含水率及夹层厚度对软弱夹层强度影响分析

2022-02-18孔令亚滕伟福刘猛刘冬

科学技术与工程 2022年2期

孔令亚，滕伟福*，刘猛，刘冬

(1.中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，武汉 430074； 2.汕头大学工学院，汕头 515063)

鄂西-渝东及三峡库区均是中国地质灾害极易发区，区内地质灾害具有分布广、发生频率高、灾度重、突发性强等特点，其中以三叠系中统巴东组地层岩组发育的滑坡为典型代表[1]。软弱夹层的物理力学性质极为薄弱，对斜坡及围岩稳定性影响较大，因而对其剪切力学特性及破坏模式的研究具有实际工程意义[2]。唐良琴等[3]研究了物质组成、组构特征、粒度成分、含水量和地应力等主要因素对软弱夹层抗剪强度的影响，并建立了性状指标和强度参数间的相关方程。许飞等[4]结合细粒土室内直剪试验，研究了不同的粗粒含量、不同含水率以及不同厚度的软弱夹层土抗剪强度参数特性。熊亚萍等[5]研究结果表明巴东泥化夹层剪切力学参数变化趋势与夹层颗粒及含水率具相关性。李剑光等[6]为研究软弱夹层的倾角对巷道围岩稳定性的影响，配制了含不同倾角软弱夹层的物理模型，利用模具对其施加位移边界条件，对物理模型进行模拟开挖。甘建军等[7]研究了降雨入渗对含软弱夹层堆积体边坡稳定性的影响,通过固定式双渗透降雨物理模拟技术和光纤光栅传感器技术,对不同坡角的软弱夹层顺层堆积体开展了降雨物理模拟试验。

中外学者对土-结构物接触面力学性质展开了大量研究，从改进仪器到改变接触材料等方法，探明了土体在含水率、夹层厚度、粗糙度等因素影响下与不同接触材料接触面的抗剪强度变化规律。安琪等[8]以三峡库区巴东组岩-土接触面为研究对象进行大型直剪试验，研究了不同碎石含量、不同基岩因素下碎石土-基岩接触面抗剪强度特性。刘千惠等[9]开展黏性土-结构接触面剪切变形时的渗透机理分析，揭示了在接触面剪切-渗流的过程中，土体内部的应力-变形和孔隙比的演化过程以及渗透特性的内在机理。赵少飞等[10]制备不同物理性质指标扰动土样，探究扰动土与不同粗糙度接触面的抗剪强度变化规律。杨烜宇等[11]为了研究土-岩界面的剪切特性，制备了不同形态接触面和不同材料性质的圆盘试样，开展室内直剪试验，并对剪切破坏面的颗粒分布和接触面剪切本构模型进行分析。还有很多学者做着相关研究[12-15]。

巴东组第三段软弱夹层具有特殊性，该段以灰岩、泥灰岩为主，其组成为碳酸盐矿物、泥质及石英颗粒等，构成钙质泥岩软弱夹层。T2b3特殊岩体特性使风化后的软弱夹层和地下水中含有较多CaCO3，夹层土多为含钙质夹层土[16]。在地下水入侵下，CaCO3、水、软弱夹层和岩面之间共同作用，会改变软弱夹层结构面的剪切力学特性。

基于此，现通过掺入不同比例的轻质碳酸钙来模拟巴东组第三段(T2b3)含钙质夹层土，进行宏微观试验，探究不同变量下的试样抗剪强度及其参数动态变化规律，以期为该地区此类型斜坡的稳定性评价及相关工程建设提供科学的参数依据[16]。

1 巴东组软弱夹层特性

巴东地区软弱岩层面较为发育，其表现特点为泥化夹层，如图1所示。该类泥化夹层在泥质灰岩和泥岩中发育较多，富含泥质，水理性质较差，且由于水的作用岩层产生软化泥化，对岩体完整性和斜坡稳定性有重要影响[17]。

巴东组第三段地层中最为发育的为碎裂岩软弱带，如图2所示，常见于软硬岩层相接触位置，这与巴东地区特殊地质环境和软硬相间的岩层有关，这种岩层自身强度很差，强烈挤压使得岩体产生破碎，然后水对其进行浸泡淘蚀，最后重新胶结形成软弱带，其形成的软弱带颗粒级配通常较好，富含碎屑物、碎块石等[18-19]。

图1 巴东组第三段软化泥化Fig.1 Softening and slime of the third stage of Badong

图2 巴东组第三段碎裂岩软弱带Fig.2 Soft zone of cataclastic rocks in the third member of Badong

2 基本物理力学特性

2.1 基本物理指标

研究区域为处在巴东组第三段地层的巴东县209国道小区附近，在研究区取软弱夹层土，进行系列室内常规试验，得出土的基本物理指标如表1所示。

表1 土样物理力学性质表Table 1 The physical and mechanical properties of soil samples

2.2 颗分试验

颗分试验中，小于某粒径的土样累积百分含量如表2所示，试验表明：细粒含量和粗粒含量比较分明，级配良好。

表2 小于某粒径的土样累计百分含量Table 2 Cumulative percentage content of soil samples less than a certain particle size

2.3 X射线衍射试验

巴东组地层为海退序列兼有振荡运动形式下形成的滨-浅海相不纯碳酸盐岩、泥砂岩建造。巴东组第三段，其组成为碳酸盐矿物、泥质以及石英颗粒等[20-21]。碳酸盐矿物有方解石和白云石，含泥质是第三段岩石的主要特征，即构成钙质泥岩软弱夹层。另一个显著特点是易风化，风化作用使其碳酸盐矿物溶解、淋失，泥质含量相对增加，CaCO3含量发生改变，对软弱夹层强度产生影响。因此，巴东组第三段是典型的易滑地层[22-24]。

利用荷兰X’pert MPD ProX射线仪以及黏土矿物含量分析法，对随机选取的5组土样进行化学成分分析，化学成分含量如表3所示。试验测试表明该区CaCO3含量表现出不均匀性，因而采用土样四制作重塑土样，着重探究CaCO3含量对软弱夹层抗剪强度的影响规律。

表3 取样点土样化学成分百分含量Table 3 Percentage of chemical constituents of Soil sample at sampling point

3 直剪试验

3.1 试验仪器

直剪试验采用SDJ-Ⅱ型电动等应变直剪仪，位移计量程为10 mm，剪切速度设为0.8 mm/min。

微计算机断层扫描试验所用CT(computed tomography)扫描仪为美国菲尼克斯工业CT(phoenix v|tome|x s)—多功能高分辨率系统，仪器装备240 kV/320 W的微焦点管，具有高度灵活性，其细节检测能力高达1 μm。设备主要组成部件有射线发生器、射线接收器和数据采集系统。

电镜扫描(scanning electronic microscop,SEM)试验采用QUANTA200型号扫描电子显微镜，放大倍率为25～20万倍，分辨率可达3.5 nm。测试样品镀金采用德国生产的型号为3ΔL-TEC SCD 005的低真空镀膜仪。

3.2 试样参数选择

采用土样四制作重塑土样，经过前期调研测量和化学成分分析[23]，试样中CaCO3含量水平设为0、2%、4%和6%。制样采用烘干土样，然后按照设计变量添加对应的水量和CaCO3的量进行配样。含水率设置为10%、14%、18%和22%。考虑实际岩体结构面的复杂性及试验尺寸要求，试验灰岩岩样采用现场岩样并打磨成具相同粗糙度岩面的圆柱形岩块，分为上下两部分，直径设为61.8 mm。此外结合所查阅文献，制定了2、4、6、8 mm 4个水平夹层厚度，探讨夹层厚度对试样抗剪强度的影响。

在正式试验前通过设计试探性对照试验，来验证所制备的钙质夹层土是否具有代表性[20]。选用烘干过筛土样(土样四)，配置含量6%的CaCO3及含水率18%的土岩剪切试样，掺入后放入恒温恒湿箱中，静置时间分别设置为6、12、18、24、36、48 h；将配置好的试样放置于固结仪上，并在200 kPa法向应力下固结12、24、36 h；共计18个试样，取出后开展直剪试验。同时，选用烘干过筛土样(土样三)，制备含水率18%并在200 kPa法向应力下固结24 h的土岩剪切试样作为对照组。试探性试验结果表明：土样四掺入CaCO3后的静置时间设置24 h，固结时间设置为24 h，其应力-应变曲线走向和峰值与土样三较为吻合，因而所制备的钙质夹层土具有代表性。

3.3 试验方案

通过开展不同法向应力条件下，不同含水率及夹层厚度和不同CaCO3含量软弱夹层结构面的直剪试验，探究试样抗剪强度在不同变量下的变化规律。试验分组方案如表4所示。

3.4 剪切试样制备与剪切过程

首先将土样烘干过2 mm筛，称取烘干土样放入拌土盘中，加入对应含量的CaCO3搅拌均匀，再按照设计变量添加水量，拌和均匀后将土样用保鲜膜包裹密封，并放入恒温恒湿箱中静置24 h。

对于直剪试样，利用直剪制样仪器制样，通过制样器轻轻加压使岩土固结不松散后，从仪器中取出并套上保鲜膜，将配置好的试样放置于固结仪上，按照对应的加荷等级固结24 h。制作“灰岩-夹层土-灰岩”特殊土岩剪切试样如图3所示，剪切后试样如图4所示。

表4 直剪试验分组Table 4 Direct shear test grouping

图3 “灰岩-夹层土-灰岩”特殊土岩剪切试样Fig.3 “Limestone-interlayer soil-limestone” special soil and rock shear sample

图4 直剪破坏后的土岩试样Fig.4 Soil and rock sample after direct shear failure

4 试验结果与分析

4.1 含水率对抗剪强度的影响

4.1.1 各因素对试样抗剪强度影响分析

为了确定软弱夹层的在不同因素下抗剪强度变化关系，分别绘制不同CaCO3含量下含水率与剪切强度的关系曲线，如图5所示。

当试样CaCO3含量为0时，200 kPa法向应力下，试样含水率从10%到14%、18%、22%时，抗剪强度由85.3 kPa降至73.9、55.9、40.9 kPa，相对降低了13.4%、34.5%、52.1%。当试样在其余法向应力下剪切时，试样抗剪强度降低的规律也大致相同。由此可得，试样抗剪强度随含水率的增大而减小。

当试样CaCO3含量为2%时，200 kPa法向应力下，试样含水率从10%到14%、18%、22%时，抗剪强度由93.3 kPa降至85.9、57.9、45.9 kPa，相对降低了7.9%、37.9%、50.8%。加入2%的CaCO3后，10%和14%含水率下的试样抗剪强度与18%和22%的抗剪强度明显拉开，而且相对CaCO3含量为0时试样而言，18%和22%的试样抗剪强度提高较小，所以2%的CaCO3对低含水率试样强度影响较大，而对高含水率的影响较小。

图5 试样抗剪强度随含水率变化折线图Fig.5 Line diagram of shear strength of sample changing with water content

当试样CaCO3含量为4%时，在法向应力相同的情况下，试样抗剪强度的随含水率增大而逐渐减小的趋势较前两组发生改变。100 kPa和200 kPa法向应力下，试样含水率从10%～18%时，试样的抗剪强度不断增大，跨过18%以后，试样的抗剪强度随着含水率的增大而减小，由此可得含水率达到一定值后，其对试样抗剪强度的影响有限。300 kPa和400 kPa法向应力下，10%～14%含水率时，试样抗剪强度随含水率增大而增大，14%以后，抗剪强度随含水率增大而减小。

试样CaCO3含量为6%与CaCO3含量为4%时的趋势类似，试样含水率从10%～18%时，试样的抗剪强度不断增大，跨过18%以后，试样的抗剪强度随着含水率的增大而减小。由此可见，CaCO3含量达到6%时，软弱夹层土的强度性质明显改变，从而导致整个试样强度性质改变。

含水率的大小和软弱夹层土中钙质含量的多少共同影响着试样抗剪强度的大小。为了观察分析二者对其影响的具体情况，作出不同法向应力下试样抗剪强度三维曲面图，如图6所示。

结合三维曲面图和曲面投影图可知：在不同含水率和CaCO3含量、不同法向应力下，曲面走势大致相同，且随着法向应力的增大，曲面Z方向增大，即抗剪强度增大，这表明了法向应力对抗剪强度的走势影响较小。CaCO3含量对试样抗剪强度的影响为：低含水率时，试样抗剪强度先随CaCO3含量的升高而增大，而后随之升高而减小，高含水率时，试样抗剪强度随CaCO3含量的升高而增大。含水率对试样抗剪强度的影响为：低CaCO3含量时，试样抗剪强度随含水率的升高而减小，高CaCO3含量时，14%～18%含水率时试样抗剪强度随含水率的升高而增大，而到22%时抗剪强度突降[16]。高含水率且低CaCO3含量时，试样抗剪强度最小；低含水率且高CaCO3含量时，试样抗剪强度相对较小。

4.1.2 各因素对内摩擦角及黏聚力影响分析

内摩擦角和黏聚力是控制土体抗剪强度重要参数。作试样内摩擦角及黏聚力三维曲面图(图7)，分析不同变量影响下内摩擦角和黏聚力的变化趋势，进而得出试样抗剪强度的变化趋势。

从图7(a)可得：在低含水率高CaCO3含量时，试样内摩擦角最大；高含水率高CaCO3含量时，试样内摩擦角有所增大；高含水率低CaCO3含量时，试样内摩擦角最小。低CaCO3含量时，试样内摩擦角随含水率的增大而减小；高CaCO3含量时，试样内摩擦角先随含水率的增大而增大，而后随含水率的增大而减小。

图7 试样内摩擦角及黏聚力三维曲面图Fig.7 Three-dimensional curved surface diagram of internal friction angle and cohesive force of specimen

从图7(b)可得：试样黏聚力在含水率(18%)和CaCO3含量(4%)处达到峰值，且在高含水率和高CaCO3含量时，试样黏聚力也相对较大。当高含水率且低CaCO3含量时，试样黏聚力最小。低含水率时，试样黏聚力随CaCO3含量的升高而减小，高含水率时，黏聚力随CaCO3含量升高而增大。

4.2 夹层厚度对抗剪强度的影响

4.2.1 各因素对试样抗剪强度影响分析

为了确定软弱夹层的抗剪强度，分别绘制了在不同CaCO3含量下，夹层厚度与抗剪强度的关系曲线，如图8所示。

CaCO3含量为0时，100 kPa法向应力下夹层厚度对试样抗剪强度的影响较小，200 kPa下试样夹层厚度为2～8 mm时，抗剪强度分别为69.7、55.9、52.2、47.3 kPa；试样夹层厚度为2～4 mm时，抗剪强度降低了19.8%，而夹层厚度为4～8 mm时，抗剪强度变化相对较小。高法向应力下(300 kPa和400 kPa)试样也有此规律，所以低法向应力时，夹层厚度对试样抗剪强度影响较小，而高法向应力时，试样抗剪强度随夹层厚度的增大而减小，且夹层厚度较小时，这种影响规律较为明显。

当CaCO3含量为2%时，100 kPa法向应力下试样抗剪强度的变化不大，过4 mm后，试样的抗剪强度逐渐降低。200、300、400 kPa法向应力时，试样抗剪强度随夹层厚度的增大而减小，且试样夹层厚度从2～4 mm时，试样的抗剪强度下降梯度较大。

图8 试样抗剪强度随含水率变化折线图Fig.8 Line diagram of shear strength of sample changing with water content

当CaCO3含量为4%时，低法向应力下(100 kPa和200 kPa)，试样夹层厚度从2～4 mm时，试样的抗剪强度增大，跨过4 mm以后，试样的抗剪强度随着夹层厚度的增大而减小，且4 mm以后的抗剪强度减小较为平缓，由此知道夹层厚度达到一定值后，其对试样抗剪强度的影响有限。高法向应力下(300 kPa和400 kPa)，夹层厚度从2～4 mm时，试样抗剪强度随夹层厚度增大而减小的趋势较大，4 mm以后，抗剪强度逐渐稳定。

当CaCO3含量为6%时，100 kPa法向应力下试样的抗剪强度先随夹层厚度的增大而增大，过4 mm后，试样的抗剪强度逐渐降低。200、300、400 kPa法向应力时，试样抗剪强度随夹层厚度的增大而减小，且试样夹层厚度从2～4 mm时，试样的抗剪强度下降梯度较大。结合分析，4 mm为试样抗剪强度降低的标志点，即在夹层厚度小于4 mm时，试样抗剪强度随夹层厚度降低的较快，夹层厚度大于4 mm时，试样抗剪强度随夹层厚底降低的较慢。

根据上文分析，含钙质夹层土的试样夹层厚度2 mm时的试样的抗剪强度总是较大，且夹层厚度从2～4 mm时，试样抗剪强度急剧下降，而过了4 mm以后，试样抗剪强度下降的较为平缓，且有稳定趋势。在CaCO3含量发生变化时，2 mm夹层厚度的试样抗剪强度变化不明显，但对4、6、8 mm夹层厚度的试样影响较大。

为了更加清楚地分析夹层厚度和CaCO3含量二者对试样抗剪强度的影响规律，作出二者与其抗剪强度的三维曲面图，如图9所示。根据三维曲面图和曲面投影可直观观察到夹层厚度和CaCO3共同作用下，抗剪强度的变化规律。100 kPa法向应力时，沿着夹层厚度方向，曲面颜色一致，说明低法向应力时，试样抗剪强度受夹层厚度影响较小；而顺着CaCO3含量增大的方向，曲面由深蓝变为深红，说明随着CaCO3含量的增大，试样抗剪强度逐渐增大。200、300、400 kPa法向应力时，曲面走势基本一致，从高夹层厚度低CaCO3含量到低夹层厚度高CaCO3含量，曲面由深蓝变为深红，即试样抗剪强度逐渐变大，整个曲面的峰值强度也在低夹层厚度高CaCO3含量区域。从各个曲面的平面投影图可以看出：在2 mm时，曲面颜色分界线较为密集，而其他夹层厚度的曲面分界线比较松散，这表明2～4 mm时试样抗剪强度下降较快，而过了4 mm以后，试样抗剪强度下降较平缓。

试样夹层厚度较小时，抗剪强度主要受结构面控制，而当夹层厚度达到足够厚时，软弱夹层本身的抗剪强度决定着试样的抗剪强度。从4组试样的应力-应变曲线中得出，夹层厚度为2 mm时，试样曲线的直线段较为明显，达到峰值强度后迅速降低。这也说明夹层厚度2 mm时是结构面控制抗剪强度，而夹层厚度4 mm以及更大时，试样应力-应变走势和抗剪强度基本无太大变化，此时，软弱夹层控制着试样的抗剪强度，各个厚度的软弱夹层抗剪强度基本一致。

图9 不同法向应力下试样抗剪强度三维曲面图Fig.9 Three-dimensional curved surface plot of specimen shear strength under different normal stresses

4.2.2 各因素对内摩擦角及黏聚力影响分析

作出试样在夹层厚度和CaCO3含量共同影响下黏聚力与内摩擦角三维曲面图，如图10所示。

由图10(a)可知，当试样软弱夹层厚度2 mm时，试样内摩擦角最大，试样夹层厚度从2～4 mm时，其内摩擦角产生了突降，且该变化不受CaCO3含量影响。跨过4 mm夹层厚度后，内摩擦角在夹层厚度方向上变化较小。低CaCO3含量时，试样内摩擦角比较小且随CaCO3增大而改变的趋势较小，而当试样CaCO3含量达到5%左右时，平面投影图中颜色分界线较为密集，说明此区域内试样内摩擦角增大，且增大得较快，这是因为过多的CaCO3填充了软弱夹层孔隙，土颗粒间的摩擦力增大，从而试样内摩擦角得以提升。

由图10(b)可知：顺着夹层厚度增大的方向，曲面颜色起伏基本不变，说明黏聚力受夹层厚度的影响较小。而随着试样软弱夹层CaCO3含量的增大，试样黏聚力逐渐增大，当CaCO3含量大于4%后，黏聚力有所下降，这是由于CaCO3含量过大，消耗部分水分，使得含水率降低，因而使得黏聚力减小。因此，内摩擦角明显较大时是由结构面控制试样抗剪强度，而内摩擦角和黏聚力相对较稳定时，试样抗剪强度主要由试样的软弱夹层控制。

图10 试样内摩擦角及黏聚力三维曲面图Fig.10 Three-dimensional curved surface diagram of internal friction angle and cohesive force of specimen

5 微观试验及抗剪强度变化机理分析

5.1 CT扫描试验

选取18%含水率下不同CaCO3含量(0、2%、4%、6%)试样开展微计算机断层扫描试验(CT扫描试验)，通过对直剪试验前后试样进行扫描分析及软件测算孔隙率变化(图11)，分析CaCO3含量对直剪试样土颗粒孔隙及颗粒间胶结程度影响，进而从微观层面探究CaCO3含量对软弱夹层抗剪强度的影响[16]。

直剪试验前，选取不同CaCO3含量的试样进行CT扫描试验，处理后扫描图像如图12和图13所示，可知试验前试样颗粒间孔隙较大，主要呈点状、块状及细条带状分布。且不同CaCO3含量土样之间存在明显的孔隙差异，即CaCO3含量为0、2%相比含量为4%、6%土样孔隙而言土样红色点状及条带密集，表明其内部孔隙分布密集，孔隙之间连通性好，土体易于压缩且力学性质较差。

待试验结束后，选取300 kPa法向应力下剪切土样进行CT扫描，从扫描图像分析，在同一法向应力下，剪切后土样孔隙率相比剪切前降低，且降低幅度较大；试样剪切前后孔隙率变化经软件统计如表5所示。结合表5可得：在18%含水率下，随着CaCO3含量的增加，土样的孔隙率随之减少。另外图像中的灰白区域增多，表明颗粒间的胶结作用增强。

图11 CT扫描和数据采集系统Fig.11 CT scan and data acquisition system

表5 土样剪切前后孔隙率变化Table 5 Changes in porosity of soil samples before and after shearing

红色点状为孔隙图12 土样剪切前CT切片图Fig.12 CT slice of soil sample before shear

红色点状为孔隙图13 土样剪切后CT切片图Fig.13 CT slice of soil sample after shear

5.2 电镜扫描(SEM)试验

选取CaCO3含量6%，含水率18%制备土样，用研钵研磨至粉末状，并将粉末撒在导电胶上[25]，再使用洗耳球继续将粘结较差的粉末颗粒去除，然后将其置于低真空镀膜仪中进行镀金处理，开展电镜扫描试验(SEM试验)。

观察试样SEM图(图14)，碳酸钙在土体中的形貌表现为立方体形态，夹杂有球形及类球状聚集体，颗粒尺寸较小。碳酸钙充填于土颗粒间增大密实度，同时将土颗粒胶结在一起，使土体更致密，因此内聚力得到较大提高；同时碳酸钙在土颗粒表面沉积，增加土颗粒表面的粗糙度，增加了相邻土颗粒间的滑动摩擦和咬合摩擦，使得土体内摩擦角也得到提升，可能由于后者影响程度较小，从而使得内聚力提升程度大于内摩擦角。

图14 电镜扫描(SEM)图Fig.14 Scanning electron microscope (SEM) image

5.3 抗剪强度变化机理分析

CaCO3通过影响试样的内摩擦角和内聚力影响着试样的抗剪强度。当未加入CaCO3时，随着含水率的增大，试样土体部分基质吸力减小，且部分形成胶结体的物质被水融化；当加入CaCO3后，试样内的孔隙被CaCO3粉末充填，使得土体密实度增大，同时CaCO3会附着于土颗粒，使其粒径增大，土颗粒表面变粗糙，这些土体内部的物理变化会增大土样的内摩擦角。

其次，CaCO3本身会形成钙质胶结，加入的CaCO3分布于土颗粒相接触的部位，当CaCO3含量增加到一定量时，这种胶结作用会使得土颗粒胶结成团块，进而形成稳定的网状结构，且随着CaCO3含量增加，这种网状结构会随之增加且结构性增强，其试样内聚力因之增大。另外，CaCO3也会与试样内的水土发生化学反应形成其他胶结，如生成可加强土体胶结作用的MgCO3。