微潮狀態(tài)下細(xì)砂土坡體的破壞試驗(yàn)

唐海波

（新疆葉城公路總段，新疆 葉城 830002）

1 物理模型試驗(yàn)

細(xì)砂堆積穩(wěn)定性和顆粒本身的物理特性、顆粒在空間的分布堆積方式以及由此產(chǎn)生的顆粒間相互作用、顆?？紫侗取①|(zhì)量、體積、密實(shí)度等因素有關(guān)。

1.1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)采用的模型槽尺寸為30cm×30cm×30cm，底板及周圍三邊為玻璃板。松散狀態(tài)試驗(yàn)，細(xì)砂靠重力堆積成散粒狀態(tài)。中密狀態(tài)試驗(yàn)或密實(shí)狀態(tài)試驗(yàn)，先將土體分層壓實(shí)，填滿玻璃槽。細(xì)砂的破壞過程是動(dòng)態(tài)變化過程，為了解其瞬時(shí)變化狀況，細(xì)砂破壞過程采用攝像機(jī)拍攝。

1.2 細(xì)砂試樣孔隙比及密實(shí)度

細(xì)砂屬于一種無粘性粗粒土，其受力特性除與它本身的物理性質(zhì)有關(guān)外，還會(huì)因外界條件的改變而發(fā)生變化?！稁r土工程勘察規(guī)范》（GB50021─94），規(guī)定細(xì)砂的密實(shí)度按其孔隙比 e 分為松散（e>0.9）、中密（0.75≤e≤0.9）、密實(shí)（e<0.75）三種?？紫侗炔荒苤苯訙y得，可間接用細(xì)砂粒相對(duì)密度、重度、含水量推導(dǎo)得到。測定細(xì)砂粒相對(duì)密度較多用比重瓶煮沸法。比重瓶煮沸法測得的細(xì)砂粒比重也隨著土體礦物成分的不同而有所差別，且其實(shí)驗(yàn)過程繁雜。

試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯考?xì)破壞形式，采用重力密度大小區(qū)分密實(shí)度，可滿足試驗(yàn)要求及試驗(yàn)?zāi)康?。所以本次試?yàn)采用重力密度區(qū)分密實(shí)度。本次試驗(yàn)具體參數(shù)見表1。

表1 微潮細(xì)砂試驗(yàn)參數(shù)

1.3 微潮細(xì)砂級(jí)配分布曲線圖及其分析

細(xì)砂粒組成不同時(shí)，性能差別甚大。評(píng)價(jià)粒徑組成情況，通常用粒徑分布曲線表示，圖1 是由試驗(yàn)計(jì)算得到的粒徑分布曲線圖。從圖1 上可知，兩種狀態(tài)粒徑分布曲線分布基本相同，0.0375mm～1mm 土樣曲線陡峻，該范圍粒徑比較均勻，1mm～2.5mm 圖樣曲線呈弧形，土樣曲線坡度較平緩，表明該范圍粒徑顆粒均勻性不如前一階段好，但該范圍的粒徑顆粒不短缺。2.5mm～5mm之間土樣曲線坡度較平緩，幾乎是呈平坡，表明該范圍粒徑的顆粒短缺，且不均勻，顆粒變化范圍不大。由本次細(xì)砂試驗(yàn)計(jì)算得到的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)可知，粒徑分布均勻，顆粒差別不大，級(jí)配良好，較大顆粒間的空隙可有較小土粒填充。

2 物理模型試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 第一狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)獲得的細(xì)砂在不同時(shí)刻的破壞圖片，繪出細(xì)砂破壞過程圖（如圖2所示）。

從圖2 可看出細(xì)砂在不同時(shí)刻的破壞形態(tài)，每間隔0.2秒下沉量基本相同，土體坍塌趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，細(xì)砂的破壞最高點(diǎn)在10cm～15cm處。計(jì)算得到等高線圖如圖3所示，可知，槽內(nèi)等高線向x 軸正方向有微小彎曲，分布均勻。槽外等高線，呈扇形均勻分布，沒有明顯的凹凸、密集現(xiàn)象。

從級(jí)配曲線圖中可以看出，細(xì)砂中大顆粒占重要比例，單粒結(jié)構(gòu)是組成細(xì)砂的基本結(jié)構(gòu)類型，細(xì)砂顆粒較粗大，比表面積小，顆粒之間是點(diǎn)接觸，幾乎沒有連結(jié)，顆粒間相互作用的影響較之重力作用的影響可忽略不計(jì)。抽開擋板瞬間，由于失去了支撐力，細(xì)砂在自重應(yīng)力作用下倒塌，沒有出現(xiàn)裂縫或貫通的裂面。

2.2 第二狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)獲得的細(xì)砂在不同時(shí)刻的破壞圖片，繪出細(xì)砂破壞過程圖（如圖4所示）。從圖4可知細(xì)砂在不同時(shí)刻的破壞狀態(tài)，土體坍塌趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，細(xì)砂的破壞最高點(diǎn)在20cm～25cm處。計(jì)算得到等高線圖如圖5所示，可知，槽內(nèi)線條在x 軸上20cm～25cm處密集，且有明顯的彎曲，分布不均勻，槽外等高線呈扇形均勻分布。本次試驗(yàn)中細(xì)砂受到較大的壓力作用，顆粒受荷后發(fā)生位移，相互填充并擠緊，增大了土體密度。所以細(xì)砂粒與細(xì)砂粒之間的空隙減小，土體更加密實(shí)，顆粒間的摩阻力有了增加。細(xì)砂的結(jié)構(gòu)，雖然還是單粒結(jié)構(gòu)，但是顆粒間有了微小的聯(lián)結(jié)力，這是外力作用克服顆粒間摩阻力的結(jié)果。擋抽開擋板時(shí)，雖然顆粒間的聯(lián)結(jié)力比顆粒自身的重力來說很小，不足以阻止顆粒滑落，所以靠近擋板附近的細(xì)砂?；湎聛恚怯咏蹆?nèi)的細(xì)砂粒支撐的力越多，包括來自不同方向的顆粒支撐力。在多種作用力的支撐下顆粒有可能變成穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 微潮細(xì)砂破壞形式分析

本次試驗(yàn)中細(xì)砂的坍塌沉落是多種破壞形式的綜合體。下面具體分析其破壞形式：a.剪裂破壞：在抽開檔板瞬間，由于失去了支撐力，細(xì)砂在自重應(yīng)力作用下，使細(xì)砂層受到壓縮或向旁擠出，引起細(xì)砂粒下沉。此下沉量雖很大，但是沒有出現(xiàn)裂縫或貫通的裂面，從圖拍攝的圖片上看，砂粒與砂粒之間幾乎都是單獨(dú)滑落的，（這可能是由于上層細(xì)砂粒性質(zhì)不均勻造成的）這種破壞屬于剪壞形式。b.剝落：對(duì)于出現(xiàn)在陡坡坡底處的碎石堆是相當(dāng)熟悉的。這些碎石通常都是些小石塊，由于受風(fēng)化作用的影響，它們從巖體上分離下來，并呈單個(gè)小石塊墜落成堆。從試驗(yàn)圖片過程中可以看出，細(xì)砂在下沉過程中，部分顆粒是這種破壞形式。c.傾倒破壞：現(xiàn)在來討論一個(gè)置于斜面上的巖塊，如圖所示。在這種情況下，巖塊的高度為h 和底邊長為b，并且假定阻止巖塊向下運(yùn)動(dòng)的力只是由于摩擦作用而產(chǎn)生的，也即c=0。代表巖塊重力W 的矢量落于底邊b 之內(nèi)時(shí)，如果斜面傾角φ大于摩擦角準(zhǔn)，巖塊將產(chǎn)生滑動(dòng)。但是，如果巖塊高而細(xì)（h>b），重力矢量W 可能落在底邊b 之外，此時(shí)巖塊將傾倒，也即繞其最低的接觸邊棱而旋轉(zhuǎn)。對(duì)于單一的巖塊而言，滑動(dòng)與傾倒的條件示于圖中。圖中的四個(gè)區(qū)段是這樣規(guī)定的：區(qū)段一：φ<準(zhǔn)以及b/h＞tanφ，巖塊是穩(wěn)定的，不滑動(dòng)也不傾倒。區(qū)段二：φ＞準(zhǔn)以及 b/h＞tanφ，巖塊將滑動(dòng)，但是不傾倒。區(qū)段三：φ＜準(zhǔn) 以及 b/h＜tanφ，巖塊將傾倒，但不滑動(dòng)。區(qū)段四：φ＞準(zhǔn)以及b/h＜tanφ，巖塊能夠同時(shí)滑動(dòng)和傾倒。d.崩落：崩塌是指斜坡上的巖體受重力的影響，突然脫離坡體崩落的現(xiàn)象。此種破壞形態(tài)在圖片中最明顯，幾乎靠近擋板部分的顆粒都是這種破壞形式，它們?cè)诔殚_擋板的瞬間，翻滾、跳躍、互相撞擊，當(dāng)然由于顆粒微小、僅僅是在自重應(yīng)力作用下沉落，沒有外力的作用，不至于破碎。當(dāng)最后達(dá)到能量平衡后堆積在坡腳。

3 結(jié)論

通過對(duì)細(xì)砂顆粒的破壞形式試驗(yàn)分析，可得到如下結(jié)論：大部分微潮細(xì)砂顆粒的破壞形式與土體的密實(shí)度有關(guān)。土體的坍塌量，隨著密實(shí)度的增大，變的越來越小。微潮細(xì)砂等高線圖，由第一狀態(tài)至第二狀態(tài)，槽內(nèi)等高線分布越來越不均勻。隨密實(shí)度的增大，出現(xiàn)彎曲、密集現(xiàn)象，密集區(qū)間隨著密實(shí)度的增大，向x 軸的正方向推延。顆粒礦物成分、顆粒形狀和級(jí)配，是影響細(xì)砂破壞形式的重要因素。如細(xì)砂的礦物成分對(duì)強(qiáng)度的影響，主要來自礦物表面摩擦力，顆粒形狀和級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的影響也很明顯，如多棱角的顆粒和級(jí)配良好的顆粒，會(huì)增加顆粒之間的咬合作用，從而能提高細(xì)砂的內(nèi)摩擦角。

[1]劉成宇，土力學(xué)[M]北京：中國鐵道出版社，2001.

[2]P.Bak,and K.Chen.Self-organized Criticality[J].Scientific American.1991 264(1):26-33.

[3]郭慶國.粗粒土的工程性質(zhì)及應(yīng)用[M]北京：黃河水利出版社，1998，8.