泥质粉砂岩堆石料往复剪切特性及强度劣化研究

摘要：堆石料往复剪切力学特性及强度劣化机理对高填方边坡稳定性分析具有重要的研究意义。开展了粗粒土往复直剪试验，分析不同粗粒含量土体剪切强度、滞回圈面积、阻尼比及剪切刚度的变化规律，揭示其强度劣化机理。试验结果表明：泥质粉砂岩堆石料剪切强度受粗粒含量和往复剪切次数影响显著，剪切强度随粗粒含量增加而增大，随往复剪切次数增加而减小。土体滞回圈面积与粗粒含量呈正相关，与往复剪切次数呈负相关。阻尼比与粗粒含量无关，但会随往复剪切次数的增加而减小。土体破坏剪切刚度与粗粒含量间指数关系显著，归一化剪切刚度与往复剪切次数呈线性分布。据此建立考虑不同粗粒含量和往复剪切次数下泥质粉砂岩堆石料剪切刚度的经验公式。研究成果可为堆积体稳定性分析提供计算依据。

关 键 词：堆石料； 粗粒含量； 强度劣化； 往复剪切； 抗剪强度

中图法分类号： TV41

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.026

0 引 言

泥质粉砂岩堆石料是磷矿石露天开采剥离堆积的一类松散地质体。受重力分选，堆石料粒径分布沿不同排土高度存在显著的分级特征［1］。随粗细颗粒占比变化，土体的组构特征也各不相同，粗粒含量成为影响土体强度特性的重要因素［2-6］。不同于连续性材料，堆石料是一类典型的颗粒离散材料，在极端地质环境中能够承受往复剪切变形［7-8］，其抗剪强度特性及强度劣化机制对分析高填方边坡稳定性具有十分重要的研究意义。

粗粒含量对粗粒土的强度及变形特性具有明显的控制作用［9-10］。徐肖峰等［11］研究指出砾类土的抗剪强度随粗粒含量增加而增大，受粗粒含量增加土体颗粒摩擦效应增强是影响土体抗剪强度的重要原因。王春得等［12］指出粗粒含量对粗粒土内摩擦角和黏聚力的影响表现为随粗粒含量增加，内摩擦角增大，黏聚力呈先减后增趋势。Xu等［13］指出土颗粒间的结构特征随着粗粒含量的增多产生变化，进而影响土体的抗剪强度。张敏超等［14］也指出泥岩混合料剪胀性受粗粒含量影响突出，本质上是粗粒含量变化改变了土体间的孔隙率。

受荷载扰动，呈散体聚合堆积结构特征的土体将产生多次剪切变形［15］。为探究土体往复剪切变形特性，需深入分析土体剪切强度、模量、刚度、滞回圈面积与阻尼比等力学指标。梁越等［16］发现钢-土界面的剪应力-位移曲线随往复剪切次数的增加呈先增后稳定的趋势。Zhang等［17］指出不同粗粒含量冻土受循环荷载作用阻尼比呈减小趋势。而在交通荷载作用下粗粒土的动应力曲线呈非线性变化，并具有衰减特征［18］。Fakharian等［19］发现胶砂混合料剪切模量会在往复剪切作用下降低，阻尼比则呈增加趋势。Wang等［20］指出循环剪切过程中红黏土表现出软化特征，剪应力会随循环剪切次数的增加而减小。吴晓［21］发现随往复剪切次数的增加泥砂岩滞回圈面积减小、阻尼比增大。

尽管已有研究指出粗粒含量是影响土体组构特征及抗剪强度的重要因素，且土体承载特性随往复剪切出现劣化效应，但针对排土场粒径悬殊、分级现象显著的堆石料在往复荷载下的强度劣化机制尚不清晰，有待深入研究。因此，本文采用可实现往复剪切的粗粒土试验机，对磷矿排土场泥质粉砂岩堆石料开展不同粗粒含量条件下的推拉剪切试验，分析土体抗剪强度、滞回圈面积、阻尼比，以及剪切刚度随往复剪切次数的变化规律，揭示土体的劣化机制，以期为排土场边坡稳定性分析提供有益指导。

1 堆石料往复剪切试验

1.1 试验设备

试验采用DHJ-30型粗粒土剪切试验机，实物及结构原理见图1。

该试验机配套有计算机自动数据采集处理系统，可完成荷载、位移的采集储存和垂直荷载、水平荷载、剪切速度的自动控制等。试验机剪切盒尺寸为Φ300×240 mm，可用于测定土样粒径小于60 mm的粗粒土抗剪强度。垂直向与水平向加载均由滚珠丝杆伺服电机驱动，输出荷载最大可至300 kN，土样变形量可由位移电阻尺测定，试验机剪切速率可控制在0.01～3.0 mm/min。试验机在上下剪切盒及滚珠丝杆端部由销钉连接，能够使试验机实现正向、反向往复剪切功能。在往复剪切过程中，试验机先通过滚珠丝杆伺服电机驱动系统对试验土料进行推剪试验，推剪结束后再换成拉剪，当上下剪切盒重合时可停止拉剪，重复此过程可实现往复推拉剪切。

1.2 试验材料

试验土料取自磷矿1 980 m排土台阶，主要由粒径不等的泥岩与砂岩散体岩石混合组成。土料沿1 980 m排土台阶不同排土高度（取样点距排土台阶顶部高度h与排土台阶高H的比值）进行取样，自上而下依次记为取样点1～4。采用土工筛网对所取土料进行筛分，筛网孔径分别为2，5，10，20，40，60 mm，筛分结果见表1。

由表1可知，所取土料粗粒含量随排土高度的增加而增大，即大粒径颗粒多分布于排土台阶底部，小粒径颗粒多分布于台阶顶部。依据文献［9］，用粒径5 mm作为土体粗细颗粒的分界粒径，并采用粒径大于5 mm的颗粒质量百分数标准为粗粒含量，用P5表示。为满足剪切试验机的填料需求，依据GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》对土料原型级配进行等量替代缩尺处理。

P5i=P5P5－P0P05i（1）

式中：P5为粗粒含量，%；P5i为处理后粒径大于5 mm某一粒级含量，%；P05i为处理前与P5i对应的某粒级含量，%；P0为粒径大于60 mm的土料含量，%。

现场泥质粉砂岩堆石料级配由式（1）缩尺处理后，缩尺粒径级配累积曲线见图2。

1.3 试验方案

结合等量替代缩尺后的土体级配组成，制备密度2.16 g/cm3，天然含水率3.04%，粗粒含量分别为27.56%，38.02%，61.34%，75.43%的重塑土样，并开展堆石料往复剪切试验，其中，往复剪切路径见图3。

依据重塑土样粗粒含量的不同，设计4组往复剪切试验。每组4个土样，并对4个土样分别施加4个垂压，当剪切应变达到15%时可停止试验［22］，具体试验方案见表2。记N=1时为1次往复推拉剪切，每组粗粒含量下土样完成4次往复推拉剪切时停止试验，试验中土样共完成8次剪切。设定直剪仪器的水平剪切速率为1 mm/min，试验条件为固结快剪。

2 试验结果分析

2.1 相关力学参数设定

试验土料通过剪切试验机进行往复推拉剪切时，在剪应力-剪切位移曲线上会形成滞回圈［21］，该滞回圈表征为往复剪切过程中克服土颗粒摩擦阻力所产生的能量损耗。粗粒土在往复剪切作用下的剪应力-剪切位移曲线见图4。为便于分析，现将A→B的剪切过程记为正向剪切，剪切强度用τT表示；B→A的剪切过程记为反向剪切，剪切强度用-τL（负号代表方向）表示；滞回圈的面积用S表示。

根据土力学相关理论，本试验中泥质粉砂岩堆石料的剪切刚度K和阻尼比λ可由式（2）和式（3）计算得出［21］。

K=K1+K22=τT+τL2S（2）

λ=12（S4πSΔOBC+S4πSΔOAD）（3）

式中：K1为正向剪切刚度，kPa/mm；K2为反向剪切刚度，kPa/mm；S为滞回圈面积，kPa·mm；λ为阻尼比。

2.2 剪应力-剪切位移曲线

对不同粗粒含量泥质粉砂岩堆石料进行往复剪切试验，依据图4整理试验数据，可得不同粗粒含量泥质粉砂岩堆石料在不同垂压下的剪应力-剪切位移曲线。其中，堆石料抗剪强度会随垂压的增大而增加，但本文重点研究不同粗粒含量及往复剪切次数对堆石料相关力学特性的影响，暂不考虑垂压因素，因此，以1 000 kPa为例，分析其抗剪强度曲线特征，见图5。不同粗粒含量下堆石料剪切前的剪切面颗粒分布特征见图6。

由图5可知，往复剪切过程中不同粗粒含量试验土料应力应变曲线均为应变硬化型。随粗粒含量增加，土料抗剪强度逐渐增大。结合图6分析其原因可知，当粗粒含量较小时，土体中粗颗粒处于悬浮状态，颗粒间的咬合作用尚不充分，进而抵抗外力变形相对较弱。随着土体中粗颗粒含量的逐渐增多，块石颗粒相互咬合及接触逐渐增强，进而能够抵抗较大的剪切作用，使得抗剪强度逐渐增大。此外，同一粗粒含量土样在不同往复剪切过程中其抗剪强度也各不相同，均随着往复剪切次数N的增加而减小。究其原因，往复剪切运动弱化了土体颗粒间的相互咬合作用，导致堆石料抗剪强度表现出劣化特征。

2.3 剪切强度分析

通过整理图5数据，可得垂压1 000 kPa条件下正向剪切强度τT和反向剪切强度-τL分布如图7所示。

由图7可知，泥质粉砂岩堆石料往复剪切破坏时的抗剪强度与粗粒含量及往复剪切次数有关。相同往复剪切次数下，试验土料随粗粒含量的增多抗剪强度也逐渐增大。当土料粗粒含量相同时，其抗剪强度随着往复剪切次数的增大而减小。此外，当粗粒含量与剪切次数保持不变时，试验土料的正向抗剪切强度均大于反向抗剪切强度，且两者关于x轴近似呈对称分布。

2.4 滞回圈面积与阻尼比

依据图4和式（3）整理试验数据，可得垂压1 000 kPa条件下土样滞回圈面积S和阻尼比λ分布如图8与图9所示。其中，堆石料往复剪切结束后其剪切面特征见图10。

由图8可知，当往复剪切次数相同时，土样滞回圈面积大小受土体组构特征影响，即随着粗粒含量增加，土样滞回圈面积增大。分析其原因，滞回圈面积表征土样在往复剪切时克服土颗粒摩擦产生的能量损耗，粗粒含量越大，颗粒间的摩擦效应越显著，故滞回圈面积越大。而当粗粒含量相同时，土样滞回圈面积随往复剪切次数增多而逐渐减小。结合图10分析其原因，当N=1时，剪切面上块石颗粒接触咬合紧密，互锁作用强烈、摩阻力较大，故土样剪切破坏时克服摩阻力产生的能量损耗也越大，而随着往复剪切次数的累积，分布在剪切面上的块石颗粒逐渐被磨圆，摩擦特性弱化，进而使得土样剪切破坏克服土颗粒摩擦阻力所产生的能量损耗相对减小。

由图9可知，粗粒含量相同土样的阻尼比均随往复剪切次数增多而呈减小趋势，而当往复剪切次数相同时，土样阻尼比与粗粒含量相关性不显著，可得土样阻尼比与粗粒含量无关。

3 力学特性演化分析

3.1 破坏剪切刚度Kf

剪切刚度是表征土体剪切变形性质的重要参数。依据文献［22］，可将土样应变15%（即剪切位移达到45 mm时）对应的剪切刚度定义为破坏剪切刚度。本文将图5中不同粗粒含量第一次推剪时的破坏剪切刚度作为该组土体的破坏剪切刚度，用Kf表示，试验结果统计见表3。用4种常见的模型对表3中破坏剪切刚度Kf与粗粒含量P5间的关系进行拟合对比，结果见表4。

分析表4，指数模型拟合破坏剪切刚度Kf与粗粒含量P5的关系效果最佳，具体见图11。

依据图11，土样破坏剪切刚度Kf与粗粒含量P5关系可表示为

Kf=12.7893e0.0068P5（4）

式（4）指数拟合相关系数为0.918 3，即泥质粉砂岩堆石料破坏剪切刚度Kf与粗粒含量P5具有良好的指数相关性。可用该式表征泥质粉砂岩堆石料破坏剪切刚度Kf随粗粒含量P5的变化规律。其中，12.789 3表示垂压1 000 kPa条件下堆石料粗粒含量P5=0时的破坏剪切刚度，0.006 8表示垂压1 000 kPa条件下堆石料往复剪切过程中破坏剪切刚度与粗粒含量关系曲线间的修正系数。

3.2 剪切刚度K

往复剪切试验中，土样剪切刚度K可由式（2）计算得出，其中K1与K2分别是往复剪切过程中土样正向破坏剪切刚度与反向破坏剪切刚度。根据上述研究可知，泥质粉砂岩堆石料破坏剪切刚度Kf受粗粒含量P5影响显著，采用比值法消除土样剪切刚度量纲，可得出泥质粉砂岩堆石料剪切刚度比K/Kf随往复剪切次数N的变化关系。利用4种模型对剪切刚度比K/Kf与往复剪切次数N进行拟合，结果见表5。

分析表5可知，线性模型拟合破坏剪切刚度比K/Kf与往复剪切次数N的关系效果最佳，具体见图12。

依据图12，土样剪切刚度比K/Kf与往复剪切次数N的关系可表示为

K/Kf=－0.0719N+1.0543（5）

式中：-0.071 9表示垂压1 000 kPa条件下随着往复剪切次数N的增加，土样剪切刚度出现劣化特征时的劣化程度；1.054 3表示垂压1 000 kPa条件下当往复剪切次数N=0时，土样剪切刚度比K/Kf近似等于1，即土样未进行剪切时，剪切刚度无变化。

结合式（4）和式（5），可建立泥质粉砂岩堆石料剪切刚度K随粗粒含量和往复剪切次数变化的经验计算公式，见式（6）。

K=12.7893e0.0068P5（－0.0719N+1.0543）（6）

式中：N为往复剪切次数，1≤N≤4；P5为粗粒含量，0≤P5≤75%。相关系数的物理意义与式（4）和式（5）相同。

式（6）是在垂压1 000 kPa条件下建立起来的经验公式，由该式可知，剪切刚度与粗粒含量和往复剪切次数有关。为验证式（6）的合理性，在垂压1 000 kPa条件下进行粗粒含量分别为30%，40%，70%的往复剪切试验，往复剪切次数为4，计算出剪切刚度K，并与试验值做对比，对比结果见图13。

由图13可知，土样剪切刚度计算值与试验值虽存在误差，但误差较小，表明可用式（6）表征垂压1 000 kPa条件下泥质粉砂岩堆石料剪切刚度随往复剪切次数和粗粒含量的变化规律。

4 强度劣化机理分析与讨论

泥质粉砂岩堆石料在往复剪切过程中的强度劣化机理是一系列复杂物理、力学反应的宏观表现。堆石料自身的矿物成分与组构特征的差异性是其强度劣化的本因［23］，往复剪切运动为强度劣化提供了触发因素，两者之间存在逐级递进、相互影响的关系，需对其力学行为响应进行具体分析。

泥质粉砂岩堆石料往复剪切过程中的力学响应示意图及实物图见图14。自然状态下，堆石料粗细颗粒占比不同，颗粒尺寸不一，粗颗粒之间通过相互接触形成土体骨架，细颗粒起胶结作用填充于骨架之间的孔隙中，使其整体联系紧密，稳定性较好。当进行单向剪切受力时，初次改变了堆石料粗细颗粒之间原有的空间分布与接触方式等，重塑其骨架结构，并形成较为明显的剪切面。剪切面上的土颗粒为了获取更大的剪切空间会出现相互挤压、翻滚、旋转等改变空间位置的现象，由于应力集中以及砂岩颗粒与泥岩颗粒自身力学特性的差异，分布于剪切面上的块石颗粒发生颗粒破碎，且土颗粒间的摩擦效应减弱，抗剪强度降低［24-25］，但此时剪切面上的块石颗粒仍棱角分明，浑圆度较差。当往复剪切次数逐渐累积，土颗粒间的空间结构不断被扰动，颗粒破碎现象进一步加剧，土骨架结构转变为由细粒土承担，细颗粒占比的增加使剪切面摩阻力显著减弱，直到往复剪切结束（N=4）后，剪切面变得平直光滑，块石颗粒破碎特征显著，其抗剪强度出现衰减。但其抗剪强度的下降幅度不会随着往复剪切次数的增加而增加，当往复剪切次数发展到一定程度时，堆石料剪切面附近的组构特征趋于稳定，其抗剪强度也趋于稳定。

泥质粉砂岩堆石料往复剪切过程中复杂的物理力学行为响应使其表现出明显的强度劣化特征。正反向剪切强度均随着往复剪切次数的增加而降低。土样滞回圈面积、阻尼比以及剪切刚度的发展演化规律与强度存在相似性，均随着往复剪切次数的增加表现出不同程度的衰减特征。

排土场边坡作为岩土工程中常见的一类边坡，其抗剪强度参数是分析评价该类边坡稳定性的重要指标。为进一步定量分析堆石料强度劣化机理，依据图7整理试验数据，将每次往复剪切过程中正向剪切强度作为该次往复剪切的破坏剪切强度，并与不同法向应力按库伦公式进行拟合，拟合公式见式（7），拟合结果见表6。黏聚力及内摩擦角与粗粒含量及往复剪切次数的关系见图15。值得注意的是，由于试验设备的局限性，在剪切过程中不能准确测定剪切面面积的变化程度，因此在处理试验数据时假定剪切面保持恒定不变，故所测定的抗剪强度参数可能高于实际抗剪强度参数。

τ=σtanφ+c（7）

式中：τ为泥质粉砂岩堆石料往复剪切过程中的破坏剪切强度，kPa；σ为垂压，kPa；φ为内摩擦角，（°）；c为黏聚力，kPa。

由表6及图15可知，不同粗粒含量泥质粉砂岩堆石料抗剪强度参数与往复剪切次数有关。具体表现为黏聚力与内摩擦角均随往复剪切次数的增加而逐渐减小。以粗粒含量P5=27.56%为例，随着往复剪切次数的增加，其黏聚力降幅依次为4.35%，3.03%，1.56%，其内摩擦角降幅依次为12.28%，8.71%，11.35%。其原因是进行第一次往复剪切时，土颗粒间接触紧密，咬合充分，使其发生剪切破坏的剪应力较大，因此，黏聚力及内摩擦角也相应较大。而随着往复剪切次数的累积，剪切面上土颗粒的空间结构被扰动破坏，往复剪切作用使接触咬合紧密的土颗粒通过旋转、翻滚及抬升离开了原来的位置，从而使抗剪强度降低，最终导致黏聚力及内摩擦角减小。当往复剪切进行到一定程度时，土体空间结构处于平衡状态，黏聚力及内摩擦角也趋于稳定。

综上所述，泥质粉砂岩堆石料黏聚力及内摩擦角在往复剪切作用下均呈现不同程度的弱化特征，亦说明泥质粉砂岩堆石料强度受往复剪切影响，在其作用下强度表现出不同程度的劣化特征。

5 结 论

（1） 泥质粉砂岩堆石料剪切强度与粗粒含量和往复剪切次数密切相关，受两者影响显著。剪切强度随粗粒含量增加而增大，随往复剪切次数增加而减小，且正向剪切强度均大于反向剪切强度，两者近似关于x轴对称分布。

（2） 相同粗粒含量土样滞回圈面积和阻尼比均会随往复剪切次数的增加呈减小趋势。同一往复剪切次数下，随粗粒含量增加，土样滞回圈面积也逐渐增大，阻尼比与粗粒含量无相关性。

（3） 土样破坏剪切刚度随粗粒含量的增大呈指数增加，归一化剪切刚度随往复剪切次数的增加而线性减小。土样剪切刚度受粗粒含量和往复剪切次数影响显著。

（4） 堆石料本身矿物成分与组构特征的差异是其强度劣化的本因，往复剪切是触发因素并改变了土颗粒原有的空间分布与接触方式，颗粒破碎不断加剧，块石颗粒咬合作用减弱，土体抗剪强度呈现逐渐衰减的趋势，具体表现为土体黏聚力和内摩擦角均随往复剪切次数的增加而逐渐降低。

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（编辑：郑 毅）

Experimental study on reciprocating shear characteristics and strength degradation of muddy siltstone rockfill

XIONG Zhiming1，2，DU Jun2，YANG Zhiquan1，SHEN Xinggang2

（1.Faculty of Public Safety and Emergency Management，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China； 2.College of Architecture and Civil Engineering，Kunming University，Kunming 650214，China）

Abstract：

The reciprocating shear mechanical properties and strength degradation mechanism of rockfill have important research significance for stability analysis of high fill slopes.A direct shear test was carried out to analyze the shear strength，hysteresis loop area，damping ratio and shear stiffness of soils with different coarse-grained contents and to furtherly explored its degradation mechanism.The test results showed that the shear strength of argillaceous siltstone rockfill was significantly affected by coarse grain content and reciprocating shear times.The shear strength increased with the increasing of coarse grain content and decreased with the reciprocating shear times.The area of hysteresis loop was positively correlated with coarse grain content and negatively correlated with the numbers of reciprocating shear.The damping ratio had nothing to do with the coarse grain content，but it decreased with the increasing of the numbers of reciprocating shear.The exponential relationship between shear stiffness of soil failure and the coarse grain content was significant，and the normalized shear stiffness was linearly correlated with the numbers of reciprocating shears.Based on this，an empirical formula of shear stiffness of argillaceous siltstone rockfill considering different coarse grain content and reciprocating shear times was established，which can provide a calculation basis for the stability analysis of accumulation bodies.

Key words：

rockfill material； coarse grain content； strength deterioration； reciprocating direct shear； shear strength