土石混合體的剪應(yīng)力波動(dòng)和跌落行為機(jī)制

胡 峰，李志清，劉 琪，胡瑞林

（1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3.中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029）

土石混合體（S-RM）作為一種由不同粒徑粗粒塊石和細(xì)顆粒土組成的復(fù)雜混合多相巖土介質(zhì)，廣泛分布于自然邊坡、滑坡以及工程建設(shè)中，例如公路路基等，進(jìn)一步理解土石混合體材料及土石混合體滑坡的物理力學(xué)、變形性質(zhì)現(xiàn)實(shí)意義巨大。前期對(duì)土石混合體的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)積累了大量的珍貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)?？偨Y(jié)前人研究表明，土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜，其力學(xué)強(qiáng)度和變形破壞過程受控于內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，包括細(xì)粒土的成分、塊石含量、塊石尺寸、強(qiáng)度和形狀等。隨著對(duì)土石混合體研究的不斷加深，近年來關(guān)于土石混合體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的受力變形特征，其對(duì)土石混合體宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響逐漸成為研究的焦點(diǎn)和必要[1]，例如直剪試驗(yàn)中剪切帶的變形特征、其與強(qiáng)度的相互關(guān)系以及內(nèi)部控制塊體如“超徑塊石”和“咬合應(yīng)力鎖固體”等的特征研究。關(guān)于剪切帶的研究，劉新榮等[2]通過三維激光掃描土石混合體大型直剪試驗(yàn)后的剪切面，并利用Matlab繪制剪切面的三維形貌圖，獲取土石混合體剪切面的變形和剪切強(qiáng)度特征，認(rèn)為剪切帶內(nèi)部粗顆粒塊石處應(yīng)力集中明顯；Xu等[3]基于有限元軟件探討了土石混合體大型直剪過程中塊石對(duì)其破壞模式和剪切帶應(yīng)力分布的影響，認(rèn)為內(nèi)部塊石是影響剪切帶應(yīng)力場(chǎng)和破壞模式的主要成分。

關(guān)于土石混合體內(nèi)部塊石行為的研究，Guo等[4]研究了粗粒土剪切過程中剪切帶塊石的棱角咬合鎖固作用；Zhang等[5]采用大型三軸試驗(yàn)結(jié)合CT掃描成像技術(shù)研究了含有超徑塊石土石混合體的塊石破碎特征及其對(duì)強(qiáng)度的影響；紹忠瑞等[6]利用篩分試驗(yàn)研究了土石混合體內(nèi)部塊石的破碎特征，認(rèn)為塊石咬合程度越大，塊石破碎越明顯；徐文杰等[7]通過大型直剪試驗(yàn)研究土石混合體的剪切行為，認(rèn)為出現(xiàn)應(yīng)力跳躍主要是由塊石顆粒的破碎、釋放因咬合而積聚的應(yīng)變能造成的；Gao等[8]采用PFC2D分析了孤立塊石對(duì)土石混合體滑坡體穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為其存在和空間分布能有效地提高土石混合體滑坡的穩(wěn)定性；Seminsky[9]采用大型直剪試驗(yàn)和數(shù)值模型研究了土石混合體剪切帶內(nèi)部超徑塊石對(duì)試樣強(qiáng)度、剪切帶應(yīng)力的影響，認(rèn)為內(nèi)部大塊石是控制整體剪切強(qiáng)度的重要因素；馬昊等[10]采用PFC模擬土石混合體的大型剪切過程，認(rèn)為臨近峰值及峰后階段的剪應(yīng)力主要由塊石承當(dāng)。

綜上所述，目前還較少對(duì)土石混合體剪切帶區(qū)域的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部顆粒的變形特征進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，而多將其作為試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行概述性解釋，并未對(duì)導(dǎo)致應(yīng)力跳躍的塊石含量、尺寸進(jìn)行具體定量研究，且物理試驗(yàn)的內(nèi)部不可視性、數(shù)值模擬試驗(yàn)的塊石模型，尤其是高含石量下的塊石接觸、破壞模型的構(gòu)建依然無法完全刻畫實(shí)際情況。作為組成土石混合體重要成分的塊石，系統(tǒng)認(rèn)識(shí)其在變形帶中的運(yùn)動(dòng)特征，才能更好地揭示土石混合體材料的力學(xué)機(jī)制。

砂卵石混合物作為一種無膠結(jié)、結(jié)構(gòu)松散的廣義土石混合體廣泛分布于沖擊平原地區(qū)和河床、河岸邊坡，在城市地下交通、大壩壩基施工建設(shè)中極易導(dǎo)致地層失穩(wěn)坍塌，給施工帶來很大的困難，同時(shí)其塊石強(qiáng)度大，塊石效應(yīng)明顯。故本文采用砂卵石混合體的大型直剪試驗(yàn)，根據(jù)獲得的剪應(yīng)力-剪切位移曲線反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形特征，同時(shí)結(jié)合剪切帶變形監(jiān)測(cè)、塊石染色標(biāo)記的方法獲取剪切帶變形區(qū)域厚度和塊石變形特征，探討剪切帶中導(dǎo)致剪應(yīng)力脆性跌落的條件，塊石應(yīng)力鎖固體的形成、應(yīng)力轉(zhuǎn)移、演化變形規(guī)律及影響，并借鑒秦四清等[11]提出的孕震斷層的鎖固段破壞理論，對(duì)比討論發(fā)生應(yīng)力集中、破壞的剪切帶塊石特征及相應(yīng)的演變模型。

1 土石混合體的室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)將粒徑小于5 mm的砂土作為細(xì)顆粒組[12]，采用磨圓度較好的卵石為粗粒組制備砂卵石混合體。制樣材料如圖1和圖2（a）（b）所示，塊石尺寸采用新標(biāo)準(zhǔn)方孔石子篩（標(biāo)準(zhǔn)JGJ 52—2006）篩選，其密度為2.52 g/cm3，點(diǎn)荷載強(qiáng)度為14.3 MPa。塊石的形態(tài)特征對(duì)土石混合體試樣的宏觀力學(xué)性能影響較大，因此，有必要對(duì)制樣塊石的形態(tài)特征進(jìn)行描述，文中采用Image-pro plus軟件計(jì)算的3種尺寸塊石L1（9.5～19.0 mm）粒組、L2（19.0～31.5 mm）粒組、L3（31.5～53.0 mm）粒組的扁平度平均值分別為0.69，0.74，0.76，圓度平均值分別為1.12，1.10，1.08，輪廓分形維數(shù)平均值分別為1.05，1.06，1.03。

圖1 細(xì)粒土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution of fine-grained soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

圖2 試驗(yàn)材料和試樣Fig.2 Testing materials and samples

圖3 RSM-1000型大型直剪儀Fig.3 Large-scale RSM-1000 direct shear apparatus

試驗(yàn)采用中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研發(fā)的RSM-1000型大型直剪儀，如圖3所示。該設(shè)備主要由吊裝系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、剪切裝置、測(cè)量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)6部分組成，其中剪切盒設(shè)計(jì)為上盒承壓不動(dòng)，下盒移動(dòng)剪切方式。加載系統(tǒng)（垂直、水平方向）最大輸出荷載均為1 000 kN，分辨率0.1 kN，最大位移200 mm，分辨率0.05 mm。剪切盒尺寸為300 mm×300 mm×300 mm。

1.3 試樣制備和試驗(yàn)步驟

為便于討論塊石尺寸對(duì)結(jié)果的影響，試驗(yàn)將3種尺寸的塊石L1、L2、L3單獨(dú)與含水量為5%的砂土混合，充分?jǐn)嚢?，分別配制成含單一尺寸塊石、質(zhì)量含石量為0%、30%、50%、70%的土石混合體試樣。根據(jù)剪切盒容積和設(shè)計(jì)的制樣密度（1.8 g/cm3），將所需土石混合體分為3等份，依次倒入剪切盒分層壓實(shí)至預(yù)定體積，層間進(jìn)行拉毛處理。其中9.5，19.0，31.5，53.0 mm為相鄰篩篩孔邊長值，篩后塊石尺寸介于2種篩篩邊尺寸之間。按塊石尺寸分為L1組、L2組、L3組3大組開展試驗(yàn)。物理試驗(yàn)中由于剪切盒的不可視性，導(dǎo)致基本無法獲取剪切帶內(nèi)部的變形數(shù)據(jù)。根據(jù)Xu等[13]針對(duì)土石混合體直剪試驗(yàn)的數(shù)值模擬研究，剪切帶區(qū)域在剪切后往往呈現(xiàn)“S”形狀，如圖4（a）所示，故為獲取剪切帶變形參數(shù)，采用沿剪切方向中軸線布置，由試樣頂部打入孔徑8.0 mm、間距為100 mm的豎向孔3個(gè)，在孔中插入直徑為1.5 mm的柔軟細(xì)鋁絲，為減小鋁絲與周圍顆粒的摩擦加筋作用，同時(shí)在孔中倒入過0.075 mm孔徑的干灰填充。通過剪切過程中干灰和鋁絲的變形反映剪切帶的變形，其制樣過程和原理如圖2（c）（d）和圖4所示。其中針對(duì)50%、70%含石量試樣打孔過程容易遇到塊石的問題，試驗(yàn)采用預(yù)先埋置打孔鋼棒，再進(jìn)行分層填料的方式。

裝樣結(jié)束后調(diào)整儀器，按照《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5356—2006）[14]中粗粒土直剪試驗(yàn)的操作步驟進(jìn)行固結(jié)和剪切試驗(yàn)，垂直加載應(yīng)力分別取50，200，300，400 kPa。當(dāng)固結(jié)速率小于0.1 mm/h后，拔去上下剪切盒間的銷釘，開始剪切，其中剪切速率為0.4 mm/min，剪切位移達(dá)到60 mm后停止剪切，開挖鋁絲所在的豎直剖面，觀察、測(cè)量干灰和鋁絲的變形情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪切帶變形厚度特征

剪切帶區(qū)域是內(nèi)部顆粒變形、相對(duì)運(yùn)移的主要場(chǎng)所，其內(nèi)部與外部存在明顯的相對(duì)變形，是應(yīng)力分布的主要區(qū)域，獲取剪切帶變形區(qū)域厚度有助于認(rèn)識(shí)內(nèi)部塊石的變形特征，故在剪切完成后，沿布置鋁絲所在方向開挖豎向剖面，獲取干灰和鋁絲的變形特征，如圖5所示，結(jié)合孔中干灰和鋁絲的變形，以剪切完成后鋁絲呈反S形狀的上下起彎點(diǎn)A、B之間的垂直間距D為剪切帶變形厚度，試驗(yàn)獲取不同工況下剪切帶變形區(qū)域范圍如表1所示。

本試驗(yàn)中剪切帶變形區(qū)域在3.5～7.7 cm之間，占試樣高度（300 mm）的11.7%～25.7%。L1粒組、L2粒組、L3粒組剪切帶變形區(qū)域厚度范圍依次為4.5～6.8 cm、4.3～7.2 cm、4.3～7.7 cm，分別是剪切帶內(nèi)部最大塊石粒徑的2.4～ 3.6倍、1.4.～2.3倍、0.8～1.5倍。

圖4 剪切過程示意圖Fig.4 Sketch map of the shearing process

圖5 剪切帶變形特征Fig.5 Deformation characteristics of the shear band

表1 剪切帶厚度值DTable 1 Shear band thickness D

剪切帶厚度是剪切過程中塊石特征、垂直應(yīng)力、含石量三因素的綜合反映，片面考慮單因素對(duì)其影響易導(dǎo)致錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，例如同一含石量，塊石越大，則塊石孤立性越明顯，越不易發(fā)生相互間的咬合，“齒輪帶動(dòng)效應(yīng)”不明顯。同一塊石含量、尺寸條件，垂直應(yīng)力越大，塊石咬合越容易，翻滾、滑移卻越難，剪切帶厚度未必大。關(guān)于剪切帶厚度的分析見文獻(xiàn)[15]中的研究討論，可以得出以下結(jié)論，基于相同的剪切盒條件，剪切帶厚度受控于含石量、塊石大小、垂直應(yīng)力的大小。剪切帶中塊石發(fā)生咬合、滑移變形與剪切帶厚度和塊石尺寸有關(guān)，后文將結(jié)合剪切帶厚度討論塊石的變形特征及其對(duì)剪應(yīng)力的影響。

2.2 剪應(yīng)力-剪切位移曲線特征及剪應(yīng)力跳躍現(xiàn)象

試驗(yàn)土石混合體的剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖6所示，由圖6可知土石混合體的剪應(yīng)力-剪切位移曲線多呈現(xiàn)波動(dòng)特征，主要分為應(yīng)變軟化、塑性變形和應(yīng)變硬化三種類型。含石量是影響土石混合體剪切類型的重要因素，當(dāng)含石量為0%時(shí)，各垂直應(yīng)力下剪應(yīng)力-剪切位移曲線均表現(xiàn)出相對(duì)明顯的峰值應(yīng)變軟化特征；當(dāng)含石量為30%時(shí)，高垂直應(yīng)力（＞200 kPa）、大尺寸塊石粒組L3試樣出現(xiàn)相對(duì)微弱的峰值特性，且峰值應(yīng)變大于前者；當(dāng)含石量為50%時(shí)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線多表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征，L1、L2粒組后期強(qiáng)度增加較小，L3粒組后期強(qiáng)度增大明顯。分析認(rèn)為，塊石還未相互接觸的含石量狀態(tài)（＜30%），試樣隨剪切作用較易形成貫通的、穩(wěn)定的剪切面，其強(qiáng)度隨貫通剪切面的形成而達(dá)到峰值，隨后進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，強(qiáng)度大小穩(wěn)定在一定范圍，且塊石越小越易形成貫通的剪切面。而塊石普遍接觸的高含石量骨架結(jié)構(gòu)狀態(tài)（＞70%），剪切帶塊石的轉(zhuǎn)動(dòng)、翻爬、滑移導(dǎo)致無法形成穩(wěn)定的貫通面。當(dāng)塊石以滾動(dòng)、滑移的形式運(yùn)動(dòng)時(shí)則出現(xiàn)塑性變形。當(dāng)內(nèi)部大塊石出現(xiàn)塊石咬合強(qiáng)化作用，形成應(yīng)力集中體時(shí)則容易導(dǎo)致應(yīng)變硬化。當(dāng)塊石發(fā)生破碎（多以咬合處的棱角啃斷滑移為主）或滑移時(shí)，應(yīng)力通過骨架結(jié)構(gòu)體瞬間消散，導(dǎo)致剪應(yīng)力脆性釋放，曲線出現(xiàn)突降。

圖6 L1、L2、L3粒組土石混合體剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.6 Curves of shear stress-shear displacement of soil-rock mixture of L1,L2 and L3 rock sizes

試樣內(nèi)部鋁絲的變形程度反映了剪切帶內(nèi)部塊石的運(yùn)動(dòng)特征，圖7為L3粒組30%和70%含石量試樣試驗(yàn)后內(nèi)部細(xì)鋁絲的變形特征。30%含石量試樣內(nèi)部的鋁絲變形相對(duì)平滑，圖6（c）中對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變-剪切位移曲線較平滑，未出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力跌落。而70%含石量試樣內(nèi)部的鋁絲變形程度相對(duì)較大，圖6（c）中對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線不再平滑，出現(xiàn)了明顯的剪應(yīng)力跳躍。說明含石量越大剪切帶內(nèi)部應(yīng)力越復(fù)雜，越易發(fā)生塊石的咬合滑移甚至破碎，導(dǎo)致應(yīng)力跌落。

圖7 L3（31.5～53.0 mm）粒組剪切完成后試樣鋁絲變形特征對(duì)比Fig.7 Comparisons of deformation characteristics of aluminum wires after shear test of L3（31.5-53.0 mm）

以往研究結(jié)果顯示，高含石量土石混合體在大型直剪試驗(yàn)中常出現(xiàn)剪應(yīng)力波動(dòng)、跳躍的現(xiàn)象，徐文杰等[16]在含石灰?guī)r為粗顆粒骨料的土石混合體現(xiàn)場(chǎng)大型剪切過程中觀察到70%含石量條件試樣的剪應(yīng)力曲線出現(xiàn)V型應(yīng)力跳躍，跌落量達(dá)21.4%，通常認(rèn)為該現(xiàn)象是由于試樣內(nèi)部塊石隨剪切作用發(fā)生咬合翻滾、嵌固滑移甚至破碎導(dǎo)致[16-18]。三軸剪切試驗(yàn)中同樣存在該現(xiàn)象，夏加國等[19]在含有超徑塊石土石混合體的大型三軸試驗(yàn)中觀察到了明顯的應(yīng)力驟降現(xiàn)象，其中最大粒徑為壓力室直徑（300 mm）的0.6倍，應(yīng)力跌落量最大達(dá)35%，并隨含石量和圍壓的增加而加劇。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)超徑塊石存在破碎現(xiàn)象，分析認(rèn)為超徑塊石的咬合滑移和破碎均可能導(dǎo)致應(yīng)力突降，塊石破碎引起的應(yīng)力突降量要大于咬合滑移。然而在未考慮塊石破碎的數(shù)值模擬直剪試驗(yàn)中較少出現(xiàn)類似明顯的試驗(yàn)現(xiàn)象[20-22]，而以波動(dòng)為主。嚴(yán)穎等[23]在土石混合體的大型直剪數(shù)值模擬試驗(yàn)中，設(shè)置的塊石密度（2.65 g/cm3）、尺寸（37～54 mm）、形態(tài)和剪切盒尺寸均與本試驗(yàn)L3粒組相似，在未考慮塊石破碎時(shí)獲取的剪應(yīng)力-剪切位移曲線并未出現(xiàn)較大的應(yīng)力跌落特征，高含石量條件下以應(yīng)力波動(dòng)為主。

綜上分析認(rèn)為，高含石量土石混合體內(nèi)部塊石咬合部位瞬間滑移和棱角啃斷破碎均可導(dǎo)致應(yīng)力跌落，其中塊石滑移多表現(xiàn)為剪應(yīng)力波動(dòng)，幅值相對(duì)小于塊石破碎導(dǎo)致的驟降幅值。針對(duì)波動(dòng)與跌落驟降可以理解為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與否的區(qū)別，在《滑坡防治規(guī)范設(shè)計(jì)》（GB/T 38509—2020）[24]中，考慮基本荷載與降雨荷載的滑坡防治設(shè)計(jì)的安全系數(shù)為1.15，故在本文中將相鄰位移加載步出現(xiàn)大于15%的應(yīng)力降視為跌落。塊石的滑移和破碎均基于相同的力學(xué)條件，即塊石所受應(yīng)力大于咬合摩擦強(qiáng)度或塊石本身強(qiáng)度，導(dǎo)致力學(xué)平衡被破壞發(fā)生失穩(wěn)，釋放應(yīng)力，而塊石的大小與強(qiáng)度是決定所釋放應(yīng)力大小的關(guān)鍵因素。剪切帶中的特殊“大塊石或大塊體”是出現(xiàn)應(yīng)力跌落的物質(zhì)基礎(chǔ)，該類塊石具備較大的尺寸和強(qiáng)度，其前期隨剪切發(fā)生應(yīng)力集中，積聚了很大部分的剪應(yīng)力，一定時(shí)空上控制了試樣的宏觀力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)剪應(yīng)力超過咬合摩擦強(qiáng)度或塊石強(qiáng)度時(shí)即發(fā)生塊石滑移或破碎，應(yīng)力瞬間消散，導(dǎo)致應(yīng)力跌落。

該類塊石可以歸為引言中所提“控制塊體”范疇。秦四清等[11]在孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論中稱該類塊體為“鎖固段”。關(guān)鍵塊體或鎖固段均對(duì)巖土體的穩(wěn)定起控制作用，在土石混合體直剪試驗(yàn)中該類型的特殊“塊石”一定程度上控制了其特定時(shí)空上的強(qiáng)度分布及變化，起到了應(yīng)力鎖固作用，同樣可稱為鎖固段或鎖固體。土石混合體內(nèi)部的鎖固體與斷層鎖固段存在一定的力學(xué)相似性，但土石混合體材料的離散特征使其鎖固體的作用模式存在自身的屬性。試驗(yàn)剪應(yīng)力大幅度跌落現(xiàn)象為何僅出現(xiàn)在高含石量、大塊石、高垂直應(yīng)力的條件下，內(nèi)部鎖固部位如何演變。下文就剪切過程中塊石鎖固體的特征、形成、失穩(wěn)破壞進(jìn)行探討。

2.3 土石混合體直剪試驗(yàn)的應(yīng)力鎖固變形特征

鎖固段被定義為斷層面上具有較高強(qiáng)度且在地震中釋放較大地震矩的結(jié)構(gòu)部位，例如斷層面上不同類型、尺寸不一的凸起體，不連續(xù)斷層之間的未破裂區(qū)段或蠕滑受阻區(qū)域[11,25]。本文將土石混合體材料剪切帶內(nèi)部易引起應(yīng)力集中的塊石稱為鎖固段。

針對(duì)剪應(yīng)力-剪切位移曲線中應(yīng)力大幅度快速跌落特征，結(jié)合剪切過程中垂直位移（剪縮為正）的變化進(jìn)行討論。圖8給出了圖6（c）中出現(xiàn)較明顯應(yīng)力跳躍的含L3粒組尺寸塊石、70%含石量試樣的剪應(yīng)力和垂直位移隨剪切位移變化的曲線。為便于分析，將剪應(yīng)力出現(xiàn)大幅跌落事件按時(shí)間順序依次稱為事件1，2，3，···，對(duì)應(yīng)垂直位移為S（1），S（2），S（3），···。由圖8可見剪應(yīng)力數(shù)值隨垂直應(yīng)力的增大而增大，其跳躍處對(duì)應(yīng)明顯的垂直位移跳躍且均向壓縮方向驟變，但部分較小的剪應(yīng)力波動(dòng)事件并未見明顯的垂直位移跳躍。由圖8（a）可知，剪切位移到48.39 mm時(shí)發(fā)生較大的應(yīng)力跌落，應(yīng)力降達(dá)48.6%，垂直位移變化幅度為0.56 mm，即剛性傳力板中心瞬間下沉0.56 mm。由圖8（b）可以看出，土石混合體剪切試驗(yàn)中出現(xiàn)3次明顯的應(yīng)力跌落事件且均發(fā)生在剪脹過程中，3次事件單剪切位移加載步（剪切位移分別為0.69，0.66，1.44 mm）應(yīng)力值跌落幅度分別為16.6%、20.6%、47.0%，對(duì)應(yīng)的垂直位移值變化幅度分別為0.14，0.32，0.67 mm。高含石量土石混合體的剪切強(qiáng)度主要由剪切帶內(nèi)部所有塊石顆粒的咬合、滑移摩擦組成[2]，材料分布的隨機(jī)性以及塊石顆粒的形狀差異都將導(dǎo)致各塊石在不同的剪切階段受力變形情況不斷變化，Vallejo[26]在含大塊石的土石混合體直剪模擬試驗(yàn)中，對(duì)同一試樣在不同剪切位移下力鏈的分析結(jié)果與上述觀點(diǎn)一致。試驗(yàn)中較明顯的應(yīng)力跌落多發(fā)生在剪切后期的剪脹階段。粗顆粒土的剪脹特征常歸因于內(nèi)部粗顆粒的滑移翻越、咬合滾動(dòng)。試樣在垂直方向上因前期剪縮階段積累了較大的能量，開始對(duì)外做功，屬于內(nèi)部能量釋放過程。圖8（a）中單次剪應(yīng)力損失量達(dá)到48.6%，且對(duì)應(yīng)試樣整體垂直位移的突變，可見整體剪應(yīng)力在一定時(shí)空上易受控于個(gè)別剪應(yīng)力集中塊體，直至其發(fā)生失穩(wěn)。

2.4 土石混合體剪切帶應(yīng)力鎖固體形成條件

根據(jù)前文對(duì)剪應(yīng)力-剪切位移曲線的分析，可以推測(cè)應(yīng)力鎖固體塊石失穩(wěn)直接導(dǎo)致了應(yīng)力脆性跌落，且該現(xiàn)象在本試驗(yàn)中均發(fā)生在高含石量（含石量70%）、大塊石（L3）和高垂直應(yīng)力條件下，即需同時(shí)滿足含石量、垂直應(yīng)力和塊石大小3個(gè)條件。

圖8 L3粒組、70%含石量條件剪應(yīng)力、垂直位移-剪切位移曲線Fig.8 Curves of shear stress and vertical displacement versus shear displacement of L3 with rock content of 70%

為了進(jìn)一步理解剪切帶中大塊石的運(yùn)移特征，試驗(yàn)采用在剪切面附近布置單排完全貫穿剪切面的染色塊石試樣，其塊石尺寸均為L3粒組，含量分別為50%和70%，如圖9所示。隨后在300 kPa的垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)。為避免剪切前的固結(jié)過程導(dǎo)致剪切帶外側(cè)的塊石擠入剪切帶內(nèi)部，從而造成染色塊石提前變形，干擾試驗(yàn)結(jié)果，單排塊石兩側(cè)采用砂土填充。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，試驗(yàn)后2種含石量狀態(tài)的土石混合體均發(fā)生了一定程度的壓縮，塊石在豎直方向發(fā)生了順剪切方向的旋轉(zhuǎn)，越靠近剪切面塊石旋轉(zhuǎn)越明顯，這與文獻(xiàn)[27]中數(shù)值模擬的研究結(jié)果一致，其中50%含石量試樣受到剪切壓縮之后塊石旋轉(zhuǎn)的程度較大，但塊石之間依然處于相對(duì)疏松狀態(tài)，70%含石量試樣受剪切之后塊石還在水平方向發(fā)生了逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，塊石的排列方位發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)，局部塊石發(fā)生堆疊、咬合，而50%含石量試樣內(nèi)部塊石排列多數(shù)保持試樣前的狀態(tài)。土石混合體受剪切壓縮，增大了塊石的聚集程度，而塊石的轉(zhuǎn)動(dòng)加大了接觸咬合的概率，但塊石在豎直面上順剪切方向的旋轉(zhuǎn)卻有利于剪切面的形成，不利于強(qiáng)度的提高。

圖9 貫穿剪切面塊石側(cè)視圖Fig.9 Side-view image of rocks throughout the shear surface

圖10 剪切面塊石變化特征俯視圖Fig.10 Top view image of variation of rocks throughout the shear surface with rock content of 50% and 70%

圖11 100%含石量土石混合體剪切位移-剪應(yīng)力、垂直位移曲線Fig.11 Curves of shear displacement versus shear stress,vertical displacement of soil-rock mixture with rock content of 100%

由前述可知，不同尺寸塊石剪應(yīng)力-剪切位移曲線中僅L3粒組試樣出現(xiàn)明顯的應(yīng)力跳躍，說明塊石大小同樣是導(dǎo)致剪應(yīng)力跌落的因素。為了充分對(duì)比塊石大小對(duì)應(yīng)力鎖固的影響，試驗(yàn)對(duì)L2和L3粒組100%含石量、不同上覆垂直應(yīng)力條件的試樣進(jìn)行相同剪切速率下的直剪試驗(yàn)，對(duì)比塊石充分接觸情況下的塊石效應(yīng)。如圖11中L1和L2粒組的剪切位移-剪應(yīng)力、垂直位移曲線，2種工況試樣的垂直位移均隨剪切開始后經(jīng)歷短暫的剪縮階段，隨即進(jìn)入剪脹階段，且垂直應(yīng)力越大，剪縮-剪脹轉(zhuǎn)換點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的剪切位移越小。粗粒土的剪脹特性通?？蓺w因于相互接觸的粗顆粒間的翻越和滑移攀爬，前期的剪縮促進(jìn)了粗顆粒的接觸。而100%的含石量條件，塊石處于高接觸狀態(tài)，粗顆粒間初始接觸咬合明顯，故其剪縮量較小而剪脹明顯，與試驗(yàn)現(xiàn)象相符。圖中塊石尺寸較小的L2粒組剪應(yīng)力-剪切位移曲線相對(duì)平滑，未出現(xiàn)較明顯的剪應(yīng)力脆性跌落現(xiàn)象，以波動(dòng)為主；而塊石尺寸較大的L3粒組剪應(yīng)力-剪切位移曲線不再平滑，出現(xiàn)了明顯的V形跳躍現(xiàn)象，且隨垂直應(yīng)力的增加跳躍的頻率和幅度均有所加劇。即塊石尺寸和垂直應(yīng)力越大，越容易導(dǎo)致塊石應(yīng)力鎖固體的形成。塊石越大，咬合嵌固或變形儲(chǔ)存的能量越大，滑移或破壞后釋放的能量也越大，而高垂直應(yīng)力為塊石的能量聚集提供了外在動(dòng)力和應(yīng)力約束條件，同時(shí)高應(yīng)力條件也提供了內(nèi)部裂隙向塊石發(fā)展的可能[28]。從剪切帶厚度角度討論，兩者內(nèi)部塊石均充分接觸，但L2塊體尺寸均在19.0～31.5 mm之內(nèi)，小于前文中所測(cè)各工況剪切帶區(qū)域厚度，塊石易在剪切帶內(nèi)部運(yùn)動(dòng)、接觸后發(fā)生短暫的咬合隨即便翻越，無法形成有效的應(yīng)力集中，而L3塊體尺寸較大，易貫穿整個(gè)剪切帶，相互翻越較難，更易發(fā)生接觸咬合。

圖12 鎖固體塊石的形成因素劃分Fig.12 A categorization of the locked rocks formative elements

針對(duì)上述導(dǎo)致剪應(yīng)力跌落出現(xiàn)的試驗(yàn)條件以及對(duì)剪切帶內(nèi)部塊石變形特征的討論，將本試驗(yàn)中導(dǎo)致土石混合體試樣出現(xiàn)剪應(yīng)力脆性跌落現(xiàn)象的含石量、垂直應(yīng)力和塊石尺寸要素按數(shù)值大小劃分為如圖12所示的4個(gè)閾值區(qū)域。A區(qū)域塊石尺寸小于剪切帶最小厚度3.5 cm且含石量較小，塊石在剪切帶內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，較難形成鎖固體；斜紅實(shí)線左側(cè)整個(gè)B區(qū)域?yàn)榈痛怪睉?yīng)力區(qū)，試樣固結(jié)壓實(shí)度較小，同時(shí)剪切過程中無法形成有效的約束狀態(tài)，大塊石以翻滾、旋轉(zhuǎn)變形為主，塊石較難發(fā)生明顯的應(yīng)力集中及破碎，同樣很難出現(xiàn)鎖固效應(yīng)，剪應(yīng)力以波動(dòng)為主；C區(qū)域基本達(dá)到了塊石應(yīng)力鎖固體的形成條件，試樣內(nèi)部逐漸形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，荷載主要由骨架塊石承當(dāng)，高應(yīng)力塊石的滑移或破碎易通過骨架消散，引起整體的應(yīng)力跌落；D區(qū)域試樣成分逐漸趨近碎石狀態(tài)，最易形成鎖固體。A、B兩個(gè)區(qū)域的塊石主要以翻滾、滑移為主，較難發(fā)生互鎖行為，C、D區(qū)域的塊石受約束較大，以咬合、嵌固互鎖為主，塊石可以快速發(fā)生應(yīng)力集中，儲(chǔ)存較大的應(yīng)變能[29-30]，形成鎖固體，且高含石量土石混合體內(nèi)部細(xì)顆?；|(zhì)不易壓密實(shí)，為塊石的瞬間滑移和破碎提供了變形空間。當(dāng)應(yīng)力集中超過塊石摩擦強(qiáng)度或塊石強(qiáng)度，隨之發(fā)生鎖固體失穩(wěn)破壞，應(yīng)力瞬間跌落，屬于典型的巖石脆性破壞。塊石尺寸的影響必須針對(duì)對(duì)應(yīng)的試樣尺寸而言，上述劃分僅限于本次試驗(yàn)試樣尺寸（300 mm×300 mm×300 mm）。

2.5 土石混合體鎖固體形成及演化討論

2.5.1 土石混合體鎖固體的破壞機(jī)理

鎖固體破壞具有明顯的巖石破壞特征，剪切的整個(gè)過程類似于秦四清等[11]提出的孕震斷層的多鎖固段脆性破裂理論。兩者形成的機(jī)制均基于材料的非均勻性。該理論首先肯定了斷層的運(yùn)動(dòng)模式和相關(guān)的地震活動(dòng)受斷層中一個(gè)或多個(gè)鎖固段所控制[11,26]。從鎖固段的破壞機(jī)理上，秦四清等[31]根據(jù)典型的巖石三軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線認(rèn)為，巖石的體積由收縮轉(zhuǎn)向膨脹的臨界點(diǎn)為巖石膨脹的起點(diǎn)，即鎖固段的膨脹起點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖13巖石壓縮破壞曲線的穩(wěn)定破裂和非穩(wěn)定破裂的界線點(diǎn)。理論上滑坡、崩塌與地震一樣，遵循著統(tǒng)一的失穩(wěn)演化規(guī)律以及基本的力學(xué)規(guī)律[11]。總結(jié)土石混合體剪切過程中鎖固體的破壞過程，歸納出相應(yīng)的簡化破壞模式，如圖14所示，剪切開始后試樣發(fā)生水平向壓密，隨即為短暫的彈性變形階段，之后進(jìn)入塊石發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)、調(diào)整的塑性變形階段，剪應(yīng)力可能向某個(gè)別咬合塊石集中，鎖固體逐漸形成，發(fā)生應(yīng)力集中，塊石進(jìn)入典型的巖石破壞模式，最后破壞導(dǎo)致應(yīng)力轉(zhuǎn)移消散，曲線發(fā)生跌落，土石混合體歸于下一次鎖固體形成的開始。即兩者均可歸納為“前期的變形—應(yīng)力集中—鎖固體破壞”的模式。

圖13 三軸壓縮下單鎖固體變形破壞過程[31]Fig.13 Sketch map illustrating the deformation and failure process of the single locked patch in a fault under triaxial compression[31]

圖14 直剪過程中鎖固塊石變形破壞過程Fig.14 Deformation and failure process of locked rock under direct shear test

2.5.2 土石混合體鎖固體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)

土石混合體由于自身材料的非均勻和離散性質(zhì)，其鎖固體與斷層鎖固段有相同的破裂性質(zhì)，但也存在自身的特性。土石混合體直剪試驗(yàn)中僅有大塊石并不能形成類似地震斷層鎖固段破裂的力學(xué)效應(yīng)。土石混合體剪切帶兩側(cè)為土、石形成的強(qiáng)弱混雜介質(zhì)且土石界面常為薄弱點(diǎn)，而斷層兩側(cè)多為強(qiáng)度較高的巖體介質(zhì)，同時(shí)發(fā)震斷層所在區(qū)域往往存在較大的構(gòu)造應(yīng)力。土石混合體剪切過程中的關(guān)鍵塊體為了達(dá)到應(yīng)力鎖固效果，勢(shì)必具備形成骨架結(jié)構(gòu)的高含石量以及較高的應(yīng)力約束條件，以此來構(gòu)建類似斷層的地質(zhì)環(huán)境。試驗(yàn)中僅有70%含石量和較高的垂直應(yīng)力下才發(fā)生鎖固體的破壞現(xiàn)象印征了上述討論。大塊石貫穿剪切面的情況是鎖固體形成的前提條件，唯有高含石量形成的咬合嵌固、高垂直應(yīng)力形成的周圍約束、較大尺寸塊石及塊石強(qiáng)度形成的應(yīng)力聚集儲(chǔ)存空間四個(gè)條件同時(shí)滿足，塊石才具備應(yīng)力鎖固能力。其中塊石強(qiáng)度作為材料的內(nèi)在屬性，其值大小是導(dǎo)致剪應(yīng)力跳躍的重要因素，文獻(xiàn)[17]采用砂巖、泥巖塊石的土石混合體大型直剪試驗(yàn)中剪應(yīng)力均以小范圍波動(dòng)為主，而在文獻(xiàn)[16]中以石灰?guī)r為粗粒塊石的土石混合體現(xiàn)場(chǎng)大型直剪、文獻(xiàn)[19]以河卵石為粗粒塊石的土石混合體三軸剪切中亦可見明顯的剪應(yīng)力跳躍現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）塊石還未接觸的低含石量條件（＜30%），剪應(yīng)力曲線易出現(xiàn)有峰值的應(yīng)變軟化特征，且曲線相對(duì)光滑。塊石相互接觸的含石量條件，剪應(yīng)力曲線易出現(xiàn)應(yīng)變硬化特征，且曲線相對(duì)波動(dòng)。

（2）高含石量（大于70%）和尺寸大于砂土剪切帶厚度的塊石組成的土石混合體在較大垂直應(yīng)力（大于200 kPa）作用下易出現(xiàn)剪應(yīng)力跌落。內(nèi)部塊石的咬合嵌固易形成應(yīng)力鎖固體，鎖固體的失穩(wěn)破壞，包括滑移和咬合部位啃斷破碎導(dǎo)致剪應(yīng)力的脆性跌落。

（3）通過對(duì)比不同含石量下貫穿剪切面大塊石的剪切運(yùn)動(dòng)特征表明，由于剪切作用，各塊石存在水平方向的聚攏和塊石旋轉(zhuǎn)特征，越靠近剪切面旋轉(zhuǎn)越明顯，塊石越密其運(yùn)動(dòng)越復(fù)雜，相互影響程度越大；結(jié)合不同塊石尺寸、100%含石量試樣的直剪試驗(yàn)，說明應(yīng)力鎖固體的形成必須同時(shí)具備塊石相互接觸的高含石量、尺寸接近砂土剪切帶厚度的塊石以及相對(duì)較大的上覆垂直應(yīng)力。

（4）形成明顯應(yīng)力跌落的土石混合體試樣的剪切過程可簡化為壓密階段—彈性階段—塊石滑移和互鎖階段—鎖固體形成階段—鎖固體變形階段—鎖固體破裂階段—應(yīng)力重分布，塊石繼續(xù)咬合嵌固，形成新的鎖固體。