴有破碎现象，特别是对于含软岩的土石混合体，XU等[11]在研究中提出土石混合体破坏路径可能会穿过软弱块石，但是限于有限元方法无法验证这一现象。Medley等[12]的研究也表明在含石量较大或者围压较高的情况下，剪切裂缝会穿过块石。邓华锋等[13]在研究中提到在剪切过程中块石破碎、错动、翻转等是应力“跳跃”现象发生的根本原因，而且还发现随着块石含量的增加，这种“跳跃”现象更加明显，但是没有对块石的破碎做出定量的研究。由于块石的破碎对其力学特性会造成影响，所以开展对混合体内块石破碎的研究有着较大的意义。

为了进一步研究含石量对含软岩的土石混合体的力学特性与块石破碎特性的影响，本文以9种不同含石量的土石混合体为对象，基于大型剪切实验研究其剪切强度随含石量的变化规律，通过实验前后对块石的筛分，研究土石混合体含石量与内摩擦角对块石破碎特性的影响。

1 土石混合体物质组成

研究区位于云南省文山州富宁县，为一±500 kV换流站填土边坡，填料主要由含大量不同粒径块石的土石混合料组成。填土呈褐灰色、黄褐色，主要成分为粉质黏土，混杂大量碎石、块石及角砾，碎石主要成分为强风化泥质页岩及灰岩，棱角状，粒径大小不等，最大块石粒径为100 mm。

粉质黏土与强风化泥质页岩的主要物理力学指标如下：通过原位取样获得粉质黏土，测得其天然密度为1.9 g/cm3，比重为2.67，天然含水率为30%；在室内重塑土样，通过直剪实验得到黏土黏聚力为10.7 kPa，内摩擦角为14.7°；将现场土石混合体取样筛分后获得强风化泥质页岩块石，强风化泥质页岩天然密度为2.6 g/cm3，通过点荷载实验得到无侧限抗压强度为4.4 MPa。

本次研究将5 mm粒径以上的颗粒划分为块石[14]，故本次研究中选取粒径大小5～100 mm为块石，并将块石划分为以下6个级配(图1)。

图1 不同粒径强风化泥质页岩Fig.1 Different sizes of strong-weathered argillaceous shale

2 大型直剪实验

研究在土体含水率为天然含水率状态(30%)下不同含石量的土石混合体力学性能与软岩块石破碎性，块石粒径范围在5～100 mm，块石质量含量(WBP)分别为：0%、 20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%。各粒组的块石含量平均分布于WBP中，不同含石量的土石混合体所对应的级配设计如图2所示。试验中通过控制所有试验试样总重量为200 kg来控制试样总体密度，根据试样总重即可计算得到各含石量试样所需土体、水与块石重量。在试样装填时以10 cm分层装填后用橡皮锤人工夯实，装填完成后用核子密度仪量测试样的密度，切实保证同一组4个试样的密度统一。

图2 不同含石量土石混合体块石级配曲线Fig.2 Grading curves of different WBP of S-RM in test

实验采用自行研发的大型剪切实验机，剪切盒为一圆柱体，内径为560 mm，单个剪切盒高度为200 mm，预留剪切缝30 mm。

在上盒中轴线方向由千斤顶施加法向应力，法向加压过程中采用分级加载，共分8级加载，每级加载所需法向应力的1/8，每级加载稳定标准为0.01 mm/h。待法向加压稳定后，安装并调整水平位移计，启动千斤顶施加水平荷载，水平荷载的级差按竖向压力的1/20逐级加载，加载速度控制在每30～40 s内水平位移2 mm左右。待每级荷载施加完毕并保持稳定后，分别记录千斤顶压力及百分表读数(垂直及水平)，读完即施加下一级荷载。当剪切变形急剧增长或剪切变形量超过剪切盒直径的1/10(56 mm)时，方可停止试验。

3 剪切力学特性

3.1 剪应力-位移分析

不同块石含量及不同法向应力条件下土石混合体剪应力-剪切位移曲线如图3所示。

图3 土石混合体剪切应力-位移曲线Fig.3 Curves of the shear stress-displacement of S-RM

(1)土石混合体的块石含量和法向应力在很大程度上影响着其抗剪强度。在相同的法向应力条件下其抗剪强度随着块石含量的增加而增加；在同一含石量下随着法向应力的增加土石混合体的抗剪强度逐渐增加。

(2)土石混合体在弹性变形阶段之后没有明显的剪切应力峰值出现，出现应变硬化的现象，表明土体在进入屈服阶段后混合体剪应力依旧有所升高。这是由于在初始屈服阶段土体先发生破坏，而块石的存在对其继续变形提供了阻力，导致随着剪切变形的继续增加，剪应力仍有所增加。

(3)随着含石量的增加，高含石量混合体剪切强度与应变硬化现象均强于低含石量混合体。这是由于在较低含石量(20%～40%)下，块石之间接触较少，主要悬浮于黏土中，此时混合体的力学性质主要由土体决定；在较高含石量(60%～ 90%)下，混合体内部块石相互接触咬合，其力学性能主要受块石控制。

(4)在高含石量与高法向应力条件下(图2b，c)土石混合体应力-应变曲线出现波动现象，明显可见剪应力在某段出现增量变小的现象。这是由于在高含石量、高应力条件下土石混合体内软岩块石发生破碎，导致块石内应变能的释放，作用在块石上的集中应力突然消散，进而表现为整体剪应力增量减小。

3.2 剪切强度分析

根据直剪试验得到抗剪强度及其参数(图4)，进而得到黏聚力增量Δcp及内摩擦角增量Δφp与含石量P之间的关系(图5)，其关系式下：

Δcp=0.48P-2.32

(1)

(2)

式中：P——含石量；

Δcp，Δφp——对应含石量土石混合体的黏聚力、内摩擦角与土体的黏聚力、内摩擦角的差值。

(1)从黏聚力增量与含石量关系可以看出，黏聚力随含石量增加而线性增长。粗粒土的黏聚力主要来源于块石之间相互嵌固形成的咬合力，随着含石量的增加，块石间咬合力显著增大，基本随含石量线性增长。

图4 不同含石量土石混合体剪切强度Fig.4 Shear strength of S-RM with different WBP

图5 黏聚力增量、内摩擦角增量与含石量关系Fig.5 Increment of cohesive, internal frictional angle vs WBP

(2)从内摩擦角增量与含石量关系可以看出，在含石量为20%～60%范围内，内摩擦角随含石量增加呈线性增长；当含石量小于20%时，土石混合体的内摩擦角接近于土体；当含石量大于60%后，内摩擦角不再有显著变化。这是由于当土石混合体中含石量较低时(20%)，块石在土体中较少有相互接触，此时土石混合体的力学性能与土体接近，主要受土体自身力学性能控制；随着块石的增加(20%～60%)，土石混合体中的块石开始相互接触并咬合，此时土石混合体的内摩擦角会迅速增长；当含石量增长至一定程度时(60%)，块石之间已可以充分接触，块石与块石之间的咬合作用可以充分发挥，此时土石混合体的力学性能主要受块石控制，随着块石的继续增加，内摩擦角也不会再有显著增长。

4 结论

(1)土石混合体的含石量对其宏观力学性质影响较大，混合体应力-应变曲线表现出应变硬化现象，随着含石量的增加，土石混合体剪切强度增加，硬化现象更加显著。由于软岩块石的破碎，高含石量土石混合体的应力-应变曲线会出现波动现象。

(2)土石混合体黏聚力随含石量增加线性增长。土石混合体内摩擦角在含石量为20%以下时基本不变，在含石量为20%～60%时随含石量增加而线性增加，当含石量大于60%时变化较小。