土石混合料与岩石接触面强度特性模拟试验研究*

艾英钵 徐阳阳 邱维邦

(①河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098，中国) (②河海大学岩土工程科学研究所，南京 210098，中国)

0 引 言

土-岩混合边坡往往沿着土与岩石接触界面发生滑动，因而常常将土与岩石接触界面作为软弱面来考虑并以接触面上抗剪强度来计算安全系数。因此，必须对接触面的强度特性进行研究。Potyondy(1961)、Clough et al. (1971)、殷宗泽等(1994)利用直剪试验研究土与混凝土接触面的力学特性，总结出影响接触面强度的4大因素为土质、含水量、粗糙度、法向应力。张茜等(2015)利用大型叠环直剪实验研究了粗粒土受剪切之后的强度特性，发现粗粒土受剪切后仍具有很高的抗剪强度。张冬霁等(1998)、卢廷浩等(2000)用单剪试验进行了土与不同结构物接触面力学特性的试验。王伟(2006)通过改进单剪仪进行正反向剪切试验，研究不同含水率与正向剪切比对接触面反向抗剪强度的影响规律。Tsubakihara et al. (1993)对黏土和掺砂黏土与钢板接触面做了大量的直剪和单剪试验，总结出接触面的3种破坏形式：接触面处的滑移破坏、剪切形成的滑动塑性带在土体内的破坏以及两者同时发生的破坏，并提出了接触面的临界粗糙度的概念，认为结构物接触面的粗糙度小于临界粗糙度时，剪切过程中发生的是相对滑移破坏；当结构面的粗糙度大于临界粗糙度时，剪切过程中发生的是形成剪切滑动带在土体内部的破坏。张嘎等(2003，2004，2005)做了大量粗颗粒土与不同结构接触面的大型直剪试验，发现了在单向直剪及循环剪切过程的粗颗粒土破碎规律。徐永福(2018)分析了粗粒土直剪试验后的颗粒破碎情况对强度特性的影响，发现颗粒破碎程度越高，粗粒土的内摩擦角越小。薛亚东等(2015)用大型直剪试验研究了含水率对土石混合体力学特性的影响。抗剪强度随着含水率的变化大致经历3个阶段：缓慢下降阶段(天然～20%含水率)，快速下降阶段(20%～30%含水率)，缓慢下降阶段(30%～40%含水率)。徐鼎平等(2012)通过室内和现场直剪试验得出土岩接触面的抗剪强度和接触面岩石形貌有关，接触面越粗糙，抗剪强度越大。孟祥瑞等(2018)用快剪试验得出层间错动带岩石的碎裂程度对抗剪强度有显著影响，岩体的抗剪强度与层间错动带岩体的碎裂程度负相关。

对于土-岩混合边坡，其上部土体是由全风化的岩石构成，下部岩石表面也有不同程度的风化，部分岩石风化程度较高有的甚至开始向土过渡；工程地质学中，按起伏高度的几何形态，土岩接触面可分为平直状，台阶状，锯齿状，波浪状4类。天然岩石表面是这4种形态的不同组合。所以有必要针对不同的岩石表面形态和风化程度的土岩接触面强度特性进行研究。目前的土岩接触面的研究还是以直剪实验为主，但土-岩接触面可能发生的破坏包括：接触面处的滑移破坏；剪切形成的滑动塑性带在土体内的破坏；接触面上部土体的破坏。破坏型式与土岩接触面性质有密切关系，所以土岩接触面的破坏面是不唯一的。它可能在土岩接触面上，可能在剪切形成的滑动塑性带内，也可能在接触面上部土体内。直接剪切试验剪切面固定，难以反映土-岩接触面的真实破坏形态，而岩石的表面形状，岩石的风化程度对土-岩接触面的强度特性有显著影响，在不同的岩石条件下，土岩破坏面是不确定的，所以直剪实验的破坏面的唯一性导致了它不能真实反映土岩接触面破坏情况，而叠环单剪试验可以较好地模拟在不同岩石条件下不同破坏面的试验研究。因此，本文就叠环单剪试验开展模拟岩石表面形状不同、风化程度不同的土石混合料与岩石接触面的强度特性研究。

1 试验概况

1.1 试验仪器

本次试验仪器为SS-300大型叠环单剪直剪仪。该设备用于测定粗粒土的抗剪强度，也可以进行不同材料接触面特性试验等。大型单剪直剪仪的剪切盒如图 1所示，进行接触面试验时，下盒用模拟岩石代替，上盒为叠环，内径为300imm，叠环分为5层，每层高度20imm。

图 1 大型单剪直剪仪剪切盒示意图Fig. 1 Schematic diagram of the monotonic shear apparatus

1.2 试验材料

本次试验土石混合料取自四川省317国道炉霍县境内俄而雅塘至岗托段的公路发生滑坡的边坡处。其平均密度为2.25g·cm-3，平均含水率为8.9%。大型单剪试验仪器最大限制粒径为60imm，所以需要对原状土石混合料的颗粒粒径进行缩尺，本文试验中采用的缩尺方法为等量替代法(郭庆国，1987，1998)，具体粒径分布图 2所示：

图 2 原状土及缩尺后土样粒径Fig. 2 Soil size of undisturbed soil and the soil size after scale

该土石混合料为砾石类，级配良好。利用大三轴试验测得该土的抗剪强度指标为c=42.2ikPa，内摩擦角φ=34.93°。

自然界中岩石结构面形态各异，十分复杂，采用原状岩石进行试验也缺乏代表性，因此，采用对岩石表面形状进行分类模拟的方法进行室内试验，方便而且易于定量比较分析。吴彩燕等(2005)将坡形划分为直线形、凸形坡、凹形。马驰(2016)通过对岚皋县境内的318线土-岩接触面滑坡进行调查，将滑移面岩石结构面分以下几种类型：弧形、线型、阶形、起伏。本文参考实际地貌制作了平直状结构面、锯齿状结构面、阶梯状结构面、水波状结构面，另外考虑岩石表面凸起的随机分布制作了不连续的单点凸起等情况，为了便于研究粗糙度对土岩接触面破坏的影响，还制作了两种不同高度的锯齿状结构面，鉴于实验仪器的限制，最大起伏高度设定为20imm，具体如图 3。

图 3 不同模拟岩石形状(单位：mm)Fig. 3 Shapes of different simulated rock (unit: mm)

根据《岩土工程勘察规范》GB50021—2001，对岩石坚硬强度分类见表 1。由于取土地其底部接触面岩层多为软岩且具有较强程度的风化(表 1)，此类岩石的抗压强度小于15iMPa；部分强风化的软岩其强度甚至小于5iMPa，高强度岩石的接触面滑坡与岩石抗压强度无关，

表 1 岩石坚硬程度分类Table1 Rock strength classification

坚硬程度坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度/MPafr>6060≥fr>3030≥fr>1515≥fr>5fr≤5

所以本文以制备抗压强度为2.5iMPa、5iMPa、7.5iMPa、10iMPa、15iMPa、20iMPa的模拟岩石来进行试验，借助杜时贵等(2010)的研究成果，利用相似比原理，釆用中砂、硅粉、水泥、减水剂及水的混合料来模拟原岩结构面，并不断地调整配合比，使得岩石抗压强度达到对应的数值。

1.3 试验方案

针对不同模拟岩石形状及不同岩石风化程度的岩石的土岩接触面，在不同的法向应力下进行大型叠环单剪试验，探究其强度特性。

2 试验结果分析及讨论

2.1 不同岩石接触面形状强度

对抗压强度为20iMPa的不同表面形状的模拟岩石与土石混合料进行叠环单剪试验，探究模拟岩石表面形状对接触面强度特性的影响，得到土-岩接触面剪应力-剪切位移曲线(图 4)：

图 4 不同岩石形状的剪应力-位移关系Fig. 4 Relations of the shear-stress and the shear-displacement of different shapes

表 2 不同岩石形状接触面粗糙度RTable2 The roughness R of contact surface of different rock shape

形状平直状a锯齿状b1锯齿状b2阶梯状c水波状d单点凸起e粗糙度R04.25 mm8.36 mm4.26 mm4.46 mm2.56 mm

由图 4可知：各试样随着法向应力增大，抗剪强度随之增大；在相同的法向应力下，锯齿状b2的抗剪强度(h=20imm)最大，平直状a(h=0)最小，且差异很大，可以看出接触面形状对抗剪强度影响很大，土岩接触面起伏高度越大，土与岩石之间的接触面积就越大，土岩接触面的粗糙度就越大(表 2)，发生剪切破坏时，土岩之间的咬合力就越大，从而抗剪强度也就越高。而对于同一起伏高度下的试样的曲线比较接近，因为岩石表面粗糙度(表 2)几乎相等，所以土岩之间咬合力基本相同，抗剪强度差异不大。在同一起伏高度下水波状的抗剪强度最大。

这是因为存在应力集中现象，锯齿状和阶梯状在高应力作用下表面尖角部分会出现少许的破损，而导致土岩之间的咬合力下降，而水波状较前两者更难破坏。

以曲线的剪应力峰值作为该级法向应力σ下的土的抗剪强度(图 5)，得到各种形状接触面抗剪指标(表 3)。可以看出锯齿状b2(h=20imm)的抗剪强度是最大的，且曲线拟合库仑-莫尔强度公式线性程度较好。为了探究岩石表面形状对强度特性的影响，通过表面粗糙度来描述不同的接触面形状。

图 5 不同岩石形状的接触面抗剪强度线Fig. 5 Shear strength of contact surface of different rock shape

表 3 不同岩石形状接触面的抗剪强度指标Table3 Shear strength index of contact faces of different rock shape

形状平直状a锯齿状b1锯齿状b2阶梯状c水波状d单点凸起e黏聚力c22.8740.3552.3440.4640.8343.57内摩擦角φ/(°) 23.77 31.27 34.34 31.31 31.56 28.71

Kishida et al. (1987)定义材料表面粗糙度为材料表面某一长度范围内的最大高差，常用的混凝土表面粗糙度测定方法有灌砂法。该法简单易行，但在混凝土表面为非水平的时候无法使用；粗糙度测定仪法和分数维值，工作量大，不适合大面积试样；硅粉堆落法是就粗骨料外露情况凭经验评价混凝土粗糙度；Barton et al. (1977，1982)根据大量模型试验和现场观测结果，提出了反映节理起伏状态的粗糙度系数JRC，并提出了10条标准JRC曲线，取值范围为0≤JRC≤20。在实际应用中，将实际结构面剖面曲线与标准粗糙度等级剖面曲线进行对比。从实验结果来看，对于同一起伏高度下4种不同接触面形状的强度特性是有差异的，所以JRC粗糙度并不适用于描述不同接触面形态岩石。

由于本实验模拟岩石面积较小，测量方法可以借鉴测量混凝土表面平均凹槽深度的灌砂法。模拟岩石表面平均凸起高度可表示为：

(1)

式中：h为表面凸起点的平均高度；R为平均灌砂深度，可以表示物体表面粗糙度；V0为灌在岩石表面上的砂的体积；A0为表面为理想平面时的面积。建立粗糙度R与接触面摩擦角的关系(图 6)。

图 6 不同表面形状粗糙度R和摩擦角的关系Fig. 6 Relationship between roughness R and friction angle of different surface shapes

由图 6可知，摩擦角和粗糙度是成正相关的。这和徐鼎平等(2012)的接触面越粗糙，抗剪强度越大结论是一致的。图中可以看出摩擦角随粗糙度R增大的幅度趋于平直。由Tsubakihara et al.(1993)提出了接触面的临界粗糙度的概念，可猜测存在一临界接触面粗糙度Rr，当接触面摩擦角增加到土体内摩擦角，此时是剪切带中的土体发生破坏。

2.2 岩石风化程度对接触面强度特性的影响

保持岩石表面形状相同，对不同风化程度的岩石进行剪切强度探究，因在同一起伏高度下，几种类型结构面抗剪强度差异不大，所以对模拟岩石表面形状为锯齿状b1进行剪切实验，以平直状a的接触面作为参照，分别在模拟岩石抗压强度fc为2.5～20iMPa下进行叠环单剪试验，探究模拟岩石不同风化程度对接触面强度特性的影响。

2.2.1 接触面类型为锯齿状b1

不同模拟抗压强度的土-岩接触面剪应力-剪切位移曲线如图 7所示：

图 7 接触面为锯齿状b1的剪应力-位移关系Fig. 7 Relations of the shear-stress and the shear-displacement in serrate structure b1

由图 7可知岩石的风化程度对土岩接触面抗剪强度的影响很大：在fc=2.5iMPa下，模拟岩石在低法向应力下抗剪强度最大，而在高法向应力下抗剪强度最小；当fc>10iMPa，抗剪强度基本不发生变化。这是因为在剪切应力作用下，fc=2.5iMPa模拟岩石表面锯齿开始发生破坏，锯齿表面由平整变为毛糙，加大了土与岩石间的咬合力，使得抗剪强度增加，而在高法向应力作用下，锯齿完全破坏，粗糙度减小，抗剪强度下降，fc=5iMPa的模拟岩石具有相同的趋势，只是延后发生了；当fc>10iMPa，接触面不发生损坏。说明接触面破损是不同抗压强度接触面变化的主要原因，试验结束后进行了每个试件的粗糙度测量(图 8)。

图 8 锯齿接触面剪切后粗糙度的变化Fig. 8 Roughness change after shearing of serrate structure

然后可建立剪切后粗糙度R0与抗剪强度的关系，以法向应力为400ikPa为例(图 9)。

图 9 剪切后不同模拟岩石粗糙度与抗剪强度的关系Fig. 9 Relationship between roughness and shear strength of different rock sample

由图 9可知在接触面为锯齿状时，接触面抗剪强度和抗压强度正相关，这是接触面破损粗糙度减小的结果，以曲线的剪应力峰值作为该级法向应力σ下的土的抗剪强度，得到不同风化程度接触面抗剪强度线(图 10)。

图 10 接触面为锯齿状b1的抗剪强度包线Fig. 10 Shear strength fitting curves of serrate structure b1

由图 10可知低抗压强度模拟岩石抗剪强度线呈明显的非线性，而fc>10iMPa的模拟岩石拟合莫尔-库仑强度公式线性程度较好，这是因为在剪切过程中低抗压强度接触面发生损坏。

2.2.2 接触面类型为平直面a

由第2.2.1可知，模拟岩石抗压强度大于10iMPa时接触面不发生破坏，所以该组试验只取2.5～10iMPa，不同模拟抗压强度的土-岩接触面剪应力-剪切位移曲线，如图 11所示。

图 11 接触面为平直面a的剪应力-位移曲线Fig. 11 Relations of the shear-stress and the shear-displacement in straight face

由图 11可知，模拟岩石抗压强度与接触面抗剪强度大体上成负相关，其中fc=2.5iMPa的抗剪强度最高，且模拟低抗压强度岩石随着法向应力的增大起伏波动幅度很大。在法向应力=200ikPa条件下，低抗压强度模拟岩石在剪切位移为15imm左右的时候，抗剪强度发生突变。这是因为随着法向应力的增大，在剪应力作用下，低抗压强度岩石接触面表面开始损坏出现凹槽，使得接触面粗糙度增加，土与岩石之间的咬合力增大，抗剪强度随之增大。同样测出剪切后的粗糙度R(图 12)，然后可建立粗糙度R和抗剪强度之间的关系(图 13)。

图 12 平直接触面剪切后粗糙度变化Fig. 12 Roughness change after shearing of straight face

图 13 剪切后不同模拟岩石粗糙度与抗剪强度的关系Fig. 13 Relationship between roughness and shear strength of different rock sample

由图 13可知，在接触面为平直状时，接触面抗剪强度和抗压强度负相关，这是接触面破损粗糙度增大的结果。以曲线剪应力峰值作为该级法向应力σ下的土的抗剪强度，可得到不同风化程度接触面抗剪强度线(图 14)。

图 14 接触面为平直面a的抗剪强度线Fig. 14 Shear strength fitting curves of straight face

由图 14可知，在高法向应力下，fc=2.5iMPa的抗剪强度最高，fc=10iMPa最小。不同于锯齿状，平直状拟合莫尔-库仑公式线性程度较好，但是在高法向应力下，低抗压强度接触面发生损坏，此时抗剪强度线应表现出非线性。对此的解释是：在高应力水平下，接触面发生损坏的同时，粗颗粒土也发生了破碎。两者共同作用下使得接触面强度包线表示出较好的线性。

综上所述可以得知，在土-岩混合边坡中，岩石风化程度是接触面抗剪强度的重要影响因素。剪切过程中不同的破损程度是抗剪强度变化的主要原因。这和孟祥瑞等(2018)得出的岩石破碎程度对抗剪强度影响很大的结论是一致的。另外当接触面岩石风化强度较高时，接触面的岩石表面较为平整时，接触面的抗剪强度将会提高。这其实是一种有利因素。

3 土-岩接触面抗剪强度的估算

郭国庆(1987)提出粗粒土抗剪强度包线有4种形式，可以用一个通式表示：

τ=APa(σ/Pa)B+C

(2)

式中：τ为剪应力；σ为法向应力；Pa为大气压；A、B、C为强度参数。在此式中，A可表示为接触面初始摩擦角，即接触面在低法向应力下表现出的摩擦角；B为抗剪强度包线的非线性程度，B值越小，抗剪强度包线非线性程度就越大；C为接触面的初始黏聚力；当B=1时接触面满足库仑破坏准则。

而模拟岩石表面形状主要影响接触面的摩擦角，以粗糙度R来对岩石表面形状进行描述；模拟岩石风化程度主要影响抗剪强度线的线性程度，本文定义接触面损坏后粗糙度的相对改变量为损伤系数D，其表达式为：

(3)

式中：D为损伤系数；R为接触面损坏前粗糙度；R′为接触面损坏后粗糙度。

以损伤系数D对接触面的风化程度进行描述，并结合粗糙度R和损伤系数D对式(2)系数进行修正。修正公式设为：

τ=k1A0Pa(σ/Pa)m1B0+C

(4)

式中：k1与模拟岩石表面形状有关；m1与模拟岩石的风化程度有关；A0、B0为接触面平直面(R=0)、模拟岩石表面抗压强度10iMPa以上(接触面不损坏)时接触面的强度参数A0=0.44，B0=1。

土石混合料接触面黏聚力c较小，对接触面抗剪强度影响不大，因此不做细致的讨论。

对于k1，以粗糙度R来描述岩石表面形状，由实验数据建立k1和R的关系：

k1=1+0.11304R-0.0056R2

(5)

式(5)所示的拟合度达R2=0.99919，k1取值范围为1～1.57，当粗糙度增大到一定值的时候，接触面摩擦角接近土体摩擦角，k1值不再增大。

对于m1，将接触面为锯齿状b1在不同风化程度下进行叠环单剪实验的数据拟合抗剪强度包线通式(表 4)。

表 4 抗剪强度拟合结果Table4 Fitting result of shear strength

抗压强度/MPaABC/kPa拟合度R22.50.6890.794380.9785.00.7140.839380.9637.50.6920.913380.98510.00.6670.928380.984

从表 4 中再次验证风化程度与A值无直接关系，以损伤系数D建立m1与风化程度的关系：

m1=0.93241-0.41088D-0.2617D2

(6)

式(6)所示关系的拟合度达0.967i57，m1的取值范围为m1≤1，岩石抗压强度越小，m1值小，接触面抗剪强度包线非线性越明显。当fc>10iMPa时，接触面凸起不会发生剪坏(D=0)，但此时m1并不等于1，因为粗粒土的抗剪强度线并不是完美地满足线性条件，所以这个结果是合理的。

4 结 论

(1)接触面摩擦角与接触面表面凸起形状有关：相同条件下，岩石表面凸起的平均高度越大，粗糙度R越大，接触面抗剪强度也就越大，直至接近土体抗剪强度；岩石表面凸起形态也有一定的影响；在同一凸起高度下，有水波状>阶梯状锯齿状>单点凸起。

(2)岩石风化程度对接触面抗剪强度影响也很大。剪切过程中低抗压强度接触面发生破损是抗剪强度变化的主要原因：当接触面有凸起时，在低法向应力下，凸起开始发生损坏，凸起表面由平整变为毛糙，抗剪强度增大；在高法向应力下，凸起发生成片的损坏，粗糙度下降导致抗剪强度的下降；当接触面无凸起时，低抗压强度模拟岩石表面发生损坏出现凹槽，粗糙度增加，接触面抗剪强度增加。

(3)由结构面表面形状参数R和损伤参数D来描述岩石表面形状和风化程度的影响，并由本次试验数据对粗粒土抗剪强度公式系数进行修正。