宋上明

(中鐵開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650118)

0 引言

土石混合料是由性質(zhì)差異懸殊的土和石組成的松散體，是一種介于土體和巖體之間的特殊地質(zhì)體[1]。在早期的山地城鎮(zhèn)建設(shè)中，廣泛采用“開(kāi)山填谷”的方式進(jìn)行場(chǎng)地平整，從而形成大面積的深厚土石混合體回填區(qū)。現(xiàn)今大力修建城市地鐵會(huì)不可避免地下穿這類(lèi)土石混合體回填區(qū)，其隧道圍巖分級(jí)的準(zhǔn)確性是工程設(shè)計(jì)的前提。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，土石混合體的圍巖級(jí)別可屬于Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，但并未對(duì)Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖給出定量的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行劃分，因此，如何根據(jù)地勘結(jié)果或者現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確地劃分土石混合體的圍巖級(jí)別，是困擾工程技術(shù)人員的一個(gè)難題。

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的圍巖分級(jí)方法主要包括按基本因素定性分級(jí)法和綜合各類(lèi)因素人為定量打分法2大類(lèi)。其中： 前者應(yīng)用簡(jiǎn)單，特別便于工程經(jīng)驗(yàn)豐富的人員采用，評(píng)級(jí)結(jié)果的準(zhǔn)確性受應(yīng)用者的主觀影響[2]； 后者評(píng)級(jí)結(jié)果較客觀，但有些定量指標(biāo)較難準(zhǔn)確確定，導(dǎo)致應(yīng)用受限[3]。為此，近年來(lái)有學(xué)者提出了一些新的分級(jí)方法。針對(duì)不同發(fā)育程度的巖溶?chē)鷰r，李蒼松等[4]建立了一種合理的圍巖分級(jí)物理模型和數(shù)學(xué)模型，取得了較好的應(yīng)用效果； 童建軍等[5]通過(guò)工程調(diào)研、理論研究和數(shù)值模擬等方法，提出了公路隧道圍巖亞級(jí)分級(jí)方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并建立了各亞級(jí)條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)體系； 王明年等[6]針對(duì)我國(guó)當(dāng)前公路隧道圍巖分級(jí)級(jí)別跨度大的問(wèn)題，基于大量室內(nèi)試驗(yàn)獲得的物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別對(duì)巖體圍巖和土質(zhì)圍巖進(jìn)行了圍巖亞分級(jí)，并給出了各級(jí)圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)值。此外，陳煒韜等[7]采用類(lèi)似的方法，基于大量的圍巖物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果和深埋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)黏性土的液性指數(shù)、天然密度和塑性指數(shù)3個(gè)圍巖分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行了定量研究； 梁慶國(guó)等[8]針對(duì)現(xiàn)有深埋黃土隧道圍巖力學(xué)特性方面的研究方法和成果的不足，建立了該條件下的試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容和研究方法。

綜上所述，雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)圍巖分級(jí)有了較多的研究成果，但未有專(zhuān)門(mén)適用于土石混合體回填土隧道圍巖分級(jí)的方法。因此，迫切需要提出一種可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)易獲得的物性指標(biāo)，對(duì)土石混合體回填土的圍巖級(jí)別進(jìn)行快速和精確劃分的方法。本文以重慶典型的土石混合體回填土為研究對(duì)象，通過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研確定其圍巖分級(jí)物性指標(biāo)，然后通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得這些物性指標(biāo)與力學(xué)參數(shù)的關(guān)系； 基于此，建立一種適用于重慶地區(qū)典型土石混合體回填土隧道圍巖分級(jí)的方法，對(duì)于指導(dǎo)該地區(qū)的隧道設(shè)計(jì)和施工具有重要的工程價(jià)值。

1 土石混合體回填土圍巖分級(jí)指標(biāo)的確定

根據(jù)我國(guó)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定，隧道圍巖大致可分為土質(zhì)圍巖和巖質(zhì)圍巖2大類(lèi)。巖質(zhì)圍巖主要是由各類(lèi)巖體或巖石組成的地質(zhì)體，而土質(zhì)圍巖是由各類(lèi)土體或者含塊石土體組成的地質(zhì)體，兩者在組成結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)上存在顯著差異，因此應(yīng)采用不同的分級(jí)方法[9]。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》[10]規(guī)定，大致可將土體分為碎石土、砂土、粉土和黏性土幾大類(lèi)，每大類(lèi)土體又可細(xì)分為幾小個(gè)類(lèi)型。各大類(lèi)土體的物理參數(shù)指標(biāo)具有明顯的差異，因而導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)差異非常大，與其對(duì)應(yīng)的圍巖級(jí)別亦有顯著差別。因此，對(duì)于土質(zhì)圍巖而言，圍巖分級(jí)指標(biāo)的選取應(yīng)優(yōu)先考慮那些對(duì)力學(xué)性質(zhì)影響較大的物理參數(shù)指標(biāo)。

土石混合體是由粒徑較小的黏質(zhì)土和粒徑較大的塊石組成，因此，建立其分級(jí)指標(biāo)應(yīng)同時(shí)考慮黏質(zhì)土和塊石這2種類(lèi)型土的性質(zhì)。已有大量文獻(xiàn)[11-14]開(kāi)展了土石混合體力學(xué)性質(zhì)方面的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響土石混合體力學(xué)性質(zhì)的主要因素有含石量、含水率、顆粒級(jí)配、孔隙比和巖性、土性等，且這些因素的影響并非完全不相關(guān)，其中影響最大且研究最多的因素為含石量、含水率、顆粒級(jí)配和孔隙比。

本文的研究對(duì)象為重慶典型的“開(kāi)山填谷”的城市建設(shè)方式所產(chǎn)生的土石混合體回填土，回填時(shí)間普遍為2～15年，均處于欠固結(jié)狀態(tài)，密實(shí)程度普遍偏低，其變化較小，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定孔隙比較大，相對(duì)密度較為松散，且重慶地區(qū)的土石混合體回填土的孔隙比處于一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)，不同位置的孔隙比較為接近。因此，本文不考慮孔隙比對(duì)重慶地區(qū)土石混合體回填土強(qiáng)度的影響。從其組成成分上看，以粉質(zhì)黏土和泥質(zhì)砂巖為主，因此，可不考慮巖性和土性條件的影響。含石量與顆粒級(jí)配是2個(gè)非常相關(guān)的物理指標(biāo)。顆粒級(jí)配(巖塊粒徑特征)所涵蓋的信息較含石量更全面，但不易量化，而含石量卻非常容易量化，且能夠很好地用來(lái)研究土石混合料的物理力學(xué)性質(zhì)。巖石粗糙度亦有一定的影響。巖石粗糙度可以采用一定的方法進(jìn)行定量描述，如國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)推薦使用的由Barton提出的10條節(jié)理粗糙度(JRC)標(biāo)準(zhǔn)剖面輪廓曲線的方法，但應(yīng)用起來(lái)較為不便。

因此，為了同時(shí)兼顧分級(jí)方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，采用含石量和含水率2個(gè)物理指標(biāo)作為土石混合體隧道圍巖的分級(jí)指標(biāo)。

1.1 含石量

含石量是指土石混合體中的塊石質(zhì)量所占總質(zhì)量的百分比。目前，普遍將大于5 mm粒徑的顆粒定義為塊石，塊石鑲嵌在土石混合體的細(xì)粒土體中，形成一定的骨架作用，塊石含量越高，骨架作用越強(qiáng)，其對(duì)土石混合體的摩擦強(qiáng)度貢獻(xiàn)越大，但其黏聚力因細(xì)粒含量的降低而下降。因此，本圍巖分級(jí)方法將含石量作為評(píng)定土石混合體隧道圍巖分級(jí)的第一指標(biāo)。

1.2 含水率

含水率是指土石混合體中所含水的質(zhì)量與土體干質(zhì)量的比值。水對(duì)巖土材料物理力學(xué)性質(zhì)具有特別大的影響，這也一直成為國(guó)內(nèi)外研究的熱門(mén)課題之一。研究表明，水對(duì)土石混合料的強(qiáng)度和變形性質(zhì)具有顯著的軟化作用。因此，將含水率作為評(píng)定土石混合體隧道圍巖分級(jí)的第二指標(biāo)。

2 土石混合體物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)研究

2.1 物理參數(shù)指標(biāo)試驗(yàn)

以重慶市渝北區(qū)典型的土石混合體回填土為研究對(duì)象，對(duì)其開(kāi)展灌水法的天然密度試驗(yàn)、篩分法的顆粒級(jí)配試驗(yàn)、比重瓶法和虹吸管法的顆粒相對(duì)體積質(zhì)量試驗(yàn)等，測(cè)得回填土基本物理參數(shù)指標(biāo)如表1所示?？傮w上，土石混合體回填土的天然含水率較高，處于較濕狀態(tài)，干密度較低，密實(shí)度較低，工程上屬于級(jí)配不良的土體。

表1 回填土物理參數(shù)指標(biāo)

2.2 室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)

為了研究不同含水率下土石混合體的強(qiáng)度性質(zhì)，采用ZY50-2G型大型粗顆粒土直剪試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，如圖1所示。試樣按照原狀土石混合體的顆粒級(jí)配、孔隙比和干密度，使用原狀土石混合體篩分后的土石顆粒進(jìn)行重塑。分別按照晾曬后的含水率(3.35%)、天然含水率(9.22%)、飽和含水率(18.62%)以及介于天然含水率和飽和含水率之間的1種含水率(13.92%)配置4種不同含水率的土樣。儀器加載方式為位移控制方式，剪切速率采用0.8 mm/min的快剪方案，每組4個(gè)試樣的法向應(yīng)力分別設(shè)定為200、400、600、800 kPa，試驗(yàn)總共需配制16個(gè)試樣，均按照取料、拌合粒料、灑水、含水率測(cè)定、試樣裝盒、儀器準(zhǔn)備、剪切等步驟進(jìn)行。

圖1 ZY50-2G型大型粗顆粒土直剪試驗(yàn)機(jī)

Fig. 1 ZY50-2G type large-scale direct shear test machine for coarse grain soil

通過(guò)室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)得到不同含水率土石混合體的強(qiáng)度參數(shù)，如表2所示。由表2可知： 隨著含水率增加，土石混合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都降低； 當(dāng)回填土飽和(18.62%)時(shí)，黏聚力下降到12 kPa，內(nèi)摩擦角下降到20.67°。說(shuō)明水對(duì)回填土的強(qiáng)度參數(shù)有著明顯的弱化作用。

表2 不同含水率條件下回填土強(qiáng)度參數(shù)

2.3 室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)

采用固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)研究不同含石量下土石混合體的強(qiáng)度性質(zhì)。試驗(yàn)儀器采用YS30-3B型應(yīng)力路徑控制大型三軸試驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸為300 mm×600 mm，如圖2所示。試驗(yàn)分成9組進(jìn)行，各組分別配置含石量為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的試樣； 每組試驗(yàn)包含4個(gè)試樣，分別在200、400、600、800 kPa圍壓下進(jìn)行三軸剪切，剪切速率為0.6 mm/min。試驗(yàn)總共需配制36個(gè)試樣，均按照取料、拌合粒料、灑水、裝樣、儀器準(zhǔn)備、飽和、固結(jié)、剪切等步驟進(jìn)行。

圖2 YS30-3B型應(yīng)力路徑控制大型三軸試驗(yàn)機(jī)

Fig. 2 YS30-3B type large-scale traixial test machine for stress path control

通過(guò)三軸試驗(yàn)求得不同含石量試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如圖3所示。由圖3可知： 當(dāng)含石量為0%(純細(xì)粒土)時(shí)，黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為37.4 kPa和13°； 相比之下，當(dāng)含石量不為0%時(shí)，土石混合料的黏聚力要更低，而內(nèi)摩擦角則要更大。這一試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]中的試驗(yàn)結(jié)論相同，亦滿(mǎn)足土石混合料強(qiáng)度性質(zhì)的一般規(guī)律。

(a) 黏聚力

(b) 內(nèi)摩擦角

Fig. 3 Shear strength indices of soil-rock mixture under different rock contents

隨試樣的含石量從0%增加到80%，內(nèi)摩擦角逐漸增大，且增長(zhǎng)速度呈慢—快—慢的特征，速度變化分界點(diǎn)的含石量分別是20%和60%。含石量低于20%時(shí)，內(nèi)摩擦角隨含石量的增加并不大；而當(dāng)含石量超過(guò)20%后，內(nèi)摩擦角增加較快； 當(dāng)含石量達(dá)60%時(shí)，內(nèi)摩擦角較30%時(shí)提高了近15°； 此后，內(nèi)摩擦角隨著含石量的增大進(jìn)一步增加，但增加速度明顯減慢。相反地，黏聚力則呈下降規(guī)律，當(dāng)含石量較低時(shí)，黏聚力隨含石量的增加而較快的下降；當(dāng)含石量較高時(shí)，黏聚力下降較緩慢。

黏聚力出現(xiàn)以上規(guī)律，是因?yàn)樵诤枯^低時(shí)，增大含石量，回填土中的膠結(jié)物相對(duì)減少，顆粒間的膠結(jié)力降低使得黏聚力明顯下降； 而當(dāng)含石量達(dá)到較高水平時(shí)，大顆粒的幾何堆積作用增強(qiáng)，此時(shí)顆粒間的表觀黏聚力隨之增大，即粗糙顆粒表面的相互嵌入、咬合及摩擦等效應(yīng)增強(qiáng)，這使得黏聚力因得到補(bǔ)充而下降得緩慢。在實(shí)際工程中，對(duì)于土石回填土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，有必要先判定其含石量，再做經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。

3 土石混合體回填土的分類(lèi)

對(duì)于重慶地區(qū)的土石混合體回填土，含石量和含水率是影響土石混合體力學(xué)性質(zhì)最為重要的因素，亦是其圍巖分級(jí)指標(biāo)重點(diǎn)選用的物性指標(biāo)。因此，為了方便重慶地區(qū)土石混合體回填土區(qū)域的工程建設(shè)設(shè)計(jì)，依據(jù)土石混合體的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。

3.1 以含石量作為分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

土石混合料是由細(xì)粒土體和大顆粒塊石這2種性質(zhì)相差極大的材料組成的一種巖土介質(zhì)，土石混合體的顆粒結(jié)構(gòu)將隨著含石量的變化而變化。含石量小于20%時(shí)，土石混合體中的塊石之間未形成可靠的接觸，而被細(xì)粒土體充分包裹著，此時(shí)的結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似于塊石懸浮于細(xì)粒土中，因此，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)較慢，土體結(jié)構(gòu)以細(xì)粒土為主導(dǎo)； 當(dāng)含石量超過(guò)20%時(shí)，塊石之間開(kāi)始有效接觸并形成有效的骨架作用，塊石間的接觸使內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)較快，此時(shí)土體結(jié)構(gòu)為細(xì)粒土和塊石共同作用；當(dāng)含石量超過(guò)60%時(shí)，塊石間的接觸已經(jīng)十分充分，使得這種接觸對(duì)摩擦角的貢獻(xiàn)增長(zhǎng)緩慢，因此，內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)較慢，土體結(jié)構(gòu)以塊石為主導(dǎo)。

因此，含石量對(duì)土石混合體的強(qiáng)度和變形特性影響很大，可采用含石量對(duì)土石混合體進(jìn)行分類(lèi)。依據(jù)內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律和土石混合體的結(jié)構(gòu)特征，可將土石混合體劃分為多土類(lèi)、多石類(lèi)和中間類(lèi)，多土類(lèi)和多石類(lèi)界限含石量為20 %和 60 %，如表3所示。

表3重慶地區(qū)土石混合體回填土的含石量分類(lèi)法

Table 3 Classification of backfill of soil rock mixture in Chongqing considering rock content

含石量P5/% 類(lèi)別(0,20]多土類(lèi)土石混合體(20,60]中間類(lèi)土石混合體(60,100]多石類(lèi)土石混合體

3.2 以含水率作為分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

由表2可知，隨著土石混合體回填土含水率的增大，黏聚力和內(nèi)摩擦角都逐漸降低，且呈現(xiàn)出先快后慢的規(guī)律，說(shuō)明水對(duì)回填土的強(qiáng)度參數(shù)有明顯的弱化作用。綜合以上分析，依據(jù)含水率的多少將土石混合料分為硬塑類(lèi)、半干硬類(lèi)、潮濕類(lèi)和飽和類(lèi)，采用等間距劃分方法，界限含水率分別為5%、10%、15%、20%，見(jiàn)表4。

表4重慶地區(qū)土石混合體回填土的含水率分類(lèi)法

Table 4 Classification of backfill of soil rock mixture in Chongqing considering water content

含水率w/% 類(lèi)別(0,5]硬塑類(lèi)土石混合體 (5,10]半干硬類(lèi)土石混合體(10,15]潮濕類(lèi)土石混合體 (15,20]飽和類(lèi)土石混合體

4 土石混合體回填土的圍巖分級(jí)

我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中對(duì)土體的圍巖分級(jí)主要是基于土體的強(qiáng)度性質(zhì)，隸屬土石混合體范疇的碎石土、卵石土、粗角礫土、粗圓礫土、大塊石土的圍巖級(jí)別主要為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)。

為了便于工程應(yīng)用，以現(xiàn)場(chǎng)易獲得的物性指標(biāo)為依據(jù)，對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行細(xì)分。根據(jù)室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果，含石量越大且含水率越低時(shí)，土石混合體回填土的強(qiáng)度越高，即圍巖條件越好。因此，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)土體圍巖分級(jí)的規(guī)定，結(jié)合本文開(kāi)展的土石混合體室內(nèi)試驗(yàn)和分類(lèi)方法，對(duì)重慶地區(qū)土石混合體的圍巖級(jí)別進(jìn)一步細(xì)分為Ⅳ、Ⅴa、Ⅴb3級(jí)，其中Ⅴa級(jí)和Ⅴb級(jí)分別為Ⅴ級(jí)稍好圍巖和Ⅴ級(jí)稍差圍巖，如表5所示。

利用表5即可對(duì)重慶地區(qū)典型土石混合體回填土區(qū)隧道圍巖進(jìn)行快速分級(jí)，并根據(jù)圍巖分級(jí)結(jié)果對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)計(jì)。

表5重慶地區(qū)土石混合體的圍巖分級(jí)

Table 5 Classification of surrounding rock mass of soil-rock mixture in Chongqing area

含石量P5/%含水率w/%(0,5](5,10](10,15](15,20](0,20]ⅤaⅤaⅤbⅤb(20,60]ⅣⅤaⅤaⅤb(60,100]ⅣⅣⅤaⅤa

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

1)通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，重慶地區(qū)的土石混合體回填土的回填時(shí)間普遍為2～15年，相對(duì)密實(shí)度較低，天然含水率較高，處于較濕狀態(tài)，干密度較低，密實(shí)度較低，工程上屬于級(jí)配不良的土體。

2)隨著含水率的增大，土石混合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都逐漸降低，且均表現(xiàn)為先快后慢的變化規(guī)律。黏聚力降低主要是因?yàn)楹试龃罅祟w粒間的水膜厚度，使得強(qiáng)結(jié)合水變?yōu)槿踅Y(jié)合水。內(nèi)摩擦角降低主要是因?yàn)樗畬?duì)顆粒咬合力和滑動(dòng)摩擦力的潤(rùn)滑作用。

3)隨著含石量的增大，土石混填體的內(nèi)摩擦角呈慢—快—慢的增大規(guī)律，而黏聚力呈先快后慢的降低規(guī)律；含石量對(duì)土石混合體強(qiáng)度的影響本質(zhì)上與塊石是否形成骨架以及形成骨架的強(qiáng)弱有關(guān)。

4)對(duì)于重慶地區(qū)的土石混合體回填土，其圍巖分級(jí)指標(biāo)重點(diǎn)選用含水率和含石量。依據(jù)含石量可分為多土類(lèi)、多石類(lèi)和中間類(lèi)；依據(jù)含水率可分為硬塑類(lèi)、半干硬類(lèi)、潮濕類(lèi)和飽和類(lèi)。

5)對(duì)重慶地區(qū)土石混合體圍巖進(jìn)一步細(xì)分為Ⅳ、Ⅴa、Ⅴb3級(jí)，其中Ⅴa級(jí)和Ⅴb級(jí)分別為Ⅴ級(jí)稍好圍巖和Ⅴ級(jí)稍差圍巖。利用該分級(jí)方法即可對(duì)重慶地區(qū)典型土石混合體回填土區(qū)隧道圍巖進(jìn)行快速分級(jí)，并根據(jù)圍巖分級(jí)結(jié)果對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)計(jì)。

5.2 討論

本文所述圍巖分級(jí)方法與傳統(tǒng)通過(guò)打分確定圍巖級(jí)別的方法(如BQ分級(jí))具有顯著區(qū)別，主要是依據(jù)含石量和含水率這2個(gè)物理指標(biāo)來(lái)劃分，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)容易測(cè)定的含石量和含水率2個(gè)物理指標(biāo)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖級(jí)別進(jìn)行快速劃分。雖然這種方法不可避免地會(huì)存在一定誤差，但在一定程度上是合理的，能夠較方便地應(yīng)用于重慶地區(qū)土石混合體。后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合具體的工程實(shí)踐，進(jìn)行多因素組合試驗(yàn)研究，以尋求更精準(zhǔn)的圍巖分級(jí)方法。