馬 昊，黃 達,2，肖衡林，王俊杰，馬文浩

(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400044；2. 河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；3.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；4. 重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；5. 空軍航空大學(xué)，吉林 長春 130022)

山區(qū)機場大規(guī)模填筑工程填料大多就近或就地取材，填料多為巖體爆破得到的超大粒徑塊石夾碎石料，其物質(zhì)組成不同于一般填土體。如重慶江北機場第3跑道高填方工程填料主要為砂巖、泥巖及少量黏土的碎塊石土，其中泥巖經(jīng)強夯后演變?yōu)槟噘|(zhì)膠結(jié)物，夯后地基富含大粒徑碎、塊石(最大粒徑甚至大于80 cm)。本文將這類填料稱為碎塊石土填料。目前已有多起高填方邊坡大規(guī)模變形失穩(wěn)的案例[1～3], 此類高填方邊坡的穩(wěn)定性受填料的剪切力學(xué)性質(zhì)控制[4]。

鑒于碎塊石土含有較多大尺寸塊石、其結(jié)構(gòu)極其不均勻性的特點[5]，采用傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗難以獲得相應(yīng)的力學(xué)特征[6]。野外大尺度原位試驗是揭示這種高度非均質(zhì)復(fù)雜地質(zhì)介質(zhì)力學(xué)特性的一種有效辦法[4]。李曉等[4]通過23 個大尺度原位推剪和壓剪試驗，較為系統(tǒng)地研究了土石混合體的剪切力學(xué)性質(zhì)。張曉健等[6]對泥質(zhì)頁巖-粉質(zhì)黏土混合填料進行了12個原位大型水平推剪試驗，將土石混合填料的水平推力-位移曲線劃分為壓密、裂隙內(nèi)部開展、裂隙貫通、剪切帶形成、破壞后 5 個階段。雖然原位試驗較適用于土石混合料這類非均勻體，但超粒徑顆粒的存在，使得將常規(guī)原位剪切試驗運用于其參數(shù)取值時存在諸多問題[7]。近年來，已有部分學(xué)者利用特制設(shè)備進行了土石混合體大型室內(nèi)試驗研究，如夏加國等[8]對含超徑顆粒的土石混合體進行了大型三軸剪切試驗研究，胡峰等[9]基于大型直剪試驗對土石混合體剪切帶變形特征進行了試驗研究。原位和室內(nèi)大尺寸物理試驗雖能較好地反映其真實力學(xué)特性，但試驗結(jié)果隨機性較大，成本高昂，局限性較大，可重復(fù)性差，難以廣泛推廣[10]。

碎塊石土力學(xué)性質(zhì)的試驗技術(shù)及理論還有待發(fā)展，巨粒組顆粒粒徑和試驗設(shè)備尺寸的矛盾短時間內(nèi)無法克服。本文采用現(xiàn)場大型探槽拍照及取樣、圖像處理、顆粒篩分、力學(xué)試驗及數(shù)值模擬方法，依托重慶江北機場高填方工程，以剪切力學(xué)性質(zhì)測試為例，提出一種新的碎塊石土力學(xué)性質(zhì)獲取思路。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件及高填方邊坡概況

重慶市江北機場第三跑道(T3)擴建工程所在場區(qū)地貌受構(gòu)造剝蝕影響，為淺丘斜坡地貌，地面原始標高235.70～426.41 m，整體地勢中、西部高，北、東、南側(cè)低。巖性為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂巖，巖層呈單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀15°～56°∠18°～27°。其中場區(qū)南部為嶺狀丘陵地貌，原始標高276～363 m，溝谷切割較深，巖層傾角較陡(25°～40°)，地形起伏大，溪溝發(fā)育，溝底多覆蓋第四系粉質(zhì)黏土，兩側(cè)斜坡基巖出露，坡角15°～30°。

第三跑道(T3)場地平均地坪標高約400 m，原地形各地貌單元間高差達120 m，最低處標高僅235.70 m。整個施工區(qū)如圖1所示，挖填方總量約7.533×107m3，填方邊坡高度普遍在60～120 m，屬于超大規(guī)模的超高填方邊坡[11]。

圖1 重慶江北機場T3填筑工程Fig.1 The fill project of the Jiangbeiairport (T3) in Chongqing

1.2 填料基本特征

本期擴建工程填料多來自場地內(nèi)擬建航站樓及北側(cè)毗鄰地塊的挖方區(qū)，總開挖量約6.1×107m3，填料巖性主要為砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖。挖方施工主要采用鉆爆法。破碎巖塊粒徑差異較大且形狀不規(guī)則，少量塊石最大塊徑接近2 m。采用強夯法填筑施工，每堆填1層(單層厚度4 m)點夯1遍，在最后一層強夯填筑層點夯后進行滿夯。

2 夯后填料級配特征

2.1 級配信息提取方法

《土的分類標準》[12]約定巨粒組土粒粒徑范圍是d>60 mm。對于填料中巨粒土組分，本文首先對夯后填土開挖探槽(槽深為單層強夯厚度)，并在探坑垂直壁上擺放十字標尺，然后通過正面拍照獲得高清夯后填土照片。運用Photoshop軟件對探槽斷面照片進行二值化處理，進而通過Matlab編程提取石塊二值圖像的像元坐標與灰度值及邊界(圖2)。并通過像元間距與真實尺寸的比例關(guān)系換算出巨粒組顆粒的真實尺寸。

圖2 夯后填土巨粒邊緣輪廓提取Fig.2 Extraction of giant grained rock blocks infill after dynamic compaction

對于粒徑d<60 mm中小粒徑土石料進行標準篩系篩分。共取15份料樣，按取樣探槽編號分5組，每個探槽內(nèi)等深度間隔共取3份土樣。將同一探槽內(nèi)3份土樣各粒組質(zhì)量相加，得到各個探槽土樣的級配曲線。

2.2 級配特征

共統(tǒng)計了5個探槽內(nèi)的8個典型斷面，圖3為填料顆粒級配曲線，其中粒徑大于60 mm的碎塊石為圖像識別結(jié)果(圖3a)而粒徑小于60 mm的土體為篩分結(jié)果(圖3b)。探槽斷面出露的塊石最大粒徑約1 000 mm，各斷面出露的碎塊石含量差異較大，部分粒組有缺失。

圖3 夯后填料級配曲線Fig.3 Grain-size distribution curves of fillafter dynamic compaction

根據(jù)8個斷面的粒徑分布，將填料進一步分為三類：

富含大塊石類(A類)：中—大粒徑含量較多且無粒組缺失，粒徑d>60 mm的質(zhì)量含量超過35%， 如斷面2，6。

含大塊石且級配不連續(xù)類(B類)：斷面1，3，5級配曲線局部有平臺，中粒徑塊石存在明顯缺失，級配不連續(xù)。

缺失大塊石類(C類)：無大塊石(d>800 mm)，粒徑d>60 mm的質(zhì)量含量小于25%，如斷面4，7，8。

由圖3b可知，探槽1，4，5(第1組)和探槽2，3(第2組)的碎石土級配曲線分別相近。對比2組試樣的篩分結(jié)果，第2組的碎石土試樣粗礫(20 mm

3 夯后填料直剪數(shù)值模型的建立

3.1 模擬對象及石塊-土體分界粒徑

分別選取三類代表性夯后碎塊石土的典型分布斷面進行顆粒流模擬(表1)，斷面信息采集區(qū)長3.2 m，寬2.1 m。

將夯后土石混合料簡化為石塊和土體膠結(jié)料兩部分，Medley[13]提出了二者的分界粒徑為：

d0=0.05Lc

(1)

式中：d0——分界粒徑；

Lc——試樣的工程特征尺寸。

本文信息采集區(qū)為矩形框，Lc可取短邊2.1 m，由式(1)可得，分界粒徑約為0.11 m?；谇懊婕壟溲芯考跋嚓P(guān)土體粒徑分級標準，采用分界粒徑為60 mm，其值小于110 mm，符合要求。

3.2 數(shù)值模型的建立

3.2.1直剪試驗?zāi)M

采用PFC2D對填料進行直剪數(shù)值試驗。分別使用顆粒單元和墻單元(wall)分別模擬試樣和剪切盒(圖4)。以下部剪切盒為主動剪切盒，由1#，2#，7#，8#墻體圍合而成，試驗時以0.1 mm·min-1向右運動；上部剪切盒在剪切過程中保持不動，由3#，4#，5#，6#墻體構(gòu)成；通過Fish語言編程實現(xiàn)對5#墻體的伺服控制，以維持法向應(yīng)力恒定。試驗時法向應(yīng)力取200，400和800 kPa 3個水平。

3.2.2填料離散化及接觸模型選取

填料顆粒流模型的建模步驟如下：(1)通過圖像處理技術(shù)將填料斷面影像二值化，并提取石塊邊界；

圖4 直剪試驗PFC模擬Fig.4 Numerical modelling of the directshear test using PFC2D

(2)通過Matlab編程提取二值圖像中石塊部分的像元坐標，并將其轉(zhuǎn)換為PFC模型中的ball單元坐標，進而建立各石塊的幾何模型，完成塊石建模；(3)在模型剩余區(qū)域填充土體膠結(jié)料的ball單元，完成土石混合填料的幾何模型建模。三類典型試樣二值圖像及顆粒流數(shù)值模型見表1。借助斷面影像二值化處理方法對試件中塊石幾何特征進行統(tǒng)計如表1所示，三類典型樣的塊石幾何特征差異明顯，其中A類樣塊石含量明顯高于B和C類樣；各試樣的石塊方向角各不相同，其中B、C樣較為接近，其石塊長軸方向近水平(與直剪方向近平行)。

表1 試樣模型及含石特征統(tǒng)計

3.2.3顆粒接觸模型及細觀參數(shù)校核

根據(jù)巖土類材料的摩擦及粘結(jié)特性，土體膠結(jié)料和石塊均選用接觸粘結(jié)模型進行模擬。由于填方體粒徑差異巨大，屬高度離散介質(zhì)，土顆粒與碎塊石間的接觸特性是影響土石混合體性質(zhì)的重要因素，因此選用接觸粘結(jié)模型，能夠更好地反映土石混合體的力學(xué)行為[14]。

圖5 膠結(jié)材料及砂巖塊石直剪試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.5 Comparison between laboratory experiments andnumerical simulations under different normal stresses

對于土體膠結(jié)物，采用直剪試驗進行參數(shù)標定，數(shù)值模型尺寸為300 mm×400 mm(寬×高，與室內(nèi)試驗尺寸一致)，包含3 569個顆粒，試驗及模擬曲線如圖5a所示。對于大粒徑塊石，由于其力學(xué)性質(zhì)好于土體，通過單軸壓縮試驗(砂巖試樣數(shù)值模型寬50 mm、高100 mm)來確定其細觀參數(shù)，結(jié)果曲線如圖5b所示。標定后的顆粒細觀參數(shù)見表2。

表2 顆粒及顆粒間粘結(jié)參數(shù)

4 模擬結(jié)果分析

4.1 法向位移-剪位移曲線

圖6給出了剪應(yīng)力-剪位移以及法向位移-剪位移模擬曲線。

圖6 不同法向應(yīng)力下碎塊石土數(shù)值直剪試驗曲線Fig.6 Numerical direct shear experimental curves ofgravel-block soil under different normal stresses

分析剪應(yīng)力-剪切位移曲線可看出，碎塊石土剪切過程中峰值及峰后剪應(yīng)力-剪切位移曲線均存在較強的波動性；峰后出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力跌落，且法向應(yīng)力越大跌落值越大，本研究中法向應(yīng)力大于400 kPa時均存在較明顯的峰后應(yīng)力跌落；缺失大塊石的C類試件(圖6c)峰后出現(xiàn)漸進性應(yīng)變軟化特性，峰后應(yīng)力下降隨剪切位移逐漸減小，而且相對A，B兩類試件其峰值剪應(yīng)力相對較小(表明級配不勻劣化了土石混合物的剪切強度)。

另外，法向應(yīng)力越小，相同剪切位移條件下產(chǎn)生的法向位移越大。法向位移從大到小依次為試件A、試件B和試件C，表明含石量越多法向位移越大，剪脹現(xiàn)象越明顯。當(dāng)剪切面附近含石量較小且級配不均勻時，峰后剪切位移達到一定值后，法向位移不再明顯增加，如圖6c中的試件C。

4.2 破壞演化

通過顆粒間力鏈與粘結(jié)破壞的演化過程來研究土石混合體填料的剪切破壞演化機制。由于依托工程填方工程普遍較高，故以法向應(yīng)力為800 kPa為例，提取各試樣在切向位移0.01，0.05和0.12 m時的顆粒間力鏈演化圖(圖7左，黑色表示相鄰顆粒接觸力鏈)和粘結(jié)破壞演化圖(圖7右，紫藍色表示切向粘結(jié)破壞(剪破壞)，紅色表示法向粘結(jié)破壞(拉破壞))。

圖7 填料試樣A力鏈演化圖與粘結(jié)演化圖Fig.7 Force chain evolution of gravel-block soil

由圖7可見，剪切起始階段(切向位移0.01 m)，填料模型的剪應(yīng)力在膠結(jié)料和塊石兩部分中均勻分布，隨著切向位移的增加(0.05 m)，膠結(jié)料顆粒粘結(jié)逐漸破壞，試樣中部粘結(jié)破壞以剪切破壞為主，上剪切盒左側(cè)和下剪切盒右側(cè)粘結(jié)以拉伸破壞為主。三類試樣中，A類試樣粘結(jié)破壞范圍更大，A類試樣中塊石粒徑最大且位置居中，大塊石受力發(fā)生轉(zhuǎn)動對周圍顆粒粘結(jié)破壞有促進作用。力鏈演化圖表明，膠結(jié)料承擔(dān)的抗剪力逐步由塊石來承擔(dān)，試樣中部形成貫穿大塊石的明顯力鏈，力鏈分布與塊石位置有關(guān)。當(dāng)切向位移繼續(xù)增大(0.12 m)，塊石和膠結(jié)料接觸力均變小。此外，圖7還顯示出，切向位移增大到0.05 m之后，試樣剪切面兩端和中部塊石周圍出現(xiàn)明顯白色(表示相鄰接觸的顆粒已經(jīng)相互脫離)脫空區(qū)域(紅色框內(nèi))，表明此處顆粒發(fā)生滑移，顆粒之間的孔隙增大；增大至0.12 m后，破壞繞大塊石進一步擴大, 孔隙等值線圖(圖8)中部逐漸形成有明顯分叉、繞塊石特點的剪切帶。

圖8 填料試樣A孔隙演化圖Fig.8 Porosity evolution of gravel-block soil

試樣B的力鏈演化與粘結(jié)破壞具有與試樣A類似的規(guī)律，但由于試樣B中塊石直徑較小，粘結(jié)破壞以及力鏈集中的范圍均小于試樣A。對于試樣C，由于其剪切面附近無大塊石，粘結(jié)破壞向剪切面上、下兩側(cè)發(fā)展程度較小。

4.3 剪切強度

由三類碎塊石土試樣(A類、B類、C類)數(shù)值模擬直剪試驗得到不同法向應(yīng)力下的峰值剪應(yīng)力，根據(jù)摩爾庫侖強度準則，得到夯后碎塊石土的剪切強度參數(shù)(圖9)。圖9表明A，B，C三類試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角依次減小。因此，就本文所研究的碎塊石土來說，含石量越高其抗剪強度越高，且當(dāng)級配不勻(中等粒徑石塊缺失)時剪切強度將減小。而另一方面，含石量較高特別是級配不勻時，在降雨及地表水(如庫水、河流)作用下，滲透系數(shù)相對更高，易出現(xiàn)潛蝕及浸蝕破壞，進而使得土石混合堆積體結(jié)構(gòu)破壞及強度參數(shù)降低，造成邊坡及地基的損傷、破壞[15]，造成較多降雨誘發(fā)堆積體滑坡及庫區(qū)等涉水堆積體的滑坡災(zāi)害[16]。

圖9 碎塊石土剪切強度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.9 Curves of shear strength and normalstress of grael-block soil

5 結(jié)論

(1)建立一種基于圖像處理技術(shù)與篩分相結(jié)合的碎塊石土真實結(jié)構(gòu)及級配信息提取方法。石塊部分通過圖像處理技術(shù)提取粒徑參數(shù)，而土體部分通過篩分獲得級配參數(shù)。

(2)根據(jù)碎塊石土結(jié)構(gòu)及級配信息，采用離散元方法，提出了將碎塊石土中的土體及塊石力學(xué)性質(zhì)分開標定的數(shù)值仿真思路。

(3)江北機場夯后填料在剪應(yīng)力臨近及達到峰值后，其剪應(yīng)力與法向位移具有波動、跳躍特征，且剪切面附近塊石粒徑越大，數(shù)量越多，曲線波動越明顯。隨剪切位移的增加，剪切面附近孔隙度逐漸增大，試樣中部逐漸形成近水平帶狀剪切帶，且具有分叉、繞塊石擴展特征。

(4)顆粒粘結(jié)破壞具有局部化特征，初期抗剪力由膠結(jié)料和塊石共同承擔(dān)，之后膠結(jié)料承擔(dān)的抗剪力逐步向塊石轉(zhuǎn)移。臨近峰值及峰后，抗剪力主要由塊石承擔(dān)，力鏈分布極不均勻。

(5)針對本次研究，碎塊石土中含石量越多，黏聚力和內(nèi)摩擦角越大，級配不勻會造成剪切強度的降低。剪切帶附近含石量越多，剪切帶寬度將增大。