母岩变形特性差异对堆石料力学性质的影响

韩华强，陈生水，王占军，郑澄锋，傅 华

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏 南京 210024； 2.长江勘测规划设计研究院, 湖北 武汉 430010； 3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室, 湖北 武汉 430072)

0 引言

堆石料具有压实性能好、填筑密度大、沉陷变形小、透水性强以及抗剪强度高等工程特性，因而被广泛应用于土石坝、公路、铁路、机场、房建等建筑工程中[1]。堆石料的强度和变形特性事关建筑物的安全运行，国内外学者针对堆石料的力学特性及其影响因素开展了大量的研究工作[2-10]。结果表明：除级配、颗粒破碎、劣化、缩尺效应、孔隙率、应力状态、加载路径等因素的影响外，堆石料的力学特性与其母岩性质也有着紧密联系。

母岩性质是影响堆石料力学特性的重要因素，目前关于母岩性质对堆石料力学性质的影响研究多集中于母岩的抗压强度及颗粒形状等方面，主要包括母岩颗粒大小、形状、强度以及表面粗糙程度等，一般认为其中某一因素的变化必然会引起堆石料力学特性的改变。母岩强度是影响堆石料力学特性的重要因素，母岩强度越高，产生破碎所需的压力也越高，堆石料的抗剪强度相应也越高，反之亦然[11-12]。然而迄今为止，母岩变形指标对堆石料力学特性影响的研究工作几乎无人涉及。为此，笔者采用大型静力三轴仪及大型渗透仪，选择了两种抗压强度大体相同而弹性模量差别较大的弱风化白云岩和弱风化闪长岩，研究了母岩变形指标差异对堆石料力学性质的影响。

1 堆石料母岩基本特性

图1为本次试验采用的弱风化白云岩试样和弱风化闪长岩试样照片，通过岩石试验得到两种岩体饱和条件下母岩的抗压强度、软化系数、弹性模量及泊松比等力学指标如表1所示。

图1 母岩照片对比Figure 1 Photograph of mother rock

表1 母岩基本特性Table 1 Basic characteristics of mother rock

从表1可以看出，弱风化白云岩与弱风化闪长岩(简称白云岩试样与闪长岩试样)的抗压强度接近，但两者弹性模量差别较大，白云岩试样弹性模量为闪长岩试样弹性模量的1.4倍。

2 堆石料静力三轴试验方案及过程

2.1 试样制备

静力三轴试样尺寸均为φ300 mm×700 mm，试验所用堆石料母岩分别为上述白云岩及闪长岩，堆石料试样级配如图2所示，根据SL237—1999《土工试验规程》[13]通过密度试验得到室内相关物理力学性质指标见表2。

图2 试验模拟级配Figure 2 Test simulation grading

表2 试样物理力学性质指标Table 2 Basic physical property index of rockfill

2.2 试样条件

试验按照SL237—1999《土工试验规程》进行，试样初始均处于自然风干状态，按规程分60 mm～40 mm、40 mm～20 mm、20 mm～10 mm、10 mm～5 mm、5 mm～ 0 mm 5种粒径范围进行制备。试样制好后采用水头饱和法自下而上对试样进行饱和，然后分别进行300，600，900及1 200 kPa围压条件下的静力三轴试验。

3 堆石料静力三轴试验结果分析

3.1 不同岩性的堆石料强度与变形特性

图3为白云岩试样和闪长岩试样两种堆石料三轴剪切试验应力-应变曲线，图4为两种堆石料的摩尔库仑强度包络线。由图3可以看出，不同围压条件下，闪长岩试样峰值强度均大于白云岩试样，但二者达到峰值强度的过程并不相同：图3(a)在剪切起始阶段，白云岩试样强度增长较闪长岩试样迅速，相同应变下，白云岩试样强度大于闪长岩试样；随着试样应变发展，闪长岩试样应力、应变线逐渐超越白云岩试样，表明随着应变发展，闪长岩试样的强度逐渐超过白云岩试样，在应力-应变曲线达到峰值后，闪长岩试样堆石料应力软化的特征也比白云岩试样更为显著；对比图3(b)，闪长岩试样的应力增长速率和峰值强度均大于白云岩试样。为清楚起见，图5和图6分别给出了两种堆石料应力、应变发展过程以及剪切体积应变随轴向应变发展过程。从体积变形发展过程看，在低围压下，两者均发生了明显剪胀，但闪长岩试样剪胀程度明显强于白云岩试样；随着围压增大，堆石料颗粒破碎率提高，剪胀均受到抑制，但白云岩试样堆石料剪胀受到的抑制更为明显，其剪胀现象几乎消失，而闪长岩试样仍能表现出较强的剪胀。

图3 不同堆石料应力-应变曲线对比Figure 3 Stress strain line

图4 不同堆石料摩尔库仑强度包线对比Figure 4 Mohr Coulomb strength envelope

图5 堆石料应力-应变发展过程示意图Figure 5 Diagrammatic sketch of stress and strain development process

图6 堆石料体积应变-轴向应变关系曲线对比Figure 6 Relationship curves of axial strain and volume strain

3.2 母岩变形特性差异对堆石料力学性质影响机制探讨

从上述试验结果可以看出，尽管闪长岩试样母岩的强度略小于白云岩试样，但在相同孔隙率及级配条件下，从二者的强度指标凝聚力cd及内摩擦角φd可以看出，由闪长岩构成的堆石料强度却大于由白云岩构成的堆石料强度，显然产生这一结果的原因应与其母岩的弹性模量不同有关。

在剪切起始阶段，白云岩试样的强度增长速率较闪长岩试样大，反映出混合料的初始弹性模量相对较大的特点，显然正相关于母岩的弹性模量，反映了白云岩母岩的弹性模量大于闪长岩母岩弹性模量的特点，由此产生混合料的初始弹性模量也相对较大，使得在相同应变下，白云岩试样混合料强度大于闪长岩试样。随着应变增长，在达到一定应力水平后，骨料分担荷载逐渐超过其母岩的破碎强度，堆石料开始产生明显的颗粒破碎，颗粒破碎的发生对堆石料的级配产生一定的调整作用。而随着应变的进一步增长，在接近峰值强度前，堆石料应力-应变曲线均逐渐变缓，白云岩试样堆石料应力-应变曲线变缓的趋势更加显著，导致闪长岩试样应力-应变曲线逐渐超越白云岩，并且在达到峰值强度后，白云岩试样的剪胀性也受到一定抑制，显然这主要和不同母岩堆石料颗粒破碎发展的过程并不同步有关，这种堆石料颗粒破碎发展过程的不同步也直观地体现在堆石料体积变形随应变的发展过程上。

从体积变形来看，由于闪长岩试样母岩初始弹性模量明显小于白云岩试样，在剪切起始阶段，闪长岩试样体变增长较白云岩试样迅速，堆石料剪缩及由此导致的堆石破碎量均较白云岩试样大，硬化程度相对较高。在达到一定应力水平时，随母岩骨料分担荷载的增大，由于前期已累积了相对较大的破碎量，后期闪长岩试样破碎量增加量相对白云岩试样变缓，应力-应变曲线增长变缓趋势相对不明显，随应变发展，使得闪长岩试样应力-应变曲线逐渐超越白云岩试样。同时，由于堆石料的剪缩，一定程度上也提高了堆石料的峰值强度，使得闪长岩试样具有比弱风化白云岩试样更大的强度。

由此表明，堆石料的力学特性一方面受母岩强度的影响，母岩强度越高，发生颗粒破碎需要的压力越高，堆石料的抗剪强度也越高。另一方面堆石料的力学特性也与母岩的变形特性有关，母岩变形特性对堆石料力学特性的影响主要体现在颗粒破碎和剪缩两个方面。同等母岩强度条件下，母岩弹性模量越大，在剪切起始阶段，堆石料的强度增长越迅速，同等应变条件下，堆石料的轴向应力也越大，体积变形量及颗粒破碎量均相对较小，而母岩弹性模量小的堆石料累积了更大的体积变形及颗粒破碎量；随着应变发展，当达到一定应力水平时，母岩弹性模量相对较大的堆石料颗粒破碎量开始显著增加，堆石料的强度增长相对变缓，而母岩弹性模量相对较小的堆石料由于累积了相对较大的体积变形，同时由于剪缩作用，堆石料强度增长变缓的趋势相对较小，其混合料的峰值强度有可能超越母岩弹性模量大的堆石料。因此，宜从两个方面研究母岩对堆石料力学特性的影响:一方面应重视母岩强度对堆石料力学特性的影响；另一方面也应重视母岩的变形特性对堆石料力学特性的影响。

4 堆石料的渗透特性

渗流和渗透控制也是土石坝工程中一项极其重要的课题，直接关系到工程的安全和投资[14]，为此，进一步研究了母岩变形特性差异对堆石料渗透特性的影响。渗透试验采用常水头法，渗流方向为从下向上，试样尺寸为φ300 mm×300 mm，其中,300 mm为渗径。装样时在透水孔直径为2 mm的透水板上部铺一层孔径0.075 mm细钢丝网，以减少颗粒离析造成透水板堵塞，具体试验步骤及渗透系数计算方法见SL237—1999《土工试验规程》。渗透系数试验结果见表3。

表3 渗透试验结果Table 3 Permeability test results

由表3可以看出，在相同孔隙率、相同级配、相同制样相对密度条件下，不同变形特性母岩堆石料的渗透系数差别不大，两种堆石料渗透系数的差值基本上控制在规范规定的2×10-n的差值范围内，由此表明，堆石料的渗透系数主要与堆石料的孔隙率、级配及相对密度有关，母岩性质的差异主要影响堆石料的力学特性，而对堆石料渗透系数的影响并不显著。

5 结论

(1)母岩变形特性差异对堆石料的力学性质有显著影响，母岩单轴抗压强度相同条件下，不同堆石料的强度随岩性差异而不同。本次试验条件下，单轴抗压强度较低的闪长岩堆石料的强度指标反而略高于单轴抗压强度较高的白云岩堆石料。

(2)堆石料的变形指标与母岩的变形指标有正相关的关系，虽然白云岩试样堆石料的强度指标低于闪长岩，但由于白云岩试样母岩的弹性模量明显高于闪长岩，在初始剪切阶段白云岩试样堆石料的初始弹性模量明显高于闪长岩。

(3)母岩变形特性对堆石料力学特性影响机制主要体现在颗粒破碎和剪缩两个方面。在剪切起始阶段，母岩弹性模量越大，堆石料的强度增长越迅速，同等应变条件下，堆石料的强度也越大，体积变形量及颗粒破碎量均相对较小，而母岩弹性模量小的堆石料累积了更大的体积变形及颗粒破碎量；随应变发展，当达到一定应力水平时，弹性模量相对较大的堆石料颗粒破碎量显著增加，堆石料的强度增长相对变缓，而母岩弹性模量相对较小的堆石料由于累积了相对较大的体积变形，由于剪缩作用，堆石料的强度增长变缓的趋势相对较小，其混合料的峰值强度有可能超越母岩弹性模量大的堆石料。

(4)岩性差异对堆石料力学特性的影响主要表现在强度及体积变形特性，对于堆石料渗透特性的影响相对较小。

(5)研究母岩对堆石料力学特性的影响，应从母岩强度和变形特性两个方面展开研究。