王家輝，江洎洧，饒錫保，黃 帥，周欣華

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 研究背景

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，各種公路、水利、鐵路和機(jī)場等基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)不斷增加。建設(shè)過程中通常會產(chǎn)生大量棄土棄渣形成渣場。渣場通常分布在公路、鐵路沿線，由廢棄的碎石、土體以及其他物質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)上具有一定的粗粒土性質(zhì)。由于很多臨時渣場沒有經(jīng)過碾壓等工藝處理，而是直接堆積，所以具有多孔隙、非飽和、低強(qiáng)度的特點(diǎn)[1]，容易產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。近年來，由于生態(tài)建設(shè)的需要，很多臨時性渣場都要改造成永久性渣場并且實(shí)行生態(tài)護(hù)坡，而且新渣場的選址和堆置高度不僅要滿足水土保持技術(shù)規(guī)范設(shè)計[2]要求，而且還要滿足水土流失防治和渣場邊坡安全穩(wěn)定要求[3-5]。因此需要全面了解并掌握渣場松散碎石土的物理力學(xué)性質(zhì)和其他相關(guān)特性。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對碎石土的物理力學(xué)性質(zhì)以及渣場整體的穩(wěn)定和變形方面進(jìn)行了深入研究，取得了一定的成果。程展林等[6]基于鄧肯-張模型和 Rowe 剪脹方程，建立了體變模量KP、剪脹模量Kq、剪切模量G三參量與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，初步提出了一種新的非線性剪脹模型。張嘎等[7]研究了粗粒土的應(yīng)力-應(yīng)變特性及鄧肯-張模型的適用性，并基于試驗(yàn)結(jié)果提出了新的體變描述公式，在未增加模型參數(shù)的條件下提出了鄧肯-張模型的改進(jìn)模型。姜景山等[8]設(shè)計并開展了粗粒土二維模型試驗(yàn)，觀察到顆粒的運(yùn)動, 定性地分析了試樣的受力變形特征。石熊等[9]采用大型三軸剪切儀對素土和復(fù)合礫土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出軸向應(yīng)變與側(cè)向應(yīng)變的二次函數(shù)關(guān)系，建立了體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的函數(shù)方程，并對試樣三軸試驗(yàn)的體積應(yīng)變和切線泊松比進(jìn)行預(yù)測。朱俊高等[10]利用堆石料的E-ν和E-B模型參數(shù)計算了各自對應(yīng)的泊松比，進(jìn)行了比較分析，又對鄧肯E-ν和E-B兩種模型自身理論公式所反映的泊松比的差異進(jìn)行了分析，最后利用堆石料心墻壩有限元計算結(jié)果分析了壩體內(nèi)不同位置處的應(yīng)力水平和泊松比的差異。譚鵬[1]通過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，獲得了典型棄渣土的物理力學(xué)特性，得出了渣土體相關(guān)力學(xué)參數(shù)，并通過數(shù)值模擬分析了棄土場失穩(wěn)破壞機(jī)理，提出了棄土場穩(wěn)定性分析方法和不同利用方式下棄土場相應(yīng)的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)。孫朝燚等[11]研究了坡體走向?qū)吰路€(wěn)定性的影響，并借助ANSYS 建立三維模型，利用FLAC3D 強(qiáng)度折減法分析邊坡潛在破壞機(jī)制，提出考慮走向夾角因素的不平衡推力法，并基于走向夾角和邊坡傾角不同的組合關(guān)系分析了棄渣場邊坡穩(wěn)定性。肖志紅[12]運(yùn)用顆粒流、重度增加法及邊坡的監(jiān)測算法，研究了不同顆粒粒徑對渣場邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文從某堆積渣場邊坡頂部和底部分別取得碎石土試樣，基于現(xiàn)場賦存狀態(tài)最大限度復(fù)原棄場碎石土料的天然相對密度，以此來開展大型三軸剪切試驗(yàn)，得到了松散碎石土的應(yīng)力-應(yīng)變特性關(guān)系以及實(shí)測泊松比和應(yīng)力水平的關(guān)系，并分析了鄧肯-張模型對松散碎石土的適用性。研究結(jié)論有助于為渣場邊坡設(shè)計以及變形穩(wěn)定性計算提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)對象與試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)對象為取自某機(jī)場工程爆破開挖堆積的渣場邊坡。分別在邊坡坡頂和坡底2處各隨機(jī)選5個點(diǎn)分別采集了試樣，如圖1所示，并進(jìn)行室內(nèi)顆分、擊實(shí)、大型三軸試驗(yàn)。

圖1 坡頂和坡底料

由于大型三軸剪切試驗(yàn)儀器對試樣粒徑的限制，其最大允許粒徑為6 cm,所以需對試樣進(jìn)行縮尺處理。渣場料主要為巖體爆破開挖料，巖性均勻，且基本無黏粒，為保證試驗(yàn)成果的可靠性，采用相似級配法按照0.5的縮尺系數(shù)進(jìn)行縮尺可滿足試驗(yàn)要求。繪制縮尺后級配曲線如圖2，并計算不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，見表1。

圖2 坡頂料與坡底料級配曲線

表1 兩種料的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)

由圖2和表1分析可知：①2種料不均勻系數(shù)差異不大，且均為級配良好碎石土；②坡底料的曲率系數(shù)顯著大于坡頂料，其與渣料的重力拋(滾)落分選有一定關(guān)系。

渣場邊坡料的最大特點(diǎn)是未經(jīng)人工碾壓，結(jié)構(gòu)較松散?，F(xiàn)場難以準(zhǔn)確測試其密度及相對密度等物理指標(biāo)，需結(jié)合試樣狀態(tài)特性，通過室內(nèi)試驗(yàn)來確定松散碎石渣料的相對密度范圍。

該渣場已堆積形成約2年，據(jù)現(xiàn)場踏勘，其狀態(tài)描述如下：渣料自身已基本具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但固結(jié)變形尚未徹底完成。通過室內(nèi)試驗(yàn)反復(fù)嘗試得到：

(1)渣料在相對密度Dr約為0.50時基本具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

(2)渣料在上覆自重荷載作用下會固結(jié)穩(wěn)定，在(1)的基礎(chǔ)上施加150 kPa上覆壓力后，試樣主固結(jié)變形穩(wěn)定后的相對密度Dr約為0.63。

據(jù)此，2種料分別按照以上2個相對密度制樣并開展后續(xù)三軸試驗(yàn)研究，能夠較好地反映松散渣料的實(shí)際狀態(tài)。制樣指標(biāo)如表2所示。

表2 試樣制備指標(biāo)統(tǒng)計

大型三軸剪切試驗(yàn)儀器采用長江科學(xué)院和四川大學(xué)華西巖土儀器研究所聯(lián)合研發(fā)的YLSZ30-3大型三軸儀。試樣的尺寸為Φ30 cm×60 cm。按試驗(yàn)要求的粒徑尺寸、干密度和級配曲線，計算并稱取試驗(yàn)所需的各層不同粒徑的試樣，混合均勻后分層裝料擊實(shí)，直至裝樣完成。

采用各向等壓固結(jié)排水剪切的試驗(yàn)方法，對坡頂、坡腳兩處相對密度土料(Dr=0.50、0.63)分別進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)加載采用應(yīng)變控制式，以軸向變形速率為0.5 mm/min進(jìn)行剪切，直至應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值或軸向應(yīng)變達(dá)15%時停止剪切。由于渣料分布于近地表，所以圍壓選取不宜過大。試驗(yàn)選取的4級圍壓分別為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，可基本覆蓋試樣的實(shí)際賦存應(yīng)力范圍。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

通過三軸試驗(yàn)得到的4組試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

坡頂料和坡底料應(yīng)力-應(yīng)變曲線有所不同。前者均呈應(yīng)變硬化特性。而坡底料隨著相對密度Dr由0.50增至0.63后，從應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化，尤其坡底料2接近常規(guī)碾壓的粗粒土應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)，在軸向應(yīng)變4%左右達(dá)到偏應(yīng)力峰值。分析其原因如下：

(1)坡頂料密度小、孔隙相對大，隨應(yīng)變增加，孔隙一直被壓縮，強(qiáng)度在增加，所以表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

(2)坡底料與坡頂料在同一相對密度下試樣實(shí)際干密度更大，級配相對更好，隨著應(yīng)變增加，更易達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)，繼而能出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

結(jié)果表明：渣場松散碎石土在剪切過程中一直處于壓密狀態(tài)，基本呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性，在級配良好且在自重荷載作用下穩(wěn)定時(坡底料Dr=0.63)才會出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

由圖3還可以看出：松散碎石土初始剛度都較小，取工程數(shù)值計算常用軸向應(yīng)變?yōu)?%時對應(yīng)的割線模量E與初始切線模量Ei進(jìn)行比較，比值如表3所示。由表3可知E/Ei大致隨圍壓增加而增加，但隨Dr增大減小。對于坡頂料和坡底料1，選取E進(jìn)行數(shù)值計算是合適的；對坡底料2，其應(yīng)力變形特性已接近密實(shí)狀態(tài)粗粒土，可按照初始切線模量Ei進(jìn)行取值。

表3 不同圍壓下軸向應(yīng)變?yōu)?%時E/Ei值

對于松散碎石土而言，整個過程呈應(yīng)變硬化，鑒于實(shí)際工程往往對變形具有控制性要求，分別選取應(yīng)變3%、5%、10%和15%時對應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ，并計算其與最大值φmax的比值，如表4。

表4 不同應(yīng)變程度下φ/φmax值

由表4可知：φ隨變形增加一直在增大，且隨Dr增加也呈增大趨勢，這與一般碾壓碎石土應(yīng)變軟化的特性顯著不同。除坡底料2外，其余試樣在應(yīng)變?yōu)?%時偏應(yīng)力僅達(dá)到強(qiáng)度極限的60%左右，在應(yīng)變?yōu)?%時能達(dá)到80%左右，而坡底料2在應(yīng)變3%時即達(dá)到89%的強(qiáng)度。

目前，針對渣場邊坡強(qiáng)度參數(shù)的取值并沒有明確的規(guī)范。參考土工試驗(yàn)規(guī)程直剪試驗(yàn)對于無峰值強(qiáng)度時取剪切位移4 mm(即應(yīng)變6.5%)所對應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度[13]，并考慮渣場永久性邊坡工程中對松散碎石土的變形要求較嚴(yán)格，所以建議取應(yīng)變?yōu)?%～5%時得到的φ值作為工程計算值。

圖4 體應(yīng)變及徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

3.2 體應(yīng)變及徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

繪制試樣剪切過程中體應(yīng)變εv以及徑向應(yīng)變εr隨軸向應(yīng)變εa發(fā)展的關(guān)系曲線，如圖4所示。觀察發(fā)現(xiàn)，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)(Dr=0.50)和自重荷載下穩(wěn)定狀態(tài)(Dr=0.63)的坡頂料在剪切過程中均呈持續(xù)剪縮特征。當(dāng)軸向應(yīng)變<4%時，不同圍壓下試樣的剪縮體應(yīng)變差異不明顯；當(dāng)軸向應(yīng)變超過4%時，不同圍壓下試樣剪縮體應(yīng)變開始出現(xiàn)明顯不同，圍壓越大則體應(yīng)變越大。在相對穩(wěn)定狀態(tài)下，坡底料剪切時也呈剪縮特征，但其剪切體應(yīng)變隨圍壓的差異在剪切早期就能明顯表達(dá)；處于自重荷載下穩(wěn)定狀態(tài)時，坡底料在低圍壓下剪切會出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，在更高圍壓下剪切則會過渡到剪縮。分析其原因：

(1)同一相對密度下，坡頂料密度較小、孔隙較大，結(jié)構(gòu)更為松散。在變形過程中，孔隙被壓縮，直觀體現(xiàn)為體縮。變形初期由于結(jié)構(gòu)太過松散，土體剪脹性反映不充分，各圍壓下試樣的體應(yīng)變曲線趨于一致。

(2)坡底料級配曲率系數(shù)與坡頂料具有較大差異，與其經(jīng)過重力的拋落分選有直接關(guān)系。相同相對密度時，坡底料密度顯著大于坡頂料，顆粒骨架具有更好的穩(wěn)定性和咬合性。在Dr=0.5時，其體應(yīng)變曲線雖仍整體呈現(xiàn)剪縮，但隨圍壓梯度變化已具有一定分化，而在Dr=0.63時，由于力鏈結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，體應(yīng)變在大軸向應(yīng)變階段已具有剪脹趨勢。

綜上：從應(yīng)變關(guān)系特性看，松散碎石土大變形過程以顆粒平動作用引起的體縮為主，特別在相對密度較低時，體應(yīng)變曲線具有顯著一致性，隨著分選特性更好以及相對密度的適當(dāng)提高，其大變形過程中的剪脹特性方能逐步發(fā)揮。另據(jù)試驗(yàn)過程中的觀察和試驗(yàn)完畢后對試樣級配的簡單分析來看，松散土的顆粒破碎效應(yīng)基本可忽略。

3.3 松散碎石土的泊松比特性

結(jié)合以上4組試驗(yàn)成果，分析實(shí)測泊松比-應(yīng)力水平關(guān)系，并與工程科研中使用較為廣泛的鄧肯-張E-ν和E-B模型[14]進(jìn)行對比，研究其在描述松散碎石土變形特性方面的適用性。

3.3.1 鄧肯-張E-ν和E-B模型

E-ν模型中，切線彈性模量Et和泊松比νt分別為：

(1)

(2)

其中S為應(yīng)力水平，νi為初始泊松比：

(3)

(4)

參數(shù)A展開為

(5)

式中：σ1、σ3為大、小主應(yīng)力；pa為大氣壓力；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；D、F、G、K、n、Rf為模型參數(shù)。E-B模型切線彈性模量也由式(1)確定，體積變形模量Bt由式(6)確定，即

(6)

式中Kb和m為模型參數(shù)。從而νt可表示為

(7)

綜上確定的4組料鄧肯-張模型參數(shù)如表5所示。

表5 4種料的鄧肯-張模型參數(shù)

3.3.2 實(shí)測泊松比的確定

3.3.3 鄧肯-張模型泊松比與實(shí)測泊松比的比較

圖5給出了坡頂料、坡底料用鄧肯張E-ν和E-B模型計算得到的泊松比與實(shí)測泊松比曲線。

圖5 不同圍壓下鄧肯-張模型泊松比與實(shí)測泊松比曲線

鄧肯張E-ν和E-B模型計算得到的泊松比ν都隨應(yīng)力水平S的增加而增大，與文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[11]中的試驗(yàn)結(jié)果一致。對于E-ν模型，同一應(yīng)力水平S下ν隨圍壓的增大而減小；而對E-B模型；除坡底料2外同一應(yīng)力水平下ν基本不隨圍壓而變化。

分析其原因，從E-B模型計算公式(7)可以看出：

由圖5可以看出：

(1)對于坡頂料，實(shí)測泊松比隨應(yīng)力水平大致呈線性關(guān)系，初始泊松比小，且泊松比與圍壓關(guān)聯(lián)不大，表明大變形過程主要以軸向壓縮為主，側(cè)向應(yīng)變效應(yīng)較弱，符合松散碎石土變形特性，采用鄧肯-張E-B模型能夠更好地描述其泊松比-應(yīng)力水平的關(guān)系。

(2)對于坡底料，實(shí)測泊松比曲線隨應(yīng)力水平也大致呈直線型，但與坡頂料的差異在于，其與圍壓的關(guān)系具有聯(lián)動性。同一應(yīng)力水平下，圍壓越大，泊松比越??；圍壓越大，初始泊松比也越小。鄧肯-張E-ν模型對其具有較好的適用性。

初步分析認(rèn)為造成這種差異的根本原因是坡底料在形成時經(jīng)過充分的重力分選，大粒徑顆粒會滾落到坡底，造成其級配曲線中大中粒徑顆粒含量多，所以能形成更為穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，與坡頂松散體比較具有一定粗粒土的性質(zhì)。但是鄧肯-張E-B和E-ν模型分別對渣場松散坡頂和坡底料的普遍適用性這一現(xiàn)象還有待后續(xù)研究繼續(xù)揭示。

4 結(jié) 論

通過對該渣場邊坡松散碎石土的4組大型三軸及其它試驗(yàn)的分析和研究可以得出以下結(jié)論：

(1)在直接測試渣場原狀松散碎石土物理特性較為困難的情況下，根據(jù)對其實(shí)際賦存狀態(tài)的推算，并通過試驗(yàn)認(rèn)為渣場邊坡松散碎石土相對密度大致在0.50～0.63之間。且從級配來看，坡頂料和坡底料由于堆積形成過程的差異，坡底料經(jīng)歷了拋落的重力分選，主要體現(xiàn)在曲率系數(shù)的較大差異，在對渣場松散料的研究中，空間分布的差異性較為明顯。

(2)邊坡松散碎石土基本呈應(yīng)變硬化特性，無顯著峰值，且初始剛度小?？紤]到工程實(shí)際中，往往以一定的應(yīng)變作為控制條件。初步提出取應(yīng)變?yōu)?%對應(yīng)的割線模量作為數(shù)值計算模量E參數(shù)，并按照3%～5%應(yīng)變對應(yīng)的偏應(yīng)力計算內(nèi)摩擦角φ。此控制標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)以工程要求的應(yīng)變量為準(zhǔn)，在此僅從機(jī)理上做了初步分析說明。

(3)根據(jù)實(shí)測泊松比與鄧肯-張E-B和E-ν模型對比認(rèn)為，對于坡頂料，泊松比可通過E-B模型

的計算公式來確定；對于坡底料，E-ν模型適用性比較好。這一現(xiàn)象對所有渣場松散體而言是否具有普遍性適用性還有待進(jìn)一步研究。

(4)從實(shí)測泊松比與應(yīng)力水平曲線可以看出，邊坡坡頂?shù)淖冃我猿两禐橹鳎碌滋巶?cè)向變形在低應(yīng)力水平下即發(fā)展較快，這將是造成渣場松散邊坡破壞的主要因素之一。因此，在棄渣場松散邊坡穩(wěn)定分析中，應(yīng)采取差異性的分析思路，坡頂應(yīng)著重解決沉降問題，而坡腳應(yīng)以防止側(cè)向變形破壞為主。

總體來看，渣場松散碎石土所展現(xiàn)出的物理力學(xué)特性與典型粗粒土存在較大差異。且渣場邊坡渣料的變形力學(xué)特性在空間分布上也存在較大差異，除去結(jié)構(gòu)松散的特性外，重力拋(滾)落的分選作用不容忽視，造成了不同部位渣料級配特征的差異。

研究得到的初步結(jié)論有助于為渣場邊坡設(shè)計及變形穩(wěn)定性計算提供一定參考。目前，松散碎石土渣料物理力學(xué)特性的研究相對較少，后續(xù)還將開展更為深入的研究。