基质胶结对土石混合体强度变形特性影响

高 玮， 胡瑞林

中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029



基质胶结对土石混合体强度变形特性影响

高 玮， 胡瑞林

中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029

利用应变控制式静力三轴剪切仪，对具有不同胶结程度和含石量的土石混合体试样进行了固结不排水剪切试验；通过对制备的土石混合体试样的应力-应变关系、孔隙水压力变化、有效应力路径和抗剪强度指标等试验结果的对比分析，探讨了不同胶结程度土石混合体试样的差别及产生原因。试验结果表明：不同胶结程度土石混合体破坏方式可分为剪切带破坏和鼓肚变形破坏两种基本类型；胶结使得土石混合体应力应变关系和孔隙水压力变化与未胶结土石混合体差异明显，胶结作用对土石混合体的剪胀和软化特性影响显著。在块石软硬程度、形状及试样密实度相近的条件下，不论是否胶结或胶结程度如何，土石混合体有效内摩擦角φ’与无量纲粒度分布特征参数D50WBP/D60具有较好的线性相关性。试验结论为确定不同胶结程度土石混合体强度提供了参考。

土石混合体；基质胶结；固结不排水剪切试验；含石量

0 引言

工程建设中经常遇到残坡积物、冲洪积物和冰水堆积物等堆积介质，其物质成分以土夹砾石或块石以及砾石或块石夹土为主,物质结构杂乱无章、分选性差、粒间结合力和透水性差别大。这类由细粒土和粗粒土混杂且缺乏中间粒径的土称为混合土[1]。Medley[2]、油新华[3]、徐文杰[4]等学者根据块石在岩土体中的作用把混合土中块石含量处在一定范围，基质、块石强度具有一定差异的岩土体称为“土石混合体”。

a.残坡积土石混合体；b.崩坡积土石混合体；c.冲洪积土石混合体；d.冰水堆积土石混合体。图1 不同成因土石混合体Fig.1 S-RM in different formation

图1为不同地质历史时期形成的土石混合体。第四系全新世形成的残坡积土石混合体(图1a)，由于是新近堆积，基质胶结程度低，结构松散，极易诱发滑坡等地质灾害。而第四系中更新世形成的冰水堆积土石混合体(图1d)，由于形成年代久远，在冰蚀作用、冰积作用、冰水侵蚀作用以及后期的冲蚀、冲积作用下，基质胶结程度高，结构致密，即使在边坡近90°的情况下，也具有极高的稳定性。因此，基质胶结程度的不同，土石混合体的整体强度和稳定性是显著不同的，基质的作用不容忽视，基质胶结对土石混合体细观和宏观力学性能的影响值得进一步关注。

虽然国内外学者通过室内试验和现场试验对土石混合体的变形破坏特征及抗剪强度参数进行了充分的研究[5-11],但以往的试验研究多是在基质未胶结的情况下进行的，土石混合体为松散状态，结构性较差。而对于不同胶结程度，具有一定结构性的土石混合体变形破坏特征及抗剪强度参数研究很少。笔者采用人工制备不同胶结程度、具有一定结构性的土石混合体试样，分别对其在不同围压、含石量条件下进行常规三轴固结不排水剪切对比试验研究，分析和探讨了基质胶结、含石量对土石混合体试样力学特性、抗剪强度参数的影响。

1 试样类型及制备方法

1.1 试样类型

笔者采用调整土石混合体中块石的体积含石量来配制具有相同基质干密度、不同含石量的土石混合体，并通过掺入相同质量分数水泥(2%)、调节水泥养护时间来获得不同基质胶结程度的土石混合体，其中基质胶结程度由控制干密度下基质无侧限抗压强度qu定量表征。为与其他文献成果对比研究，特将体积含石量转换为质量含石量(block proportion by weight，WBP)，且后文所提含石量均为质量含石量。

根据Medley、Linguist[12]对土石混合体的研究发现，土石混合体具有比例无关性(scale-independence)这一重要特点，即在不同的工程尺度Lc下，基质/块石阈值dS/RT应满足以下条件：

(1)

据此,当构成土石混合体的颗粒粒径d≥dS/RT时,将其划分为“块石”；当d

另外，郭庆国[13]通过大量的试验研究表明：D/dmax=4～6可基本消除试样尺寸效应(D为试样直径；dmax为最大的试验粒径)。因此，本次试验将粒径<2 mm的细粒作为基质，将粒径≥2 mm的粗粒作为块石，且最大粒径不超过10 mm。其中： 粒径<2 mm的基质取自中国科学院地质与地球物理研究所院内正在施工的仪器开发大楼基坑内黏质粉土，其基本物理力学参数见表1；粒径≥2 mm的块石为该建筑工地使用的碎石料，均匀性、磨圆度较差(图2)。水泥为钻牌32.5普通硅酸盐水泥。试验主要制备了3种含石量、2种不同养护时间下的土石混合体。不同含石量土石混合体级配见图2。另外，为了对比胶结和无胶结情况下土石混合体的力学特性，笔者还制备了未掺水泥的土石混合体试样。

图2 土石混合体试样级配曲线及基质块石照片Fig.2 Cumulative grain size distribution of S-RM and photos of matrix and block samples

1.2 制备方法

先将水泥与土石混合体在干燥状态下搅拌，再放入适量水(水与水泥质量比为2∶1)进行二次搅拌，搅拌均匀后分四层进行静力压实，控制基质干密度(1.7 g/cm3)。在制样过程中，尽量将大颗粒块石置于制样筒中部，边缘部位用基质细粒填充，以减小大颗粒块石对橡皮膜带来的刺入破坏和边界摩擦效应。所有试样在加载前均进行抽气饱和24 h以上的饱水过程，充分排出试样中的空气。胶结试样在饱和后继续放在水中浸泡不同时间，使水泥充分发挥其胶结作用，以达到不同胶结程度的目的。本试验在中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室KTG试验设备上进行，所有试样加载速率为每分钟应变0.5%。三轴试验试样为圆柱体，直径3.91 cm、高8 cm，操作方法严格按照GB/T 50123-1999[14]要求。

2 试验结果及其分析

2.1 土石混合体破坏方式

在不同试样含石量、胶结程度和试验围压条件下，试样最终表现出不同的破坏现象，即鼓肚变形破坏和剪切带破坏两种(表2、图3)。鼓肚变形破坏方式主要表现为试样发生均匀剪切变形，中部轻微鼓起，试样两端无明显变形(图3a)。剪切带破坏方式主要表现为试样破坏时出现单一集中的剪切破坏面(图3b)。

根据试验统计结果可以得出胶结情况、含石量、试验围压均影响试样的破坏方式。无胶结土石混合体试样，不论含石量和围压如何变化，其破坏方式均为鼓肚变形破坏。胶结土石混合体试样， 破坏方式随含石量的升高和围压的增加， 逐步由剪切带破坏向鼓肚变形破坏方式过渡。此外，试样胶结程度越高，越容易发生剪切带破坏。

表1 黏质粉土的物理力学性质

表2 土石混合体试样破坏方式统计表

注：a.鼓肚变形破坏；b.剪切带破坏。

a.鼓肚变形破坏；b.剪切带破坏。图3 不同条件下试样破坏方式Fig.3 Failure mode under different conditions

2.2 基质胶结对应力应变曲线的影响

图4是含石量为39%的土石混合体在不同胶结程度下的应力应变关系曲线。由图4可知，土石混合体的应力应变曲线形态不仅受到围压的控制，还受到胶结程度的影响：未胶结试样，在围压为100、200 kPa时，应力应变曲线为轻微应变软化现象，当围压为300 kPa时，偏应力随轴向应变的增加而增加，应力应变呈明显的非线性关系(图4a)；胶结试样，应力应变曲线均呈现应变软化形态，峰值明显，出现在应变1%～3%，且峰值强度随胶结程度的提高而升高(图4b，c)。应变软化发生后，胶结土石混合体试样并没有像其他脆性材料那样发生迅速的应力跌落，而是较为缓慢，呈线性下降，直到试验结束；说明其应变软化过程是胶结逐步破损的过程。

2.3 基质胶结对孔隙水压力的影响

从S-RM-39试样固结不排水剪切试验的孔压应变关系曲线(图5)可以看出，胶结程度对土石混合体孔隙水压力的影响强烈，且其影响规律随围压变化有所不同。

a.未胶结；b.胶结养护1 d；c.胶结养护3 d。σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，εa为轴向应变。图4 不同胶结程度S-RM-39应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of S-RM-39 with different cementation

a.未胶结；b.胶结养护1 d；c.胶结养护3 d。u为孔隙水压力。图5 不同胶结程度S-RM-39应变和孔压关系曲线Fig. 5 Pore-strain curves of S-RM-39 with different cementation

当试样无胶结时，在不同的固结应力状态下，孔压随着应变的增加而增加，后逐步趋于稳定(图5a)。试样胶结后：当围压为100、200 kPa时，孔隙水压力先逐渐增加，出现峰值后，迅速下降，并最终维持在负值；当围压为300 kPa时，孔隙水压力达到峰值后的下降速度较缓，并维持在正孔隙水压力(图5b，c)。这主要是由于：当土石混合体未胶结时，试样整体结构性差，在试样剪切的过程中基质细粒移动、塌陷、填充颗粒之间孔隙，因此造成孔隙水压力上升；当土石混合体胶结后，基质内部，基质与块石之间的胶结起到阻止试样发生变形的作用，因此孔隙水压力上升较慢，随着胶结破损范围的扩大，由胶结破碎导致的附加变形迅速增加，因此孔隙水压力迅速下降，直至产生负孔压。

2.4 基质胶结对应力路径的影响

图6为不同胶结程度S-RM-39试样固结不排水剪切试验平均有效应力p′和偏应力q的应力路径变化关系图。由图6可见，具有不同胶结程度的试样在不同的固结应力状态下的有效应力路径变化是不同的。当试样无胶结时(图6a)：在100、200 kPa围压固结后，有效应力路径向左方向发展，表现为体积收缩的变形趋势；当固结围压为300 kPa时，应力路径存在一个明显的相转换点，在剪切过程中此点是未胶结试样变形趋势由压缩转为膨胀的分界点。当试样胶结后(图6b，c)，试样的应力路径均向右方向发展，当有效应力路径穿过总应力路径后，试样产生负孔隙水压力。这主要是由于胶结的土石混合体其整体结构性增强，基质细粒滑移、填充孔隙的几率减小，而由胶结破碎导致的附加变形增加，因此土石混合体剪胀作用增强。

2.5 胶结对不同含石量土石混合体的力学影响

a.未胶结；b.胶结养护1 d；c.胶结养护为最大有效主应力，σ3′为最小有效主应力，p为总应力。图6 不同胶结程度S-RM-39应力路径曲线Fig.6 CU stress paths of S-RM-39 with different cementation

图7 不同含石量土石混合体试样胶结养护1 d应力应变(a)和孔压关系(b)曲线Fig.7 Stress-strain (a) and Pore-strain (b) curves of S-RM with different WBP and same curing time

图7为不同含石量土石混合体胶结试样养护1 d、在围压为200 kPa时的应力应变曲线和孔隙水压力曲线对比图。当试样胶结后，不同含石量的土石混合体均表现为应变软化现象，随着含石量的增加，峰值强度逐渐增加，应变软化现象更加明显(图7a)。试样在轴向应变较小时具有一定的减缩现象，孔隙水压力上升，随后试样转为剪胀，且随着含石量的增加剪胀作用加强，孔隙水压力迅速下降，含石量为39%和60%试样的孔隙水压力甚至变为负值(图7b)。这主要是由于胶结试样随着含石量的升高，块石的骨架效应增强，试样孔隙很难被填充，块石相互错动、翻越或抬起的几率增加，因此导致剪胀作用增强。

从图7还可以看出，含石量为14%的土石混合体试样与未含块石的试样应力应变曲线和孔隙水压力变化曲线非常接近。这也证明块石含量必须满足某一界限值时，土石混合体中的块石才能对其整体的力学性能产生影响[2，12，15]。

2.6 抗剪强度指标分析

抗剪强度指标是土石混合体重要的力学性质之一，选取合理的抗剪强度指标对评价滑坡堆积体稳定性至关重要。在确定抗剪强度指标时选用的破坏准则是根据《土工试验方法标准》[14]的规定：应变硬化时采用轴向应变εa=15%所对应的主应力差作为破坏点；应变软化时采用峰值主应力差作为破坏点。试验数据整理结果如表3所示。

由表3可以看出，除含石量为60%的土石混合体外，胶结试样抗剪强度指标明显高于未胶结试样的试验结果。总体来说，总应力强度指标变化规律较差，有效应力强度指标φ′值变化规律较为明显，随着质量含石量的增加逐渐增加。虽然添加水泥的方法能够模拟结构性土胶结这个主要因素[16-19]，但仍不能与天然状态下组构特征和粒间作用力特征完全一致，因此导致本次试验对土石混合体黏聚力c值的影响显著，而对于土石混合体内摩擦角φ值影响不明显，这主要是由于水泥的胶结作用使土石混合体整体结构强度增强所致。

土石混合体抗剪强度主要受基质胶结程度，含石量，块石软硬程度、形状以及试样密实度的影响。根据前面分析可知，基质胶结作用对土石混合体有效应力φ′值影响较小，因此当土石混合体密实度、块石软硬程度及形状接近时，不同基质胶结程度下土石混合体抗剪强度参数便主要受到含石量等粒度分布参数的影响。

表4总结了块石软硬程度、形状及试样密实度相近条件下，不同基质胶结程度土石混合体现场试验结果，结合本次土石混合体室内试验数据可以看出土石混合体有效内摩擦角与无量纲粒度分布特征参数D50WBP/D60具有很好的线性相关性，且相关系数R2=0.814 2(图8)。

表3 土石混合体抗剪强度指标

注：ccu、φcu为三轴固结不排水条件下土的黏聚力和内摩擦角；c′为有效黏聚力；φ′为有效内摩擦角。

表4 土石混合体含石量、粒度分布参数及有效内摩擦角

注：D60为限制粒径；D50为平均粒径。

图8 有效内摩擦角与粒度分布无量纲参数D50WBP/D60的关系曲线Fig.8 Relationship between φ′ and parameters of particle size distribution

3 结论

1)不同胶结程度土石混合体破坏方式可分为剪切带破坏和鼓肚变形破坏两种基本类型，胶结程度、含石量和围压影响着土石混合体的破坏方式。

2)胶结作用对土石混合体的剪胀和软化特性具有显著影响。胶结程度越高，土石混合体越容易出现应变软化和剪胀现象，从而产生较大的负孔隙水压力。由于胶结和块石骨架作用的影响，相同胶结程度的土石混合体随着含石量的增加，剪胀和软化特性增强显著。

3)胶结作用对提高土石混合体黏聚力值效果显著，不论胶结程度如何，土石混合体有效应力强度指标φ′值均随着含石量的增加逐渐增加。

4)当土石混合体密实度、块石软硬程度及形状接近时，不同胶结程度土石混合体有效内摩擦角φ′与无量纲粒度分布特征参数D50WBP/D60具有较好的线性相关性，且相关系数R2=0.814 2。

在土石混合体力学性质和工程性质的研究中，基质的性质是不可忽略的因素。笔者只是就土石混合体中基质胶结的影响做了初步探讨，进一步的试验和研究工作还在进行之中。

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Experimental Research on Strength Characteristics of Soil-Rock Mixture with Different Matrix Bonding

Gao Wei, Hu Ruilin

KeyLaboratoryofEngineeringGeomechanics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029，China

Based on the strain-controlled static tri-axial shear apparatus, the authors conducted a series of consolidation un-drained shear tests on manmade soil-rock mixture (S-RM) with different matrix bonding and block proportion by weight (WBP). The difference of the results with various matrix bonding as well as their causes of the difference were studied by a comparative analysis of the stress-strain relationship, pore pressure, effective stress path, and shear strength parameters. The test results show that the failure models of S-RM with different matrix bonding can be classified as shear band and bulge deformation damage. The different matrix bonding causes a big difference on stress-strain relationship and pore pressure. The matrix bonding strongly affects the mechanical behavior of dilation and the strain-softening of S-RM. The effective internal friction angleφ′ of different bonding S-RM has a good liner correlation with the dimensionless parameterD50WBP/D60under the similar conditions of the hardness,shape of rock, and the density of samples. The conclusions drawn from the test were significant and useful for obtaining the strength of a soil-rock mixture with different matrix bonding.

soil-rock mixture (S-RM); matrix bonding; consolidation un-drained shear tests; block proportion by weight (WBP)

10.13278/j.cnki.jjuese.201504202.

2014-11-15

国家自然科学基金项目(41330643，41072226)

高玮(1981--)，女，博士研究生，主要从事工程地质和环境岩土工程的研究，E-mail:gaowei@mail.iggcas.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504202

TU43

A

高玮，胡瑞林.基质胶结对土石混合体强度变形特性影响.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(4):1164-1172.

Gao Wei, Hu Ruilin. Experimental Research on Strength Characteristics of Soil-Rock Mixture with Different Matrix Bonding.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):1164-1172.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504202.