土石混合體剪切強(qiáng)度的室內(nèi)外對(duì)比試驗(yàn)研究

黃宜勝 方鼎元 李建林 王彥海 李新哲

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

土石混合體是指第四紀(jì)以來形成的一種介于均質(zhì)土體和裂隙巖體之間，由具有一定工程尺度的強(qiáng)度較高巖塊和強(qiáng)度相對(duì)較低的細(xì)粒土體及相應(yīng)的孔隙等組成的極端不均勻的松散巖土介質(zhì)系統(tǒng)[1]．在我國廣泛存在由土石混合體組成的滑坡和邊坡，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅長江上游地區(qū)100 km2范圍內(nèi)就有1 736處滑坡，總體積為133.9億m3，其中90%為土石混合體滑坡[2]．同時(shí)三峽庫區(qū)還存在著前緣高程低于175 m，總面積達(dá)135.9 km2的崩塌體，約占水庫總面積的12.5%[3]．這些邊坡及滑坡的穩(wěn)定性是區(qū)域工程地質(zhì)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，也與庫區(qū)人民的生活生產(chǎn)及安全密切相關(guān)．因此，研究土石混合體的力學(xué)性質(zhì)，特別是在剪切狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)是非常有必要的．

土石混合體的高度離散性特征決定了土石混合體變形破壞和內(nèi)部細(xì)觀機(jī)理的特殊性，也決定了其研究方法與傳統(tǒng)巖土力學(xué)方法存在著重大差異．土石混合體含有不同大小、不同種類、不同數(shù)量的礫石塊體，具有典型的非均質(zhì)、非連續(xù)性，很難在現(xiàn)場采集到原狀樣來進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，而室外大尺度原位試驗(yàn)可以直接對(duì)原位樣進(jìn)行測(cè)試，簡單易行、費(fèi)用低、結(jié)果可靠，因此室外原位試驗(yàn)已成為研究土石混合體力學(xué)特性的一種有效手段．油新華、李曉、徐文杰等通過大量室外原位試驗(yàn)，詳細(xì)介紹了土石混合體分布特點(diǎn)、地質(zhì)成因、結(jié)構(gòu)特征及其變形破壞特性，為室內(nèi)試驗(yàn)的開展奠定了良好的基礎(chǔ)[4-6]．室外原位試驗(yàn)多以獲取土石混合體宏觀力學(xué)參數(shù)為目的，難以深入揭示土石混合體變形破壞的本質(zhì)規(guī)律、內(nèi)在機(jī)理和決定性因素．因此，室內(nèi)試驗(yàn)成為揭示土石混合體力學(xué)響應(yīng)及變形破壞機(jī)理的重要途徑．鄧華鋒、趙明華、胡峰等基于大量的室內(nèi)直剪試驗(yàn)，研究了不同組成結(jié)構(gòu)特性如含石量、粒度組成與分布、含水率等對(duì)土石混合體的剪切強(qiáng)度和變形破壞的影響[7-9]．可是常規(guī)的土石混合體室內(nèi)試驗(yàn)均為小試樣試驗(yàn)，其結(jié)果不可避免地受到尺寸效應(yīng)的影響，而且原狀樣在取樣和運(yùn)輸工程中會(huì)對(duì)試樣有一定損傷作用，其結(jié)構(gòu)性發(fā)生了變化，導(dǎo)致其強(qiáng)度參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化．

上述研究成果一般是單方面進(jìn)行室外原位試驗(yàn)或者室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)，這就勢(shì)必提出這樣一個(gè)問題，原位試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)所得指標(biāo)是否一致？為解決上述問題，本文以三峽庫區(qū)具有代表性的藕塘滑坡為例，對(duì)滑坡體上的土石混合體采用室外原位與室內(nèi)原狀樣直剪試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，綜合分析，互相驗(yàn)證，初步獲得了土石混合體更加準(zhǔn)確而全面的力學(xué)特性及其相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)研究方法．

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)選取

試驗(yàn)地點(diǎn)為三峽庫區(qū)代表性滑坡藕塘滑坡，其位于重慶市奉節(jié)縣安坪鎮(zhèn)長江右岸，藕塘滑坡為古滑坡，面積約1.78 km2．滑坡區(qū)上層巖性主要為第四系覆蓋層，試驗(yàn)點(diǎn)巖土體類別主要由粉質(zhì)粘土夾砂巖、粉砂巖及粘土巖碎塊石組成，顏色為黃褐色，粉質(zhì)粘土呈可塑、可硬塑狀，塊石塊徑1～70 cm，多呈棱角狀或次棱角狀，塊石含量一般為40%～80%．

根據(jù)高程由下至上在滑坡上依次選取4組試驗(yàn)點(diǎn)，每組試驗(yàn)點(diǎn)開挖3個(gè)試樣，為了保證每個(gè)試樣土石混合體的結(jié)構(gòu)及組成的相似性，每組的3個(gè)試樣以臨近位置為主．室外試驗(yàn)點(diǎn)編號(hào)根據(jù)高程由下至上分別為YW1、YW2、YW3、YW4．為保證室外原位樣與室內(nèi)原狀樣力學(xué)特性的可比性，在每組室外原位試驗(yàn)結(jié)束后原地采集4個(gè)原狀樣，每組室內(nèi)原狀樣編號(hào)與室外原位樣一一對(duì)應(yīng)，4組室內(nèi)原狀樣編號(hào)分別為YZY1、YZY2、YZY3、YZY4，共計(jì)16個(gè)原狀樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室開展室內(nèi)直剪試驗(yàn)．

1.2 直剪試驗(yàn)法向應(yīng)力選取

藕塘滑坡滑體厚度一般為40～70 m，平均厚度約為50.8 m[10]．經(jīng)室內(nèi)稱重，室外原位4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土石混合體平均密度約為1.916 g/cm3，由此可以得出主滑帶處平均法向應(yīng)力約為50.8×1.916×10=973.328 kPa．綜合考慮藕塘滑坡三級(jí)滑帶深度的差異性及室內(nèi)外試驗(yàn)設(shè)備加載能力的限制，室外原位直剪試驗(yàn)3級(jí)法向應(yīng)力定為50.86、76.30、101.73 kPa，室內(nèi)原狀樣直剪試驗(yàn)4級(jí)法向應(yīng)力定為100、200、300、400 kPa．

1.3 室外原位直剪試驗(yàn)方案

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)備

室外原位試驗(yàn)所包括的設(shè)備有：①剪切盒：用于制備試樣，試樣尺寸為500 mm×500 mm×300 mm；②位移計(jì)：在剪切盒前后各安放一個(gè)位移計(jì)，用于測(cè)量土石混合體試樣在剪切過程中的位移變化，試驗(yàn)完成后取兩個(gè)位移計(jì)讀數(shù)的平均值為剪切位移；③千斤頂：用于對(duì)土石混合體試樣施加法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力；④反力裝置：運(yùn)用地錨提供垂直壓力反力，以達(dá)到直剪結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力平衡．如圖1所示．

圖1 室外原位直剪試驗(yàn)設(shè)備

1.3.2 試驗(yàn)步驟

對(duì)室外原位每組3個(gè)原位樣分別施加3級(jí)法向應(yīng)力，3級(jí)法向應(yīng)力分別為50.86、76.30、101.73 kPa．室外原位直剪試驗(yàn)采用平推法，在不同的法向應(yīng)力下，施加水平剪力使其破壞，記錄試樣剪切過程中的剪切應(yīng)力和剪切位移，繪制出土石混合體試樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，從而得出每組試驗(yàn)點(diǎn)土石混合體的抗剪強(qiáng)度．

1.4 室內(nèi)原狀樣直剪試驗(yàn)方案

1.4.1 試驗(yàn)設(shè)備

室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)所包括的設(shè)備有：①PVC管：采用外徑250 mm內(nèi)徑240 mm，高200 mm的PVC管運(yùn)輸及保存原狀樣，同時(shí)室內(nèi)原狀樣采用直徑240 mm，高200 mm的圓柱體進(jìn)行直剪；②直剪儀：為了更加準(zhǔn)確獲得土石混合體的強(qiáng)度特性，選用YZW1000型應(yīng)力式直剪儀對(duì)原狀樣進(jìn)行剪切．如圖2所示．

圖2 室內(nèi)原狀樣直剪試驗(yàn)設(shè)備

1.4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

對(duì)每個(gè)室外原位試驗(yàn)點(diǎn)現(xiàn)場所采集的4個(gè)原狀樣分別施加4級(jí)法向應(yīng)力，4級(jí)法向應(yīng)力分別為100、200、300、400 kPa．將原狀樣置于直剪儀中，采用不固結(jié)不排水剪切方式，并設(shè)置直剪儀剪切參數(shù)，其中水平剪切荷載加載速率為1.0 mm/min，最大剪切位移36 mm．直剪試驗(yàn)完成后，導(dǎo)出直剪儀自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)，繪制室內(nèi)原狀樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線．

2 粒度組成分析

根據(jù)室外原位各試驗(yàn)點(diǎn)的分布，分別對(duì)YW1、YW2、YW3、YW4試驗(yàn)點(diǎn)的土石混合體采用室內(nèi)篩分法進(jìn)行了粒徑分析，同時(shí)采用室內(nèi)烘干法進(jìn)行了含水率的測(cè)量．通過標(biāo)準(zhǔn)篩可得原位每組試驗(yàn)點(diǎn)土石混合體的級(jí)配曲線(如圖3所示)及粒徑分布直方圖(如圖4所示)．在圖4中，組別1：大于60 mm；組別2：40～60 mm；組別3：20～40 mm；組別4：10～20 mm；組別5：5～10 mm；組別6：2～5 mm；組別7：1～2 mm；組別8：0.5～1 mm；組別9：0.25～0.5 mm；組別10：0.075～0.25 mm；組別11：小于0.075 mm．經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不同試驗(yàn)點(diǎn)含水率、含石量、不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)見表1．

圖3 原位每組試驗(yàn)點(diǎn)級(jí)配曲線圖

圖4 原位每組試驗(yàn)點(diǎn)粒徑分布直方圖

試驗(yàn)點(diǎn)W/%R/%CcCuYW116.6128.724.970.33YW215.6732.326.770.93YW315.3935.848.570.67YW415.1536.227.420.87

通過對(duì)上述圖表的分析，可以得出：

1)滑坡不同位置上土石混合體粒徑分布差異明顯，含石量各不相同(粒徑大于5 mm)，離散性較大，這也在一定程度上反映出土石混合體研究的困難性．但是從粒徑分布整體上來看，又有一定的共性．該土石混合體滑坡每組試驗(yàn)點(diǎn)粒徑組別的質(zhì)量百分含量最高的均為第六組，也就是該滑坡2～5 mm的粒徑含量最高，同時(shí)從圖4可以看出粒徑的大小基本上符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，呈現(xiàn)偏正態(tài)，這也說明自然界土石混合體的粒徑分布具有一定的規(guī)律可循．

2)通過級(jí)配曲線，采用內(nèi)插法計(jì)算出每組室外原位試驗(yàn)點(diǎn)的不均勻系數(shù)(Cu)和曲率系數(shù)(Cc)，如表1所示．從表中綜合分析，該土石混合體滑坡各粒徑分布極度不均勻，離散程度較大，不均勻系數(shù)(Cu)均大于24，最大甚至達(dá)到48.57，但曲率系數(shù)(Cc)較小，且都不過1，說明該滑坡粒徑組成在d30與d60范圍內(nèi)有臺(tái)階，這一范圍內(nèi)缺失某大小粒徑，該土石混合體滑坡級(jí)配不良．

3)通過比較各試驗(yàn)點(diǎn)含水率及含石量情況，可以看出越靠近庫岸，其含水率越高，但相應(yīng)的含石量卻越低．

3 室外原位與室內(nèi)原狀樣直剪試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線結(jié)果分析

圖5、圖6分別為每組室外原位樣與每組室內(nèi)原狀樣在不同法向應(yīng)力下剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，兩種試驗(yàn)方式抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表分別見表2、表3．

圖5 室外原位直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖6 室內(nèi)原狀樣直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

表2 室外原位直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表(單位：kPa)

表3 室內(nèi)原狀樣直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表(單位：kPa)

分析上述曲線及數(shù)據(jù)，可知：

1)室內(nèi)原狀樣與室外原位直剪過程基本上表現(xiàn)為全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，變化特征表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力屈服及塑形變形．兩種試驗(yàn)曲線總體規(guī)律一致．

2)室外原位試驗(yàn)和室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度均隨法向應(yīng)力的增大而增大，且曲線初始線彈性變形階段也隨之變長，且更陡，彈性模量因此更大．剪切過程有峰值強(qiáng)度，但不顯著，所有試樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線在峰值強(qiáng)度前后很大的范圍內(nèi)幾乎呈現(xiàn)水平狀發(fā)展，這也說明土石混合體這種材料具有較高的承載能力和大變形性特征．

3.2 直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)誤差分析

根據(jù)直剪試驗(yàn)做出抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線，根據(jù)曲線中的回歸直線方程可得出土石混合體的內(nèi)摩擦角φ及粘聚力c．圖7、圖8分別是室外與室內(nèi)直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線，相關(guān)系數(shù)基本在95%以上，擬合效果較好．相比于室內(nèi)原狀樣直剪試驗(yàn)，做出室外原位直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化率統(tǒng)計(jì)表，增大為正，減小為負(fù)，見表4．

圖7 室外原位試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線

圖8 室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線

組號(hào)室外試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)φ/° c/kPa室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)φ/° c/kPa參數(shù)變化率φ/° c/kPa128.8169.9327.0266.25-6.21-5.26234.0265.0630.0559.48-11.67-8.58338.6560.5433.4853.15-13.38-12.21439.5260.4134.2752.67-13.28-12.81

分析上述曲線及數(shù)據(jù)，可知：

1)室外原位試驗(yàn)和室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)在整體變化趨勢(shì)上是一致的，僅僅是數(shù)值上有點(diǎn)變化，這也說明在一定誤差范圍內(nèi)，室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)?zāi)苷鎸?shí)反映出室外原位試驗(yàn)特性的變化趨勢(shì)．

2)從室外原位直剪試驗(yàn)結(jié)果來看，土石混合體的抗剪強(qiáng)度的c、φ值明顯大于室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)結(jié)果，c值降幅在5.26%～12.81%，φ值降幅在6.21%～13.38%之間，且φ值下降的程度略大于c值．室內(nèi)原狀樣在取樣、運(yùn)輸、貯存過程中會(huì)對(duì)試樣有一定的擾動(dòng)和應(yīng)力釋放，內(nèi)部的原始粘聚力遭到破壞而降低．同時(shí)室外原位土含有大量風(fēng)化不完全的膨脹巖塊，在震動(dòng)情況下，會(huì)導(dǎo)致其一定程度上的破碎，表現(xiàn)為尺寸的變小和外輪廓由粗糙變得相對(duì)規(guī)則，內(nèi)摩擦角因此降低．綜上，土石混合體的結(jié)構(gòu)性發(fā)生了改變，變得相對(duì)不穩(wěn)定，表現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度的降低．

3)室外原位樣YW1抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低的幅度最小，φ值降低了6.21%，c值降低了5.26%，其他3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)降幅均超過10%．由于YW1試驗(yàn)點(diǎn)處在滑坡坡腳消落帶上，長期的庫水作用早已經(jīng)對(duì)土石混合體剪切強(qiáng)度造成了很大的劣化作用，削弱了其原始粘聚力．此外由于庫水的潤滑作用，粒間摩擦系數(shù)也會(huì)減?。虼耍琘W1試驗(yàn)點(diǎn)試樣強(qiáng)度已經(jīng)降低了很大程度，結(jié)構(gòu)早已改變．即使取樣、運(yùn)輸?shù)冗^程會(huì)進(jìn)一步削弱其強(qiáng)度，但是影響程度由于庫水作用會(huì)比其他原位試驗(yàn)點(diǎn)低，表現(xiàn)為降低幅度低．

4 結(jié) 論

1)土石混合體滑坡不同位置粒徑分布差異明顯，含石量各不相同，但在研究范圍內(nèi)從整體性上分析粒徑分布又有一定的共性與相似性．

2)通過綜合分析室外原位直剪試驗(yàn)和室內(nèi)原狀樣直剪試驗(yàn)結(jié)果，土石混合體在剪切過程中變化特征均表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力屈服及塑形變形，這說明土石混合體這種材料具有較高的承載能力和大變形特征．

3)在兩種試驗(yàn)方式下可以看出，反映在土石混合體的變化規(guī)律及力學(xué)特性基本是一致的，這為今后開展的土石混合體室內(nèi)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性提供了一定的理論支撐．