含石量与含水率对土石混合体抗剪特性研究综述

张修军，季思同，戴文杰

（中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏 徐州 221000）

0 引言

自20 世纪以来，随着国家综合实力的发展，大量工程活动被列入国家发展计划，土石混合体作为一种常见的第四纪的地质材料广泛存在于各类工程活动之中，由于土石混合体性质判断不清所引发的问题屡见不鲜。

自21 世纪初，对于土石混合体的研究正式展开。土石混合体是经历一定的地质作用形成的，既不同于一般的均质土体，又不同于一般的碎裂岩体，是一种介于均质土体和碎裂岩体之间的特殊的工程地质材料［1］。为了更加了解土石混合体的力学特性，尤其是其抗剪切特性，国内外许多学者从含石量和含水率两大因素进行了大量研究。张敏超等人［2］使用粗粒土应力路径控制大型三轴实验机实验，提出内摩擦角会随着含石量的增大而呈现慢-快-慢的“S”型增长趋势。江强强等人［3］使用大型室内直剪实验机实验，提出随着含石量（20%～80%）的增加，剪切过程中表现为混合体间啃掘式的剪切变形。徐文杰等人［4］基于数字图像分析技术进行大型直剪实验，分析土石混合体内部块石的形态，提出随着含石量的增加（25%～70%），内摩擦角近似呈线性增长关系。薛亚东等人［5］进行大型原位水平推剪实验，提出土石混合体的抗剪强度随着含水率的增加呈现缓慢减小-快速减小-缓慢减小的过程。李维树等人［6］进行直剪实验，提出了不同含石量下c、φ值随着含水率的弱化公式。邓华锋等人［7］进行大型室内直剪实验，提出根据剪切“跳跃”起止阶段，用临塑抗剪强度和极限抗剪强度来分析土石混合体的抗剪强度参数，徐晓宇等人［8］提出花岗岩残积土的室内剪切实验，剪切速率为0.8 mm∕min最能反映土的强度性质。

当今人类的工程活动和地质灾害，如水工、道路工程、基坑开挖、堆积层滑坡、三峡库区的滑坡体等都广泛存在着土石混合体的作用。土石混合体的使用和研究关系着人民的生命财产安全，与我国的地质灾害的治理和经济的发展密切相关。目前土石混合体物理力学性质的研究已经引起了国内外学者的广泛重视。

1 土石混合体的概念及组成

对于土石混合体的定义，在不同的期刊和文献资料中不尽相同，文献［1］从其形成过程和物质组成角度出发将其定义为经历一定的地质作用形成的，既不同于一般的均质土体，又不同于一般的碎裂岩体，是一种介于均质土体和碎裂岩体之间的特殊的工程地质材料。然而，对于土石混合体，目前研究最多的是其物理力学性质。从岩土力学的角度出发，徐文杰等人［9］将土石混合体定义为第四纪以来形成的，由具有一定工程尺度、强度较高的块石、细粒土体及孔隙构成具有一定含石量的极端不均匀松散岩土介质系统。根据定义，土石混合体包含“土”和“石”两种组成成分，针对如何确定土石混合体内部的“土”与“石”，即土∕石的阈值问题，MEDLEY，LIUQUIST 等人（1994，1995）在对Franciscan 等地分布的土石混合体研究中发现，土石混合体具有一个很重要的性质——比例无关性（Scale-independence），根据其研究提出了土石混合体的阈值为：dS∕RT=0.05Lc，在不同的研究区域中，Lc取值不同。在平面研究区域时，Lc为研究平面的平方根；对于隧道等建筑物，Lc等于其直径；对于边坡而言，Lc等于坡高；对于直剪试样，Lc为单个试样的高度；对于三轴实验试样，Lc为其试样直径。据此，划分出了土石混合体中“土”与“石”的分类，当d≥dS∕RT时，我们认为其为“石”，当d≤dS∕RT时，我们认为其为“土体”，d为颗粒的粒径。

由于“石”与“土”的物理力学性质差异大，其二者含量的不同对于土石混合体的整体物理力学性质有巨大影响。因此，含石量成为判定土石混合体的一个重要的物理参数。根据众多学者研究，当含石量小于25%时，块石之间基本无接触，其整体的物理力学性质与土体差异不大；当含石量大于60%时，块石之间密切接触，块石起整体骨架作用，物理力学性质主要决定于块石［10］。所以，从这一角度出发认为，当含“石”量小于25%时，为土体；含石量大于60%时，为“堆石体”［9］；当含“石”量介于两者之间时，为土石混合体。

2 土石混合体抗剪强度的影响因素和变化规律

2.1 抗剪强度随含石量的变化规律及其影响方式

李晓等人［11］基于对野外土石混合体结构特征的统计分析指出，土石混合体力学性质的变化主要受控于其内部结构。含石量作为土石混合体结构最直接的表现指标之一，控制着其结构特征，进而控制其变形破坏特性与宏观的力学性质。随着含石量的增加，土石混合体由以土体为主，块石镶嵌其中的悬浮式结构，向以块石为主，土体填充空隙的骨架式结构转变，其抗剪强度则随着含石量的增加有规律的变化。目前，对于不同含石量抗剪强度的研究，多为使用大型直剪实验机对不同含石量的土样进行剪切实验，绘制其剪应力与剪切位移的关系曲线，分析其剪切过程中的破坏模式，得到含石量与抗剪强度的统计关系。表1 总结了国内多次大型直剪实验的抗剪强度变化规律。

表1 不同试验及结果Tab.1 Different Tests and Results

前人试验结果表明，含石量对土石混合体抗剪强度影响为正相关性，趋势为随着含石量增大抗剪强度增大。当含石量小于80%时，抗剪强度整体随着含石量的增大而增大，根据块石与土体本身性质的不同可能存在最佳含石量及抗剪强度的最大值点，后随着含石量的降低抗剪强度不断降低。在到达最佳含石量之前，土体为主体部分，块石的加入使得整体变得密实，增大了剪切时颗粒之间的咬合力，此时，土体之间仍相互接触成为一个较为完整的整体，土体之间的黏聚力仍可以发挥较大作用，所以抗剪强度会不断增大；到达最佳含石量之后，块石作为主体部分，块石之间接触更加紧密，咬合力与摩擦力不断增大，内摩擦角增大到接近破碎岩体的内摩擦角，土体部分减少到难以构成一个整体，土体间的黏聚力难以发挥作用反而变为软弱带，在剪切过程中易遭受破坏，整体的抗剪强度不断降低。

含石量通过改变土石混合体的孔隙结构影响内摩擦角与黏聚力的变化。唐建一等人［14］认为含石量在20%～50%时，为骨架孔隙结构，在剪切过程中土体先被破坏，块石之间相互咬合致使密实度增大，内摩擦角与黏聚力也会有明显增大，含石量超过50%后，整体表现为密实骨架结构，细粒土无法完全填充孔隙，内摩擦角与黏聚力明显下降；孙韬等人［13］提出含石量低于20%时，块石增大了细粒土之间的距离，黏聚力有明显降低，含石量在20%～50%之间时，结构密实，内摩擦角与黏聚力明显增大，含石量大于50%时，块石结构基本成型，内摩擦角与黏聚力先降低后趋于稳定；文献［2］拟合试验数据得到经验公式，内摩擦角随含石量的增大而增大，含石量在20%～80%之间时增加较快，含石量大于80%时趋于稳定，黏聚力随含石量增加而不断降低，但降低速率逐渐减小。

针对不同的土体与块石的性质，抗剪强度及其指标随含石量的变化有所不同，但都是由于自身结构的改变导致抗剪强度及其指标的变化。在含石量较低时，以土体为主的悬浮式结构中加入块石，混合体内摩擦角与土体的内摩擦角相似，由于细粒土之间的间隔增大，土体之间的静电力与范德华力相应减小，黏聚力略微降低（见图1）；随着含石量增大，逐渐变为骨架孔隙结构［15］，块石之间的咬合力逐渐增大，内摩擦角随含石量的变化近似呈线性增长［4］（见图2），土体之间的间隔足够大，范德华力与静电力变化不大，块石本身的性质使得剪切所做的功增多，黏聚力增大到最大值（见图1）；含石量较大达到60%时，块石构成整体的骨架，块石之间的咬合力达到饱和，同时细粒土难以完全填充块石孔隙，内摩擦角基本保持稳定，会有略微下降（见图2），细粒土所占含量较少且接触不良，黏聚力下降（见图1）；当含石量接近100%时为破碎的岩体，内摩擦角变化不大，土体黏聚力转变为破碎岩体之间的黏聚力，发生质的变化，有明显增大。图1 与图2 为前人所进行不同实验数据的汇总，可以发现内摩擦角与黏聚力的变化基本符合上述规律。

图1 黏聚力随含石量变化［12，14，16］Fig.1 Ange of Cohesive Force with Rock Content

图2 内摩擦角随含石量变化［12，14，16］Fig.2 Change of Internal Friction Angle with Rock Content

2.2 抗剪强度随含水率的变化规律及其影响方式

水对土体具有软化作用，对土体的物理力学性质具有十分明显的影响。文献［5］通过大型直剪实验总结出土石混合体抗剪强度随含水率增加的3个变化阶段；文献［6］发现随着含水率的增大，土石混合体的抗剪强度不断衰减；林斌等人［17］通过红黏土的剪切实验发现红黏土抗剪强度随含水率增大而减小。

据前人试验，土石混合体抗剪强度大致随着含水率的增大而呈现下降趋势，整体变化分为3 个阶段，含水率为（0.8～0.9）wP之前时为缓慢下降阶段，在0.9wP与0.5（wP+wL）之间时为快速下降阶段，当含水率介于0.5（wP+wL）与液限之间时其抗剪强度又变为缓慢下降阶段（见图3、图4）。

图3 抗剪强度随含水率的变化［17］（wP=20.34,wL=39.37）Fig.3 The Change of Shear Strength with Water Content（wP=20.34,wL=39.37）

图4 30%含石量时抗剪强度随含水率的变化［5］（wP=30,wL=44）Fig.4 Change of Shear Strength with Moisture Content at 30% （wP=30,wL=44）

2.2.1 黏聚力分析

汤新福等人［18］认为压实粘土黏聚力随含水率的增加会经历先减小后增大最后减小的过程，过程中存在两个含水率特征点（15.3%，17.3%）；文献［5］认为含石量低于40%时为低含石量，卵石对混合体的黏聚力没有影响，含石量大于40%时为高含石量，黏聚力由土、水、卵石共同影响。由前人试验数据可知（见图5），在含石量较低时，混合体主体为土体，推测当含水率介于塑限与液限之间时黏聚力达到最大值，随后不断降低；含石量较高时为骨架孔隙结构，含水率在（0.6～0.7）wP时黏聚力取到最大值，后不断降低。推测为在含水率达到塑限之前，水在黏土颗粒表面以结合水的形式存在，随着水量增加，表面存在结合水膜的土粒不断增多，接近塑限时被水膜覆盖的土粒数量达到可以相互联系构成一个整体的颗粒数量界限值，土颗粒之间通过结合水产生电分子力，同时由于块石的存在，块石之间的咬合力以黏聚力的形式表现出来，细粒土通过结合水粘结在块石表面，混合体的整体性增强，宏观变现为黏聚力增加；当含石量较大时，混合体的主体为块石，块石越多，被水膜覆盖的土粒形成一个整体时所需的水量越少，即含水率越低。当黏聚力达到最大值后，结合水膜增厚，甚至产生自由水，在土颗粒之间起到润滑作用，同时有效应力不断减小，自由水传递静水压力，黏聚力不断降低。

图5 黏聚力随含水率变化［5，17］Fig.5 Change of Cohesive Force with Moisture Content

由此可知，黏聚力随含水率的增加存在最大值，含水率通过影响水的存在形式影响黏聚力，当含石量增大时黏聚力由土粒之间、土粒与块石之间的作用提供。

2.2.2 内摩擦角分析

胡海英等人［19］认为压实粘土的含水率变化对内摩擦角有影响，但是规律性不强；王丽等人［20］通过对粉质粘土抗剪强度的研究认为含水率的变化对抗剪强度的影响主要表现在黏聚力上，内摩擦角的影响相对不大；文献［5］认为内摩擦角随含水率的变化比较有规律，低含石量时经历了缓慢下降后急剧下降的过程，含石量较高时内摩擦角先缓慢下降后增加；文献［17］认为重塑红黏土的内摩擦角随含水率增加而减小。当含石量比较低时，据前人试验数据（见图6），内摩擦角在塑限之前达到最大值，而后逐渐下降，内摩擦角达最大值时的特征含水率为（0.6～0.8）wP，整体趋势为不断降低；当含石量较高时，内摩擦角先降低后增大，内摩擦角最小时的特征含水率小于塑限。

图6 内摩擦角随含水率变化［5，17］Fig.6 Change of Internal Friction Angle with Moisture Content

低含石量时混合体主要为悬浮结构，内摩擦角主要由土颗粒之间的滚动摩擦力提供，块石所产生的咬合力相对较小。卢肇钧［21］认为黏土的内摩擦角与液性指数有粗略的关系，并指出粘性土的实际内摩擦角由基本内摩擦角φ0和两者之间的差值Δφ组成。笔者以为低含石量的情况下，含水率低时土体之间的只有粗糙颗粒之间的滚动摩擦力，随着含水率增加，混合体状态逐渐由坚硬状态向硬塑状态转换，水在包裹土颗粒的同时填充孔隙，滚动摩擦力逐渐变为以水为介质的滑动摩擦力，摩擦力形式和颗粒表面粗糙度的变化导致了内摩擦角的变化，在达到塑限之前颗粒表面的水膜逐渐形成，摩擦力与颗粒水膜之间的咬合力共同作用下内摩擦角达到最大值，此后由于水膜的完善、颗粒表面粗糙度的降低、水作为滑动介质的润滑作用，内摩擦角降低。

3 总结

土石混合体是一种常用的工程材料，其块石的含量和含水率对其物理力学性质有明显影响，近些年来许多学者对于土石混合体抗剪强度做了相关试验，得出各种不同的结论，根据土体的性质不同其强度性质有明显差异，本文根据前人实验总结不同的实验结果，并对试验结果加以分析总结规律，以期服务于工程实践。

⑴含石量对于土石混合体的抗剪强度有较为明显的作用，根据土石混合体组成特性的不同，可能存在最佳含石量及抗剪强度的最大值点，研究表明当含石量小于80%时，抗剪强度整体随着含石量的增大而增大，到达最大值点，后随着含石量的增大抗剪强度不断减小。块石的含量通过改变土石混合体的结构来改变内摩擦角与黏聚力进而影响抗剪强度，从含石量较低时的悬浮式结构到含石量较高时的骨架孔隙式结构，内摩擦角与黏聚力的变化有较好的规律性。随着含石量的增大，抗剪强度、内摩擦角与黏聚力整体呈现为先增大后减小的趋势，抗剪强度与内摩擦角数值变化幅度不大，黏聚力经过减小（较短）-增大-减小-增大的过程，当含石量接近100%时土石混合体性质发生剧变，黏聚力明显增大。

⑵含水率对于土石混合体抗剪强度的影响在含石量高与低时影响效果不同。土石混合体的抗剪强度随着含水率的增大先缓慢较小后迅速减小最后缓慢减小。当含石量较大时，黏聚力由土粒之间、土粒与块石之间的作用提供，整体来说规律性不强，在不同的粘土中呈现不同的规律。整体趋势是含水率超过塑限之后随着含水率的增加，黏聚力、内摩擦角不断减小。黏聚力与内摩擦角的变化与粘土的塑限、液限有关，两者在塑限左右会出现最大值，但总体规律性不强。高含石量时，黏聚力取到最大值时的特征含水率为（0.6～0.7）wP；低含石量时，内摩擦角达最大值时的特征含水率为（0.6～0.8）wP，黏聚力到达最大值时，含水率可能会介于塑限与液限之间。