含水率及填充土含量對松散巖堆體抗剪強度的影響規律

張賡旺 宋嘉杰

（1.蘭州交通大學，蘭州 730070；2.寧夏寧東鐵路有限公司，銀川 750001）

巖堆是指在陡峻山坡上的巖體經過物理風化作用，坍塌堆積在坡腳形成松散的堆積體，其構造較為簡單，主要由巖塊和填充土構成，架空明顯，強度來源主要是巖塊間的咬合作用。

針對巖堆體的物理力學特性，國內外學者開展了一定的研究。文獻［1］以西南地區某鐵路為研究背景，從顆粒材料力學出發，對松散巖堆體的細-宏觀強度關系進行了分析；陳建勝［2］對堆石料進行了碾壓試驗，對其在碾壓作用下的密實程度進行了分析；孫向軍［3］等開展了堆石料的大型試驗，研究了堆石料的級配變化規律；文獻［4-5］對巖堆體的動力響應特征進行了研究，得出了爆破開挖過程中巖堆體的位移情況；陳秀吉［6］等利用大型壓縮儀，對不同密度的堆石料進行了單軸蠕變試驗，得出了堆石料的相對密度與軸向蠕變應變呈負相關關系；學者還通過室內試驗以及含石量及塊體大小分布的現場調查方法，對土石混合體的強度和變形特征進行了研究；季航宇［7］根據巖堆體實際穩定性情況進行參數反演，并結合室內抗剪強度試驗提出滑動面的抗剪強度計算方式；Pipatpongsa［8］研究了重力作用下松散土楔體平面斜坡傾斜的休止角的靜力容許應力解問題；Chen G［9］等和Ali［10］以國外不同礦場爆破試驗為基礎分析了巖堆體爆破地震波衰減規律；汪彬［11］等結合地質調查，對巖堆體滑坡的特征、形成機制進行了分析，并提出了具體的施工措施；莊嚴［12］等結合地質調查，對巖堆體滑坡的特征、形成機制進行了分析，提出了具體的施工措施。綜上所述，目前針對松散巖堆體物理力學特性的研究較少，研究結果不能完全描述巖堆體的特性，而現場試驗由于條件限制，無法多次重復試驗，得到同一影響因素下的試驗結果有所差別，因此還需要更深入的分析。

基于上述研究，本文通過室內三軸試驗與相似理論相結合的方法，對不同含水率及填充土含量下的試樣進行剪切試驗，并分析了不同含水率、填充土含量對強度參數的影響規律，以及松散巖堆體的應力應變關系。試驗結果可為工程實踐提供一定的借鑒。

1 巖堆體三軸試驗過程

1.1 基于相似理論的材料選擇

在地質歷史進程中巖堆體不斷受到物理風化等作用，崩解堆積后變成沉積類物質。因此，松散巖堆可以簡化成巖塊和土體的混合體，土的填充直接影響到單個巖塊咬合作用大小，進而影響松散巖堆的強度。為了簡化分析，將松散巖堆視為由巖塊、土、水3 種基本的材料構成的復合體。根據前期的調研結果，得到巖堆體的基本性質如表1所示。

表1 巖堆體物理力學參數表

為符合巖堆巖塊的形狀特征，選取外形自然多樣且具有棱角的石英砂作為巖堆的相似材料。石英砂的形成過程和物理特性與巖堆體巖塊高度相似，且巖塊中含有石英砂成分，在礦物成分方面也與巖堆體具有相似性。此外，石英砂的主要成分為二氧化硅，是一種廉價易得、堅硬耐磨的材料。填充土體選取粒徑大小為0.075 mm 以下的黏性土，黏性土粒徑須小于巖塊單元粒徑的0.1 倍，才能形成明顯的粒徑差異。考慮到松散巖堆中水的相似性，取自來水作為模擬水。根據相似基本定理，將石英砂作為基本巖塊單元組成顆粒體系。在此基礎上，通過不斷增加填充土含量和含水量，對松散巖堆體的力學行為進行模擬試驗。

1.2 相似比的確定

相似理論在實際應用中，要滿足所有相似準則幾乎是不可能的。因此，根據巖堆體的物理特性，使樣本滿足主要相似的判據，能夠突出巖堆體的主要特點。由于巖堆體級配不良，粒徑差異較大，最大粒徑可達3～5 m，經過相似比縮小后依然較大，因此采用等量代替法，將超粒徑顆粒等重量的用5 mm 至允許最大粒徑各級顆粒按照含量加權平均值代替。通常考慮的相似系數包括：幾何相似系數、應力相似系數、應變相似系數、彈性模量相似系數和密度相似系數等。綜合考慮試驗精度、試驗條件、試驗工作量、經濟指標、材料獲取的難易程度等方面，確定試驗相似比如表2所示。

表2 模型試驗相似比表

1.3 試驗方案

采用常規三軸壓縮的應力路徑方式，首先在一定的圍壓σ1下對試樣進行各向等壓固結。然后，在保持σ3不變的情況下，增加軸向應力直至達到預先設定的試驗結果要求。試驗破壞標準取松散巖堆相似材料的極限強度，應力-應變曲線達到峰值時的應力值即為極限強度或峰值強度，所對應的應變即為破壞應變。

參考試驗規范和相關研究，同一種條件下每組試驗進行3 次，取其平均值作為代表結果。具體試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案表

2 試驗結果和分析

2.1 填充土含量對粘聚力及內摩擦角的影響規律

隨著填充土含量的增加，不同含水率樣本的粘聚力呈現先略有減小、后大幅增加的趨勢，且可在填充土含量約為25%時取到極值。在極值點粘聚力分別為24.1 kPa、35.3 kPa、17.0 kPa，如圖1、圖2所示。當填充土含量低于25%時，隨著填充土含量的增加，粘聚力減小，這是因為填充土含量較低時，試樣粘聚力的來源主要是塊石顆粒間的咬合嵌固程度的大小，少量的填充土會降低塊石顆粒間的咬合力，但影響作用較小。當填充土含量低于30%時，粘聚力隨著填充土含量的增加略微的降低。當填充土含量高于30%時，填充土逐漸包裹住塊石，此時試樣的粘聚力主要來源是填充土之間的接觸粘結，且粘聚力因填充土含量增加而增大的部分大于因塊石顆粒含量減小而減小的部分，粘聚力總體上增加，這也是填充土含量在30%以上時，粘聚力曲線斜率越來越大的原因。

圖1 填充土含量與粘聚力關系曲線圖

圖2 填充土含量與內摩擦角關系曲線圖

內摩擦角隨著填充土含量的增加而逐步減小，這是因為巖堆體填充土含量較少時，土顆粒雖不足以填充巖堆體塊石顆粒間的孔隙，但依然有少量的細顆粒在塊石之間起到潤滑的作用，導致巖堆體摩擦角有所下降。隨著填充土含量的不斷增加，塊石顆粒間的潤滑作用越來越強，導致內摩擦角也不斷減小。

在填充土含量較少的情況下，巖堆體的強度主要來源于塊石顆粒間的摩擦力。隨著填充土含量的增加，摩擦作用逐漸減小，因此內摩擦角也越來越小。填充土含量較高的情況下，粘聚力主要來自于填充土間的粘結作用，而過多的填充土充滿在塊體顆粒之間，充當剪切過程中的潤滑作用，導致內摩擦角較低。隨著填充土含量的降低，填充土的粘結力逐漸被削弱，大顆粒間的摩擦、咬合作用開始占據主導地位，所以粘聚力較小，內摩擦角增大。總體上，隨著巖堆體填充土含量的增加，粘聚力增大，內摩擦角減小。

2.2 含水率對粘聚力及內摩擦角的影響規律

隨著含水率從5%增加到12%，不同填充土含量試樣的粘聚力均呈現增加趨勢。其中，填充土含量為6%的試樣粘聚力增加幅度最大，從24.1 kPa 增加到35.3 kPa，增加幅度46.5%。其次是填充土含量為6%和50%的試樣，其粘聚力增加幅度較小，而填充土含量為75%的試樣的粘聚力增加幅度最小，僅從37.2 kPa 增加到44.5 kPa，增長幅度19.6%，如圖3、圖4所示。曲線在上升或下降階段，填充土含量為6%的試樣變化幅度最大，這是因為粘聚力主要由細顆粒填充土的含量決定。填充土較少時，較小的含水率變化都會引起填充土性質的變化，因而曲線變化幅度較大。這表明填充土含量較小時，粘聚力對含水率的變化比較敏感。在含水率為12%時，各試樣曲線可取到最大值，分別為40.3 kPa、35.3 kPa、39.8 kPa 和44.50 kPa。含水率在12%到19%之間時，隨著含水率的增加，粘聚力逐漸降低。在降低過程中，填充土含量為75%的試樣的粘聚力均大于其他試樣。通過分析所發現，含水率小于12%時，試樣粘聚力主要來源于填充土的粘結作用。隨著含水率的增加，試樣達到最優含水率，此時的粘聚力達到最大。然而，當含水率大于12%后，隨著含水率的不斷增加，水分子在塊石粗顆粒和填充土細顆粒之間形成一層水膜，起到潤滑作用，并填充在空隙之間，擠壓了土顆粒，降低了粘結性，從而使粘聚力下降。

圖3 含水率與粘聚力關系曲線圖

圖4 含水率與內摩擦角關系曲線圖

粘聚力是土顆粒間作用力的綜合結果，主要由細顆粒土的含量決定。填充土顆粒間的水膜連接和膠結作用對粘聚力的大小具有重要作用。較低含水率的膠結作用較小，因此粘聚力較低，而過高的含水率充斥在顆粒之間，會給顆粒一個膨脹的支撐力，也會使粘聚力減小。

由圖4 可知，摩擦角的變化規律始終一致。隨著含水率的增大，內摩擦角不斷減小。其中，填充土含量為6%的試樣下降幅度最大，從41.9°降到31.3°，下降幅度為25.3%。填充土含量為25%和50%的試樣次之，75%的下降幅度最小，僅從30.7°減小到27.0°，下降幅度為12.1%。4 條曲線的斜率隨著含水率的增加逐漸降低。含水率較小時，下降速率快；含水率較大時，下降速率慢。此外，填充土含量越低，曲線斜率的變化幅度越大，表明內摩擦角對含水率的敏感性越強。

2.3 巖堆體試樣剪切強度的變化規律

當含水率為5%時，隨著填充土含量的增加，4 種圍壓下的抗剪強度曲線基本一致，總體呈現出先增加后減小的趨勢。圍壓越大，抗剪強度越大，曲線為“凸”型曲線形狀越明顯，表明圍壓越大，抗剪強度隨填充土含量變化的敏感性越大。填充土含量總體上在25%左右出現拐點，在拐點處可取到不同圍壓下抗剪強度的極大值，分別為88.1 kPa、135.3 kPa、200.6 kPa和278.6 kPa，這是因為此時的填充土充滿塊石顆粒的間隙，級配最為優良，因此抗剪強度也達到最大。填充土含量小于25%時，隨著填充土的增加，抗剪強度隨之增大。圍壓越高，增長幅度越大。圍壓為400 kPa時，抗剪強度增長幅度為11.8%。填充土含量大于25%時，隨著填充土含量的增加，抗剪強度不斷減小，說明太少或過多的填充土含量都會使巖堆體的抗剪強度減小，剪切強度與填充土含量關系曲線如圖5所示。

圖5 剪切強度與填充土含量關系曲線圖

當含水率為12%時，關系曲線隨填充土含量的增加，且呈現出“凹”型變化，即隨著填充土含量的增加，抗剪強度先減小后增加，且圍壓越大，這種規律越明顯。填充土含量在35%附近出現拐點，曲線由減小變成增大。填充土含量小于35%時，隨著填充土含量的增加，試樣抗剪強度不斷減小，在填充土含量為35%時，不同圍壓下抗剪強度的取值分別為80.01 kPa、129.4 kPa、176.79 kPa和216.50 kPa。圍壓為400 kPa時，下降幅度為34.3%，圍壓為100 kPa 時，下降幅度為20%。填充土含量大于35%時，隨著填充土含量的增加，試樣抗剪強度隨之增大，圍壓越高，增加幅度越明顯，但總體上抗剪強度增加幅度小于其減小的幅度。

當含水率為19%時，隨著填充土含量的變化，不同圍壓下的抗剪強度呈現出不同的變化趨勢，但依然是圍壓越大，抗剪強度越大。圍壓為300 kPa、400 kPa時，曲線變化規律一致，呈現出填充土含量增加，抗剪強度減小的趨勢，且曲線減小速率由急劇下降逐漸變平穩，斜率不斷減小。圍壓為100 kPa、200 kPa 時，抗剪強度變化曲線隨填充土含量的增加，表現出先增大后緩慢減小的規律，曲線在填充土含量小于25%時，填充土含量增加，抗剪強度隨之增加，在25%附近可取到極大值，分別為87.5 kPa、152.5 kPa。當填充土含量大于25%時，隨著填充土含量的增加，抗剪強度逐漸減小，減小速率也逐漸變緩，最后趨于穩定。

填充土含量較小時，試樣抗剪強度主要來源于粗顆粒之間的咬合、嵌固作用。隨著填充土含量的增加，土顆粒充滿塊石間的空隙，使密實度變大，達到最優級配。在這種情況下，顆粒間充分擠密，顆粒間的摩擦力增大，且塊石顆粒在剪切帶要發生滑移或滾動所需的能量也最大，因此抗剪強度達到最大。然而，隨著填充土的不斷增加，塊石的含量不斷減小，填充土細顆粒填充在粗顆粒之間。在剪切過程中，這些顆粒起到了潤滑作用，減小了塊石顆粒間的摩擦作用，從而導致抗剪強度逐漸減小，但同時填充土也會產生一定抗剪強度。

3 結論

通過運用相似理論進行室內三軸試驗，同時根據試驗結果分析了填充土含量和含水率對巖堆體剪切強度和強度參數的影響規律，得到主要結論如下：

（1）根據松散巖堆的工程特性，可將巖堆體簡化成由巖塊、土、水3 種基本的材料構成。石英砂的形成過程和物理特性與巖堆體巖塊具有高度的相似性，且巖塊中含有石英砂成分，在礦物成分方面也與巖堆體具有相似性，可模擬巖堆體巖塊。而填充土體可選取粒徑大小為0.075 mm 以下的黏性土，使其表現出明顯的粒徑差異，以便更好地模擬巖堆體。

（2）隨著填充土含量的增加，不同含水率樣本的粘聚力呈現出先略有減小后大幅度增加的趨勢，填充土含量在25%左右可取到極值，極值點粘聚力分別為24.1 kPa、35.3 kPa 和17.0 kPa。此外，內摩擦角隨著填充土含量的增加逐漸減小，呈近似線性減小關系。這可能是因為在巖堆體中，填充土含量較少時，土顆粒無法完全填充巖堆體塊石顆粒間的孔隙，但仍有少量細顆粒在塊石之間起到潤滑作用，使得摩擦角有所下降。

（3）含水率從5%增加到12%時，不同填充土試樣粘聚力呈增加趨勢。其中，填充土含量為25%的試樣的粘聚力增加幅度最大，從24.1 kPa 增加到35.3 kPa，增加幅度46.5%，其次是填充土含量為6%和50%的試樣，填充土含量為75%的試樣粘聚力增加幅度最小，從37.2 kPa 增加到44.5 kPa，增長幅度19.6%。在含水率為12%時，各試樣曲線可取到最大值，分別為40.3 kPa、35.3 kPa、39.8 kPa 和44.5 kPa。含水率在12%到19%之間時，隨著含水率的增加，粘聚力逐漸降低，在降低過程中填充土含量為6%的試樣均大于其他試樣，且較大粘聚力試樣下降幅度較小。

（4）含水率為5%時，隨著填充土含量的增加，4 種圍壓下的抗剪強度曲線基本一致，總體上呈先增加后減小的趨勢。圍壓越大，抗剪強度越大。含水率為12%時，關系曲線隨填充圖含量的增加呈現出“凹”型變化，即隨著填充土含量的增加，抗剪強度先減小后增加，且圍壓越大，這種規律越明顯。當含水率為19%時，隨著填充土含量的變化，不同圍壓下的抗剪強度變化趨勢不同，但仍是圍壓越大，抗剪強度越大。