土、岩及接触面力学特性研究

马治国

(中国水电十五局，陕西 西安710068)

宝天高速路段隧道位于陕甘交界的秦岭山区，地形相对高差较大，山顶海拔一般在1 000～1 400 m之间，为中低山～低山区地貌特征。山区植被稀少，隧道址高程介于629.70～1 035.46 m之间，全线隧道最大埋深294.02 m。路线所经区域属于黄河流域渭河流域水系，其大部分路段又沿渭河干流布设。土、岩接触地层是浅埋隧道开挖过程经常遇到的一种地层条件。通过试验揭示这一地质特征及附近发生显著的力学特性变化和物理力学性质。

1 实验内容

根据项目要求及中华人民共和国行业标准《土工试验规程》(SL237－2001)，对采取的土样进行了土的基本物理性质、渗透性及剪切强度试验。所有试验操作均按水电部颁发的《土工试验方法标准》GB/T50123—1999进行。

2 基本物理性质测试结果

由试验确定的土的各项物理性质如表1，黑岭隧道采取黄土的干重度为 15.65～16.32 kN/m3，砂岩的干密度 20.46～24.08 kN/m3;黄土的天然含水量在 19.22% ～ 20.06%;砂岩的天然含水量在5.58% ～8.01%;黄土的液性指数均小于1，呈坚硬状态，黄土的塑性指数在10.56～15.57，黄土属于粉土或粉质粘土，砂岩呈全风化或强风化

表1 土、岩接触面上覆黄土及砂岩基本物理特性

3 三轴试验结果

原状土样固结不排水三轴剪切试验结果，表明:1)土在小围压50－100kPa下应力达到峰值后随应变的增加而减小，土产生较为明显的软化现象;2)虽在200 kPa也有软化现象产生，当固结压力为300 kPa时，具有明显的硬化现象。3)由于原状土存在结构性，随着较弱结构单元的变形破坏，较强结构单元的强度将逐渐发挥出来，不论是应变软化曲线还是以应变硬化曲线，在剪切过程中表现出抗剪应力的跳跃性增长。4)固结围压在50～200 kPa之间变化时，尽管固结围压增长明显，但由于原状结构性的存在，不同固结围压下土的主应力差的最大值相差不多，而当固结围压达300 kPa时，应力应变性质发生了改变，这说明了土的结构屈服应力在200～300 kPa之间。土体上层覆盖应属于中浅层覆盖，这也与采样土体的实际情况也相符。

饱和重塑土的应力应变曲线表明，由于重塑土是将原状土样天然结构破坏后过2 mm筛，并以天然干密度为控制条件制备配的，尽管密实度与原状样一致，但其原有的胶结作用已被破坏，吸力作用消失，因此土体所表现出来的力学特性与原状土样也就具有很大的差异。一是不同围压下饱和重塑黄土的应力应变曲线均呈双曲线形态，即使在较小的固结围压(50 kPa)下土样已具有很明显的硬化特征，且随着固结围压的增大，土所表现出的抗剪切强度也在增大。二是由于剪切过程中不排水，虽在固结时土样内孔压消散为零，但在剪切开始后，孔压随着轴向应变的增大而增大，且固结围压越大，孔压增加量也就越大。三是与原状土样不排水剪切应力应变曲线比较，低围压下应力应变曲线没有软化特征，原状土的抗剪切强度明显大于饱和重塑土样的抗剪强度。

天然黄土覆盖层下伏的砂岩尽管密实度大，但风化严重，易碎散，难以采取原状样，因此，采取扰动样，在室内制备重塑样来近似确定全风化砂岩的变形特性参数。制备砂样的干密度为16.08 kN/m3，重塑砂土样应力—应变曲线的测试结果可以看出，不同围压下应力应变曲线均呈硬化型，随着固结围压增大，破坏时土的抗剪切强度在不断增大。在50～100 kPa的围压下，土在不排水剪切作用下，孔压随着应变的增长而出现负值，也就是说土样由于剪应力引起颗粒间相互位置的变化，加大了砂土颗粒间的孔隙，体积也就随着剪切过程增大，出现剪胀现象，可以看到较为明显的剪切带;固结围压在200 kPa、300 kPa时，不排水剪切过程中土中孔隙水压力在不断增长，呈剪缩性状。将原状土样扰动后，控制与原状土相同的干密度，采用压样法制备成重塑土样，然后饱和，进行固结不排水三轴剪切试验。根据破坏应变条件下的应力状态绘制莫尔应力圆，确定强度包线及其相应的强度指标。

依据饱和重塑土的固结不排水三轴试验结果可以看到，土的强度参数与原状土样有较大的区别，内摩擦角小值均值由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。土强度指标的变化与原状土样重塑结构破坏关系密切。这是由于土原状结构被破坏后，制备成的重塑土土粒间的胶结连接被破坏，孔隙分布均匀，且土样饱和后含水状态发生变化，粒间吸力消失。一方面胶结作用破坏、吸力作用消失;另一方面原状土中存在的结构单元形成的团粒、凝块碎散，因此，饱和重塑土的摩擦角及粘聚力均小于原状土的强度指标。

全风化砂岩扰动重塑后，控制干密度(16.08 kN/m3)制备砂样的三轴剪切试验结果得到的莫尔应力圆及强度包线如图2.53所示。重塑砂土的粘聚力为24 kPa，摩擦角为38°。由于砂土干容重较实际全风化砂岩的干容重(22.27 kN/m3)小得多，因此，实际全风化砂岩的强度指标，尤其是粘聚力较测试结果可能要大许多。

依据各组原状土及重塑土不同固结围压下破坏应变时的主应力差，分别求其均值及小值均值，如表2.10所示。绘制莫尔应力圆及其强度包线，分别确定得到了原状土固结不排水条件下均值强度的粘聚力138 kPa和摩擦角15°，以及小值均值强度的粘聚力115 kPa和摩擦角15°;饱和重塑土固结不排水均值强度的粘聚力15 kPa和摩擦角18.7°，以及小值均值强度的粘聚力20 kPa和摩擦角15.3°。同样表明饱和重塑土较原状土的粘聚力有较大的减小，摩擦角较接近。也说明原状土结构性的丧失主要是其粘聚力的减小。与前述强度指标的小值均值比较，对于原状土，前者的粘聚力较后者小，摩擦角较后者的大;对于重塑土，两者的粘聚力基本一致，前者的摩擦角较后者大。

图2.53 重塑砂土的抗剪强度包线

岩土工程问题分析中简单实用的弹塑性模型为D－P模型，前述的强度指标可以用来确定模型的屈服面，在剪切变形未出现塑性屈服以前，材料呈弹性变形。因此，还需要确定土的弹性变形参数。一般，可以将土应力应变曲线的初始剪切模量E0视为弹性模量。原状土在不同固结围压下应力应变曲线在原点的切线斜率如表2.11所示，除黑岭5号样之外，随着固结围压增大，土的初始切线模量逐渐减小。由于初始切线模量较大，随着剪切应力水平的发展，难以反映土实际的非线性剪切变形，因此人们将剪应力达最大值50%的割线模量(表示为E50)代替弹性模量，引入D－P模型进行应力应变分析。原状土在不同固结围压下应力应变曲线在剪应力达最大值50%的割线模量。同样，除黑岭5号样之外，随着固结围压增大，各土样的E50逐渐减小。将不同固结围压下的E0和E50均取均值或者小值均值，它们也随固结围压的增大而减小。由此表明，尽管随着固结围压增大，土的抗剪强度在逐渐增大，但由于固结围压的作用，压缩破坏了部分结构单元，围压越大破坏的结构单元越多，土样宏观上表现为刚度逐渐降低。

为了揭示土、岩接触面上的强度特性，在直接剪切仪的下盒制备全风化砂岩，上盒制备重塑黄土样，同时考虑接触面上黄土可能存在的增湿变化，进行了不同湿度上覆黄土的接触面剪切测试。上覆黄土含水量为15%时，接触面的摩擦角为5.85°，粘聚力为 190.8 kPa;上覆黄土含水量为 23%时，接触面的摩擦角为 6.81°，粘聚力为31.9 kPa;上覆黄土含水量为26%时，接触面的摩擦角为9.91°，粘聚力为38.9 kPa。表明含水量变化对土、岩接触面的粘聚特性有显著影响，含水量较低时，黄土与模拟砂岩有较强的粘结作用;含水量较高时，黄土与模拟砂岩的粘结作用较弱。与相同含水量的重塑黄土比较，土、岩接触面主要依赖于软弱介质的强度特性;土、岩接触面易形成剪切滑动面，其摩擦作用明显减小。

为了揭示土的压缩变形特性，选择其中黑岭－1号、黑岭－2号土样进行压缩试验，测试得到了e～p曲线和e～log p曲线，确定得到了不同压缩应力增量段的压缩系数、压缩模量及回弹模量，黑岭－1号土样的压缩指数为0.222 2，回弹指数为0.006 4;黑岭 －2号土样的压缩指数为0.216 7，回弹指数为 0.005 4。

通过现场波速法可以测得小应变波动在岩土介质中传播的纵波和横波，其测试原理就是根据测得的震源与接收器之间的距离及波(剪切波或压缩波)到达接收点的时间算出波速cs(cp)，之后再求取弹性模量。弹性参数的计算如式2－10、2 －11、2 －12。

测试波速及弹性参数计算结果见表2.14－表2.15所示，与三轴试验测试的初始模量比较，依据波速确定的弹性模量接近于低围压下的初始剪切模量，这是由于低压缩应力引起土结构的破损程度较小。因此，基于波速确定的弹性参数反映了原状黄土结构性未遭受改变时的力学特性。两座隧道上覆黄土及下伏砂岩的弹性参数比较接近，属于同一个数量级。

表2.14 槐树岭隧道不同地层的弹性参数表

表2.15 黑岭隧道不同地层的弹性参数表

4 结论

土、岩接触地层是浅埋隧道开挖过程经常遇到的一种地层条件。从试验结果可以看到这一地质特征使得隧道围岩在土、岩接触面附近发生显著的力学特性变化。

通过对上覆黄土的基本物理特性研究、室内常规三轴剪切试验、室内直剪试验及固结试验，对于上覆黄土的土、岩接触面的物理力学性质有以下认识:

1)土、岩接触面易形成剪切破坏面，接触面的剪切强度主要取决于软弱黄土的强度特性。

2)随着土、岩接触面处上覆黄土含水量的增加，接触面的粘聚力显著减小;摩擦角衰减较小，但较黄土的摩擦角小。

3)土、岩接触面处两种介质的含水量差异较大，黄土的天然含水量均值19.74%，全风化砂岩的天然含水量均值6.79%。可见，全风化砂有显著地阻水作用，一旦有水浸入时，易形成滞水层。

4)饱和重塑黄土与原状黄土比较，由于扰动重塑及饱和作用，土的结构性基本丧失，土的粘聚力显著减小;土的变形参数也显著减小。因此，考虑浸水入渗引起含水量增大造成黄土围岩变形发展是非常必要的。

5)测试确定了D－P模型及剑桥模型相关的参数。