含软弱夹层的强风化泥岩强度及破坏模式试验研究

傅旭东 卢继忠 黄 斌 张雨廷

(武汉大学土木建筑工程学院， 武汉 430072)

随着公路建设的高速发展，高等级公路跨越不同的地质地貌单元，出现了大量的高填路堤和深挖路堑，在公路施工及运营中，保持其稳定极为重要[1].边坡中各类结构面，尤其是软弱夹层常成为边坡失稳的主要因素[2-4]，路基的开挖或填筑导致软弱夹层所受的应力状态改变，对边坡的稳定性不利[5].坡体深层软弱夹层及其附近存在着加速蠕变带和剪切破坏带[6]，边坡失稳不仅取决于软弱夹层的抗剪强度，还与软弱夹层附近岩层的抗剪强度有关，因此含软弱夹层的岩体的强度及破坏模式对边坡稳定性的研究尤为重要.含软弱夹层的岩体的强度参数与其破坏模式相关，需研究不同状态下含软弱夹层的岩体的破坏模式，从而选出能反映其实际破坏状态的强度参数[7].

一些学者基于现场直剪试验从软弱夹层的剪切变形特征[8-10]、剪切变形模型[11]、软弱夹层厚度[12]等方面对其抗剪强度参数进行了研究，但现场试验存在设备复杂、耗时费力、成本高、效率低等缺点[13-14]，难以得到广泛的应用.Hatzor等[15]通过室内直剪试验得到软弱夹层抗剪强度参数的实测值，发现用该实测值无法对边坡发生的实际破坏模式进行合理的解释.这与直剪试验无法准确反映含不同倾角软弱夹层的岩体的实际破坏模式有关.

三轴试验能较好地反映含不同倾角软弱夹层的岩体的破坏模式，一些学者通过三轴试验研究了倾角对含软弱夹层的岩体强度和破坏模式的影响.宋彦琦等[16]对天然状态下含0°、30°、45°、60°、90°倾角的软弱夹层试样进行三轴压缩试验，发现试样的强度及破坏模式与倾角有关，60°倾角时试样的破裂面与夹层面完全重合.Luo等[17]和郑青松等[18]对人工制备的不同倾角的软弱夹层试样进行三轴压缩试验，研究倾角对其应力-应变和破坏模式的影响，指出了Jaeger单结构面理论[19]的不足.吕布等[20]对含不同软硬接触面倾角的试样开展三轴压缩试验，对其破坏模式及 Duncan-Chang 模型参数进行了研究.以上对软弱夹层的三轴试验研究，均是针对夹层厚度很小或者无夹层的情况，属于接触问题[21]，没有考虑软弱夹层强度的影响，而实际工程中，软弱夹层的厚度及强度是必须考虑的[22].

针对上述不足，本文首先将取自某边坡的钻孔芯样制成强风化泥岩、泥化夹层三轴试样，采用三轴固结不排水剪试验对其强度特性进行了研究；然后制作含不同倾角的软弱夹层三轴试样(软弱夹层厚度为试样高度的6%，约为12 mm)进行三轴固结不排水剪试验，结合理论推导对含20°和45°倾角的软弱夹层三轴试样的强度和破坏模式进行研究，还研究了围压对试样破坏模式的影响.研究成果对边坡的稳定性分析和加固方案的设计具有一定的参考价值.

1 试验概况

1.1 试样制备

甘肃省天水市秦安县属陇中南部温带半温润气候，其雒堡村某边坡深层软弱层的埋深为80～100 m，钻孔取软弱层、非软弱层试样，软弱层为泥化夹层，非软弱层为强风化泥岩，边坡坡度在35°左右，软弱层倾角约为20°.试样制备如下：

1) 将强风化泥岩钻孔芯样放置于切土盘进行切削，制备成Φ39.1 mm×H80 mm的强风化泥岩原状样，试样的初始密度为2.23 g/cm3，初始含水率(质量分数)为14.8%，饱和度为92.0%.

2) 将泥化夹层钻孔芯样进行风干并制备泥化夹层重塑样，试样的密度和含水率与泥化夹层的天然密度和含水率相等.试样尺寸为Φ39.1 mm×H80 mm，初始密度为1.89 g/cm3，初始含水率为12.2%，饱和度为45.0%.

3) 分别制作含20°和45°倾角的软弱夹层三轴试样(见图1)，试样尺寸为Φ101 mm×H200 mm，软弱夹层厚度为试样高度的6%，约为12 mm.试样的上、下部分采用强风化泥岩原状土：用切土盘、切割机及砂轮切削成含有20°和45°斜面的圆柱，并对斜面作粗糙处理[19]，然后将其放入制样器中；中间软弱夹层采用泥化夹层重塑土(其密度、含水率分别与泥化夹层的天然密度、含水率相等).

(a) 20°倾角

1.2 试验方案

采用KTL全自动三轴仪，按照《土工试验规程》(SL 237—1999)[23]对强风化泥岩试样、泥化夹层试样和含软弱夹层的试样进行三轴固结不排水剪试验(即CU试验).

由于钻孔样的埋深较大，本试验中强风化泥岩试样的围压分别为0.8、1.2、1.6 MPa，泥化夹层试样的围压分别为0.4、0.8、1.2 MPa，含软弱夹层的试样围压为0.8 MPa(根据软弱夹层埋深取值).对试样进行抽真空饱和，然后进行反压饱和，再在预定围压条件下进行各向等压固结，待固结完成后进行不排水剪切，剪切速率控制为0.1 %/min，全自动记录轴力、轴向变形、孔压等物理量.本试验的应力-应变关系曲线有峰值时，取峰值为破坏点；应力-应变关系曲线无峰值时，取轴向应变ε1=15%为强度破坏点.

2 强风化泥岩和泥化夹层的强度特性

2.1 强风化泥岩的强度特性

对强风化泥岩的原状样进行固结不排水剪试验得到的应力-应变关系曲线、孔压-应变关系曲线、应力圆与强度包线如图2(a)～(c)、图3(a)所示，图中σ1为大主应力，σ3为小主应力，σ1-σ3为主应力差，u为孔压，σ为法向应力，τ为剪应力.试验参数如表1所示，其中ccu、φcu为三轴固结不排水剪试验得到的总应力强度指标，c′、φ′为三轴固结不排水剪试验得到的有效应力强度指标，K、n为初始切线模量Ei=Kpa(σ3/pa)n的试验常数(pa为大气压力，小主应力σ3在三轴试验中为围压).强风化泥岩的c′=4.8 kPa，φ′=32.6°，K=239.1.

由图2(a)～(c)可知，强风化泥岩的应力-应变曲线为应变软化型，峰值前为明显的线弹性变形阶段；孔压-应变关系也呈峰后软化的形态，孔压峰值点与强度峰值点对应的应变基本一致.由图3(a)可知，有效应力强度指标与总应力强度指标相比，有效应力黏聚力略小，内摩擦角略大.由图4(a)可知，试样呈明显的剪切破坏形态，且破坏角度约60°，与理论值45°+φ′/2=61.3°非常接近.

2.2 泥化夹层的强度特性

对泥化夹层重塑样进行固结不排水剪试验得到的应力-应变关系曲线、孔压-应变关系曲线、应力圆与强度包线如图2(d)～(f)、图3(b)所示，试验参数如表1所示.泥化夹层的c′=2.0 kPa，φ′=22.9°，K=90.2.

由图2(d)～(f)可知，泥化夹层的应力-应变曲线为应变硬化型，无明显的峰值，取轴向应变ε1=15%为强度破坏点；孔压-应变关系也为硬化形态.由图3(b)可知，有效应力强度指标与总应力强度指标相比，有效应力黏聚力较大，内摩擦角较大.由图4(b)可知，试样的破坏模式为鼓胀.

(a) σ3=0.8 MPa(强风化泥岩)

(d) σ3=0.4 MPa(泥化夹层)

(a) 强风化泥岩

表1 强风化泥岩与泥化夹层的三轴固结不排水剪试验参数

(a) 强风化泥岩

因此，强风化泥岩的内摩擦角大于泥化夹层的内摩擦角，其中总应力内摩擦角大16.3°，有效应力内摩擦角大9.7°；前者的K约为后者的2.7倍.

3 含软弱夹层的试样破坏模式

3.1 试验结果

对含20°和45°倾角软弱夹层的三轴试样进行0.8 MPa下三轴固结不排水剪试验，得应力-应变、孔压-应变关系曲线如图5所示，破坏模式如图6所示.

由图5(a)中的应力-应变曲线可知，含20°倾角软弱夹层的试样破坏的极限主应力差σ1-σ3为1.410 MPa，则试样的极限大主应力为2.210 MPa，接近强风化泥岩达到极限平衡状态时的大主应力2.491 MPa，相差约11%，这可能与试样破坏面经

(a) 含20°软弱夹层的试样

(b) 含45°软弱夹层的试样

(a) 20°倾角

过软弱夹层有关；应力-应变曲线和原状样相同，都为应变软化型，孔压最大为0.451 MPa.结合图6(a)中试样的破坏形态为斜面剪切破坏，破坏角约为60°，可以认为含20°倾角软弱夹层的三轴试样破坏面发生在非软弱夹层中，即试样发生整体剪切破坏.

由图5(b)中的应力-应变曲线可知，含45°倾角软弱夹层的试样破坏的极限主应力差σ1-σ3为0.550 MPa，与试样沿软弱夹层发生破坏时的主应力差0.549 MPa基本相等，且应力-应变曲线和重塑样相同，都是应变硬化型，试样孔压最大为0.552 MPa.在45°倾角试验过程中，试样先在图6(b)中线1的左端产生凸起，逐渐沿线1产生滑动，线2也逐渐形成，然后试样的顶面会产生一个顺时针的转角，线3逐渐形成，最后试样的上半部分沿着直线3和1产生滑动，这与文献[24]中提出的剪切带倾角不是固定不变的，而是随着剪切带的发展有逐渐增大的趋势的结论相吻合.因此，可以认为含45°倾角软弱夹层的三轴试样，破坏面发生在软弱夹层中.

综合来说，含20°倾角软弱夹层的三轴试样在三轴压缩时的整体破坏形态为斜面剪切破坏，破坏面发生在非软弱夹层中，破坏角约为60°.当软弱夹层的倾角为45°时，软弱夹层部位会出现明显的沿软弱夹层的剪切滑移，破坏首先发生在软弱夹层内部(见图6(b)中的线1)，随着应变的进一步增加，软弱夹层处的局部失稳和破坏逐渐向非软弱夹层内部传递(见图6(b)中的线3)，进而影响试样的整体强度和变形，最终导致试样在较低强度下的整体破坏.

3.2 理论推导

莫尔圆中含软弱夹层的试样破坏模式推导如图7所示.由文献[9]可知，当软弱夹层的厚度较大时，接触面的抗剪强度与软弱夹层的抗剪强度类似，故本文不考虑软弱夹层和非软弱夹层接触面的影响.

图7 含软弱夹层的三轴试样破坏模式理论分析示意图

根据莫尔-库伦理论[25]，当非软弱夹层达到极限平衡状态时

(1)

式中，c1、φ1为非软弱夹层的强度参数.

τ=c2+σtanφ2

(2)

式中，c2、φ2为软弱夹层的强度参数.

将点A(或B)的坐标代入式(2)中，有

(3)

(4)

解得

(5)

(6)

式中，αA、αB为试样沿软弱夹层破坏的临界倾角.

在本文的三轴固结不排水剪试验中，采用前述强风化泥岩的原状样来模拟非软弱夹层，用泥化夹层的重塑样来模拟软弱夹层，软弱夹层和非软弱夹层的强度参数如表1所示，总应力强度参数低于有效应力强度参数.为偏于工程安全，采用总应力分析法，即不考虑孔隙压力的影响，将总应力强度参数代入式(5)、式(6)、式(1)和式(3)，可以计算得到围压0.8 MPa下含软弱夹层的试样的三轴固结不排水剪试验破坏模式和强度.当软弱夹层的倾角21.5°≤α≤82.8°时，破坏面发生在软弱夹层中；当软弱夹层的倾角α<21.5°或者α>82.8°时，破坏面发生在非软弱夹层中. 围压0.8 MPa下试样强度随软弱夹层夹角的变化曲线如图8所示.

图8 围压0.8 MPa下试样强度随软弱夹层夹角的变化曲线

由图8可知，当软弱夹层的夹角为20°时，含软弱夹层的试样的破坏面发生在非软弱夹层中，试样的极限大主应力σ1=2.491 MPa；当软弱夹层的夹角为45°时，含软弱夹层的试样的破坏面发生在软弱夹层中，试样的极限大主应力σ1=1.349 MPa.这与试验结果吻合.同时，当软弱夹层的夹角α>αA或α<αB时，试样的强度基本不随软弱夹层夹角的变化而变化；当软弱夹层的夹角αB≤α≤αA时，试样的强度随软弱夹层夹角的增大呈现出先减小后增大的趋势，当夹层角度为45°+φ2/2时，试样的强度达到最小.

3.3 围压对破坏模式的影响

将软弱夹层和非软弱夹层的总应力抗剪强度参数代入式(5)与式(6)，比较不同围压下的含软弱夹层试样的破坏模式，如表2所示. 由表可知，当围压超过0.4 MPa后，围压对含软弱夹层试样的破坏模式基本无影响，含软弱夹层试样的破坏模式仅与其抗剪强度参数相关.这与文献[22]中得出的当软弱夹层的深度增大到一定值时，边坡稳定性不再受软弱夹层深度影响的结论相似.

表2 不同围压下破坏面发生在软弱夹层中的夹角条件

4 结论

1) 采用三轴固结不排水剪试验，对某边坡强风化泥岩和泥化夹层的强度特性进行了研究，发现强风化泥岩的应力-应变曲线为应变软化型，泥化夹层的应力-应变曲线为应变硬化型，强风化泥岩的内摩擦角大于泥化夹层的内摩擦角，其中总应力内摩擦角大16.3°，有效应力内摩擦角大9.7°；强风化泥岩的K为泥化夹层的2.7倍.

2) 对含不同倾角软弱夹层的三轴试样破坏模式的理论推导和试验研究均表明，试样破坏时存在临界倾角αA、αB，当软弱夹层的夹角为α>αA或α<αB时，试样发生整体破坏，其破坏角为(45°+φ1/2)；当软弱夹层的夹角为αB≤α≤αA时，破坏面发生在软弱夹层中.

3) 当软弱夹层的夹角α>αA或α<αB时，试样的强度基本不随软弱夹层夹角的变化而变化；当软弱夹层的夹角αB≤α≤αA时，试样的强度随软弱夹层夹角的增大呈现出先减小后增大的特点，当夹层角度为(45°+φ2/2)时，试样的强度最低.

4) 比较不同围压下含软弱夹层试样的破坏模式，发现当围压超过0.4 MPa后，围压对含软弱夹层试样的破坏模式基本无影响，此时试样的破坏模式仅与其抗剪强度参数相关.