土、巖及接觸面力學特性研究

馬治國

(中國水電十五局，陜西 西安710068)

寶天高速路段隧道位于陜甘交界的秦嶺山區，地形相對高差較大，山頂海拔一般在1 000～1 400 m之間，為中低山～低山區地貌特征。山區植被稀少，隧道址高程介于629.70～1 035.46 m之間，全線隧道最大埋深294.02 m。路線所經區域屬于黃河流域渭河流域水系，其大部分路段又沿渭河干流布設。土、巖接觸地層是淺埋隧道開挖過程經常遇到的一種地層條件。通過試驗揭示這一地質特征及附近發生顯著的力學特性變化和物理力學性質。

1 實驗內容

根據項目要求及中華人民共和國行業標準《土工試驗規程》(SL237－2001)，對采取的土樣進行了土的基本物理性質、滲透性及剪切強度試驗。所有試驗操作均按水電部頒發的《土工試驗方法標準》GB/T50123—1999進行。

2 基本物理性質測試結果

由試驗確定的土的各項物理性質如表1，黑嶺隧道采取黃土的干重度為 15.65～16.32 kN/m3，砂巖的干密度 20.46～24.08 kN/m3;黃土的天然含水量在 19.22% ～ 20.06%;砂巖的天然含水量在5.58% ～8.01%;黃土的液性指數均小于1，呈堅硬狀態，黃土的塑性指數在10.56～15.57，黃土屬于粉土或粉質粘土，砂巖呈全風化或強風化

表1 土、巖接觸面上覆黃土及砂巖基本物理特性

3 三軸試驗結果

原狀土樣固結不排水三軸剪切試驗結果，表明:1)土在小圍壓50－100kPa下應力達到峰值后隨應變的增加而減小，土產生較為明顯的軟化現象;2)雖在200 kPa也有軟化現象產生，當固結壓力為300 kPa時，具有明顯的硬化現象。3)由于原狀土存在結構性，隨著較弱結構單元的變形破壞，較強結構單元的強度將逐漸發揮出來，不論是應變軟化曲線還是以應變硬化曲線，在剪切過程中表現出抗剪應力的跳躍性增長。4)固結圍壓在50～200 kPa之間變化時，盡管固結圍壓增長明顯，但由于原狀結構性的存在，不同固結圍壓下土的主應力差的最大值相差不多，而當固結圍壓達300 kPa時，應力應變性質發生了改變，這說明了土的結構屈服應力在200～300 kPa之間。土體上層覆蓋應屬于中淺層覆蓋，這也與采樣土體的實際情況也相符。

飽和重塑土的應力應變曲線表明，由于重塑土是將原狀土樣天然結構破壞后過2 mm篩，并以天然干密度為控制條件制備配的，盡管密實度與原狀樣一致，但其原有的膠結作用已被破壞，吸力作用消失，因此土體所表現出來的力學特性與原狀土樣也就具有很大的差異。一是不同圍壓下飽和重塑黃土的應力應變曲線均呈雙曲線形態，即使在較小的固結圍壓(50 kPa)下土樣已具有很明顯的硬化特征，且隨著固結圍壓的增大，土所表現出的抗剪切強度也在增大。二是由于剪切過程中不排水，雖在固結時土樣內孔壓消散為零，但在剪切開始后，孔壓隨著軸向應變的增大而增大，且固結圍壓越大，孔壓增加量也就越大。三是與原狀土樣不排水剪切應力應變曲線比較，低圍壓下應力應變曲線沒有軟化特征，原狀土的抗剪切強度明顯大于飽和重塑土樣的抗剪強度。

天然黃土覆蓋層下伏的砂巖盡管密實度大，但風化嚴重，易碎散，難以采取原狀樣，因此，采取擾動樣，在室內制備重塑樣來近似確定全風化砂巖的變形特性參數。制備砂樣的干密度為16.08 kN/m3，重塑砂土樣應力—應變曲線的測試結果可以看出，不同圍壓下應力應變曲線均呈硬化型，隨著固結圍壓增大，破壞時土的抗剪切強度在不斷增大。在50～100 kPa的圍壓下，土在不排水剪切作用下，孔壓隨著應變的增長而出現負值，也就是說土樣由于剪應力引起顆粒間相互位置的變化，加大了砂土顆粒間的孔隙，體積也就隨著剪切過程增大，出現剪脹現象，可以看到較為明顯的剪切帶;固結圍壓在200 kPa、300 kPa時，不排水剪切過程中土中孔隙水壓力在不斷增長，呈剪縮性狀。將原狀土樣擾動后，控制與原狀土相同的干密度，采用壓樣法制備成重塑土樣，然后飽和，進行固結不排水三軸剪切試驗。根據破壞應變條件下的應力狀態繪制莫爾應力圓，確定強度包線及其相應的強度指標。

依據飽和重塑土的固結不排水三軸試驗結果可以看到，土的強度參數與原狀土樣有較大的區別，內摩擦角小值均值由21.180降低到18.340，粘聚力的小值均值由55.7 kPa降低至20.54 kPa。土強度指標的變化與原狀土樣重塑結構破壞關系密切。這是由于土原狀結構被破壞后，制備成的重塑土土粒間的膠結連接被破壞，孔隙分布均勻，且土樣飽和后含水狀態發生變化，粒間吸力消失。一方面膠結作用破壞、吸力作用消失;另一方面原狀土中存在的結構單元形成的團粒、凝塊碎散，因此，飽和重塑土的摩擦角及粘聚力均小于原狀土的強度指標。

全風化砂巖擾動重塑后，控制干密度(16.08 kN/m3)制備砂樣的三軸剪切試驗結果得到的莫爾應力圓及強度包線如圖2.53所示。重塑砂土的粘聚力為24 kPa，摩擦角為38°。由于砂土干容重較實際全風化砂巖的干容重(22.27 kN/m3)小得多，因此，實際全風化砂巖的強度指標，尤其是粘聚力較測試結果可能要大許多。

依據各組原狀土及重塑土不同固結圍壓下破壞應變時的主應力差，分別求其均值及小值均值，如表2.10所示。繪制莫爾應力圓及其強度包線，分別確定得到了原狀土固結不排水條件下均值強度的粘聚力138 kPa和摩擦角15°，以及小值均值強度的粘聚力115 kPa和摩擦角15°;飽和重塑土固結不排水均值強度的粘聚力15 kPa和摩擦角18.7°，以及小值均值強度的粘聚力20 kPa和摩擦角15.3°。同樣表明飽和重塑土較原狀土的粘聚力有較大的減小，摩擦角較接近。也說明原狀土結構性的喪失主要是其粘聚力的減小。與前述強度指標的小值均值比較，對于原狀土，前者的粘聚力較后者小，摩擦角較后者的大;對于重塑土，兩者的粘聚力基本一致，前者的摩擦角較后者大。

圖2.53 重塑砂土的抗剪強度包線

巖土工程問題分析中簡單實用的彈塑性模型為D－P模型，前述的強度指標可以用來確定模型的屈服面，在剪切變形未出現塑性屈服以前，材料呈彈性變形。因此，還需要確定土的彈性變形參數。一般，可以將土應力應變曲線的初始剪切模量E0視為彈性模量。原狀土在不同固結圍壓下應力應變曲線在原點的切線斜率如表2.11所示，除黑嶺5號樣之外，隨著固結圍壓增大，土的初始切線模量逐漸減小。由于初始切線模量較大，隨著剪切應力水平的發展，難以反映土實際的非線性剪切變形，因此人們將剪應力達最大值50%的割線模量(表示為E50)代替彈性模量，引入D－P模型進行應力應變分析。原狀土在不同固結圍壓下應力應變曲線在剪應力達最大值50%的割線模量。同樣，除黑嶺5號樣之外，隨著固結圍壓增大，各土樣的E50逐漸減小。將不同固結圍壓下的E0和E50均取均值或者小值均值，它們也隨固結圍壓的增大而減小。由此表明，盡管隨著固結圍壓增大，土的抗剪強度在逐漸增大，但由于固結圍壓的作用，壓縮破壞了部分結構單元，圍壓越大破壞的結構單元越多，土樣宏觀上表現為剛度逐漸降低。

為了揭示土、巖接觸面上的強度特性，在直接剪切儀的下盒制備全風化砂巖，上盒制備重塑黃土樣，同時考慮接觸面上黃土可能存在的增濕變化，進行了不同濕度上覆黃土的接觸面剪切測試。上覆黃土含水量為15%時，接觸面的摩擦角為5.85°，粘聚力為 190.8 kPa;上覆黃土含水量為 23%時，接觸面的摩擦角為 6.81°，粘聚力為31.9 kPa;上覆黃土含水量為26%時，接觸面的摩擦角為9.91°，粘聚力為38.9 kPa。表明含水量變化對土、巖接觸面的粘聚特性有顯著影響，含水量較低時，黃土與模擬砂巖有較強的粘結作用;含水量較高時，黃土與模擬砂巖的粘結作用較弱。與相同含水量的重塑黃土比較，土、巖接觸面主要依賴于軟弱介質的強度特性;土、巖接觸面易形成剪切滑動面，其摩擦作用明顯減小。

為了揭示土的壓縮變形特性，選擇其中黑嶺－1號、黑嶺－2號土樣進行壓縮試驗，測試得到了e～p曲線和e～log p曲線，確定得到了不同壓縮應力增量段的壓縮系數、壓縮模量及回彈模量，黑嶺－1號土樣的壓縮指數為0.222 2，回彈指數為0.006 4;黑嶺 －2號土樣的壓縮指數為0.216 7，回彈指數為 0.005 4。

通過現場波速法可以測得小應變波動在巖土介質中傳播的縱波和橫波，其測試原理就是根據測得的震源與接收器之間的距離及波(剪切波或壓縮波)到達接收點的時間算出波速cs(cp)，之后再求取彈性模量。彈性參數的計算如式2－10、2 －11、2 －12。

測試波速及彈性參數計算結果見表2.14－表2.15所示，與三軸試驗測試的初始模量比較，依據波速確定的彈性模量接近于低圍壓下的初始剪切模量，這是由于低壓縮應力引起土結構的破損程度較小。因此，基于波速確定的彈性參數反映了原狀黃土結構性未遭受改變時的力學特性。兩座隧道上覆黃土及下伏砂巖的彈性參數比較接近，屬于同一個數量級。

表2.14 槐樹嶺隧道不同地層的彈性參數表

表2.15 黑嶺隧道不同地層的彈性參數表

4 結論

土、巖接觸地層是淺埋隧道開挖過程經常遇到的一種地層條件。從試驗結果可以看到這一地質特征使得隧道圍巖在土、巖接觸面附近發生顯著的力學特性變化。

通過對上覆黃土的基本物理特性研究、室內常規三軸剪切試驗、室內直剪試驗及固結試驗，對于上覆黃土的土、巖接觸面的物理力學性質有以下認識:

1)土、巖接觸面易形成剪切破壞面，接觸面的剪切強度主要取決于軟弱黃土的強度特性。

2)隨著土、巖接觸面處上覆黃土含水量的增加，接觸面的粘聚力顯著減小;摩擦角衰減較小，但較黃土的摩擦角小。

3)土、巖接觸面處兩種介質的含水量差異較大，黃土的天然含水量均值19.74%，全風化砂巖的天然含水量均值6.79%。可見，全風化砂有顯著地阻水作用，一旦有水浸入時，易形成滯水層。

4)飽和重塑黃土與原狀黃土比較，由于擾動重塑及飽和作用，土的結構性基本喪失，土的粘聚力顯著減小;土的變形參數也顯著減小。因此，考慮浸水入滲引起含水量增大造成黃土圍巖變形發展是非常必要的。

5)測試確定了D－P模型及劍橋模型相關的參數。