崩積體剪切性能試驗研究

劉忠強 ，薛亞東 ，黃宏偉 ，吳 堅

（1. 同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2. 同濟大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092； 3. 浙江公路水運工程咨詢公司，杭州 310004）

1 引 言

崩積體，一般位于高陡斜坡的坡腳處或分布在山嶺區(qū)的陡坡上和山麓下，主要是由大量落石與風(fēng)化土形成的堆積體。它的最顯著特點是構(gòu)成材料的力學(xué)特性空間變異性大，表現(xiàn)出強烈的非均質(zhì)性。在我國西南山區(qū)，崩積體的分布極其廣泛，由于其結(jié)構(gòu)松散，在外力的影響和作用下，崩積體可能發(fā)生局部滑動，甚至沿基巖產(chǎn)生大范圍的整體塌滑。隨著大規(guī)模工程建設(shè)尤其是高速公路工程建設(shè)的發(fā)展，與崩積體相關(guān)的不良地質(zhì)問題逐漸顯露出來。因此，對崩積體的變形、強度特性進行有針對性的理論研究是十分必要的。

作為一種特殊的巖土體介質(zhì)，崩積體力學(xué)特性的影響因素極為復(fù)雜。前蘇聯(lián)遠東建筑科學(xué)研究院曾對影響崩積體力學(xué)特性的因素進行了較為系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)特性與顆粒級配、塊石強度、塊石磨圓程度、充填物黏性程度以及土的密度有關(guān)[1]。此外，崩積體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征對其變形及強度特性等的影響遠超過單純的土體和塊石。因此，國內(nèi)外眾多研究者對崩積體以及相似的非連續(xù)、非均質(zhì)巖土材料進行了室內(nèi)或現(xiàn)場試驗研究，以討論其力學(xué)特性。Hall[2]最早開始土石混合體剪切特性試驗研究，通過室內(nèi)大尺度三軸試驗發(fā)現(xiàn)，土石混合體抗剪強度隨著含石量的增加而增大，很多學(xué)者[3－6]在后續(xù)的試驗中也得到了相似的結(jié)論。Mirghasemi 等[7]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，塊石形狀在很大程度上影響著崩積體的物理力學(xué)特性。劉建鋒等[8]開展了密度、塊石含量和最大粒徑這3 個指標與抗剪強度關(guān)系的室內(nèi)試驗，研究發(fā)現(xiàn)土石混合料的骨架作用明顯，抗剪強度主要受粗顆粒、細顆粒以及粗細顆粒間的共同作用影響。歐陽振華等[9]采用柔性邊界條件下的大型剪切試驗，發(fā)現(xiàn)土石混合體的抗剪強度隨著塊石尺寸的增大和含量的增多而增大。Simoni 等[10]采用大尺度直剪試驗，研究了砂礫石混合物的抗剪強度與剪脹特性。董云[11]通過大型直剪試驗，研究了土石混合料的強度特性及其隨母巖性質(zhì)與含石量等影響因素的變化規(guī)律。徐文杰等[12－14]、李曉等[15]通過現(xiàn)場原位剪切試驗，研究了土石混合體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，并指出含石量是影響土石混合體強度與破壞形式的重要因素。王光進等[16]通過大型直剪試驗，研究了不同粗粒含量時散體巖土材料的抗剪強度特性。

由以上分析發(fā)現(xiàn)，含石量、塊石形狀及土體性質(zhì)在很大程度上影響著崩積體的物理力學(xué)特性，尤其是剪切力學(xué)特性。但以往的研究大多局限于某一特定的現(xiàn)場混合體，巖土體性質(zhì)差異性很大，且很少考慮不同粒徑級配，致使試驗結(jié)果具有較大的隨機性和離散性，得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及變形、強度規(guī)律并不一致，研究成果很難相互比較。因此，本文通過現(xiàn)場踏勘及篩分試驗，對崩積體原狀樣的結(jié)構(gòu)組成特征進行分析，在此基礎(chǔ)上，采用研究區(qū)現(xiàn)場塊石、上海附近采石場卵石及碎石與現(xiàn)場粉質(zhì)黏土及河床砂的不同搭配制備相應(yīng)的重塑樣，每種搭配考慮6 種含石量水平（0、20%、40%、60%、80%、100%），在同濟大學(xué)大型多功能界面剪切儀平臺上開展大尺度直剪試驗，系統(tǒng)地研究其變形與抗剪強度特性。

2 崩積體級配特征分析

調(diào)查區(qū)位于云南省昭通境內(nèi)水富－麻柳灣高速公路沿線。路線所經(jīng)區(qū)域地處云貴高原的北緣，屬強侵蝕中高山峽谷地形，屬于新構(gòu)造運動強烈上升區(qū)。由于地質(zhì)成因的特殊性，在該地區(qū)形成了大量的崩積混合體。在崩積體形成過程中，由于崩塌堆積條件（落石高度及基底形態(tài)等）不同，導(dǎo)致巖塊大小不一。按照崩積體內(nèi)部塊石的尺寸大小，可將其劃分為4 類：碎屑崩積體、碎石崩積體、塊石崩積體和大塊石崩積體[17－18]，同時考慮顆粒級配特征，當(dāng)不均勻系數(shù)Cu＞5、曲率系數(shù)Cc=1～3 的條件同時滿足時，稱為良好級配；其他情況稱為不良級配。具體的崩積混合體分類如表1 所示。

表1 崩積體分類（根據(jù)塊石尺寸大小及級配特征） Table 1 Classification for colluvium (According to size of rock particles and grading characteristics)

油新華[19]、Li 等[20]基于三峽地區(qū)調(diào)查提出的“土石混合體”，其實可以看成是碎屑崩積體。而Medley[21]在Franciscan 等地發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)體屬于塊石崩積體及大塊石崩積體范疇。

塊石含量及其分布規(guī)律是研究崩積混合體物理力學(xué)特性的重要指標。在確定顆粒級配以前，對崩積混合體的研究，首先應(yīng)該確定土體與塊石的界限值。由現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，混合體中5 mm 以下的粗顆?；旧鲜怯赏令w粒黏結(jié)而成，結(jié)合先前學(xué)者的研究[22－25]，試驗中將5 mm 界定為土體與塊石之間的粒徑界限。

采用標準篩分法，對現(xiàn)場混合體試樣進行粒度分析。試樣中塊石多為褐紅、紫紅色泥巖或頁巖碎塊，呈棱角或次棱角狀。部分試樣的篩分結(jié)果及綜合粒度累計分布曲線如圖1 及表2 所示。

圖1 崩積混合體篩分試驗粒度分析結(jié)果 Fig.1 Results of grading analysis for colluvium samples

表2 各試樣的含石量、不均勻系數(shù)和曲率系數(shù) Table 2 Rock particle contents, nonuniform coefficients and curvature coefficients for colluvium samples

由圖、表可以看出，雖然試驗地點相近，但試驗結(jié)果的離散性較大，顆粒分布規(guī)律并不一致，含石量在51%～81%之間。從混合體綜合粒徑分布來看，級配良好，粒徑曲線分布范圍表現(xiàn)為平滑。但試樣2、4、5 的Cc＞3，試樣6 的Cc＜1，均屬于級配不良的試樣，土粒大小不連續(xù)，其中間粒徑有缺失。這說明，在同一崩積混合體范圍內(nèi)，雖然總體級配良好，但其內(nèi)部不均勻，有些部分非常密實，有些部分存在明顯孔隙。將混合體內(nèi)部的土體和塊石區(qū)分開來，其結(jié)構(gòu)局部相似；從整體上看，其結(jié)構(gòu)特征又具非線性。根據(jù)上述崩積混合體組成特點可以認為，在崩積混合體中，粒徑較大的塊石形成骨架，粒徑較小的土體充填其中。一般來講，混合體的級配越好，則其密度越大，強度也會相應(yīng)提高，所以結(jié)構(gòu)組成是影響崩積混合體力學(xué)特性的重要因素之一。

3 大型剪切試驗

3.1 級配模擬方法

由于現(xiàn)場崩積混合體中含有較多超粒徑塊石，為了便于后續(xù)試驗的連續(xù)性，并考慮試驗儀器尺寸的限制，需要對超粒徑塊石進行必要的處理。按大型直剪試驗的要求，最大顆粒直徑不超過直剪試驗試樣高度的1/5 倍。本文所用的試樣剪切盒的高度為200 mm，因此，試驗中塊石最大粒徑取為40 mm。

對于超徑顆粒的處理，目前通常有剔除法、相似級配法、等量替代法以及混合法[26]。參考先前學(xué)者對粗粒料直剪試驗的研究[13，27－29]，本試驗采用等量替代法。根據(jù)圖1 所示研究區(qū)崩積混合體粒度分布特征，分別按照0（土體）、20%、40%、60%、80%、100%（塊石）6 種不同含石量水平，對超徑部分進行粒徑替代，得到試驗所采用的顆粒分布曲線（見圖2）。

圖2 試驗用崩積混合體顆粒分布曲線 Fig.2 Grain-size distributions of tested colluvium samples

3.2 試驗材料

試驗選用了現(xiàn)場粉質(zhì)黏土（XC）及河床砂（S）作為土體研究對象，選用現(xiàn)場泥巖塊石（XG）、卵石（CO）及碎石（G）作為塊石研究對象，其中卵石與碎石來自上海附近采石場，其巖性、質(zhì)地基本一致。將土體與塊石兩兩混合（由于現(xiàn)場泥巖塊石有限，故未考慮砂與現(xiàn)場泥巖塊石的混合體），同時考慮6 種不同含石量的情況，最終確定了25 組不同混合體試樣（文中，S 表示純砂，40S-60G 表示砂含量40%，碎石含量60%的混合體，以此類推）。

3.3 試樣制備與測試過程

試驗在同濟大學(xué)的大型多功能界面剪切儀SJW-200 平臺上進行。試樣的尺寸與剪切盒內(nèi)輪廓相同，為600 mm×400 mm×200 mm（長×寬×高）。試樣制備和設(shè)備安裝流程如下：

（1）對土體與塊石混合體進行篩分（見圖3(a)）；

（2）將前期篩分制備的各組別顆粒按照圖2 顆粒分布曲線稱量后混合均勻（見圖3(b)）；

（3）將上剪切盒拆下，在上下盒接縫處涂上潤滑油（減少摩擦），并裝回（見圖3(c)）；

（4）將試驗材料分層裝入剪切盒，并攪拌均勻（見圖3(d)）；

（5）將材料裝滿剪切盒并找平（見圖3(e)）；

（6）將剪切盒推入工作區(qū)域，調(diào)整剪切盒的位置和承載板的高度，使承載板完全進入上剪切盒，并固定上下剪切盒（見圖3(f)）。

圖3 試樣制備及設(shè)備安裝過程 Fig.3 Photographs of colluvium sample preparation and equipment installation

試樣制備及設(shè)備安裝完成后，采用控制壓實能量的方法[28]，即所有試樣均采用200 kPa 的法向應(yīng)力進行壓密，待垂直位移基本穩(wěn)定，再調(diào)節(jié)壓力至設(shè)計值。每組試驗4 個試樣，垂直荷載分別設(shè)定為50、100、150、200 kPa，單級加載。保持預(yù)定的法向應(yīng)力不變，啟動下剪切盒勻速進行剪切，剪切速率為2 mm/min，自動記錄水平位移、水平荷載及垂直位移等數(shù)據(jù)。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力、應(yīng)變特性

根據(jù)直剪試驗結(jié)果，可以得到崩積混合體的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。圖4 所示分別為50 kPa（實心）、100 kPa（空心）法向應(yīng)力下現(xiàn)場粉質(zhì)黏土-碎石混合體與砂-卵石混合體不同含石量水平時的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4 崩積體剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Fig.4 Example results of shear stress-strain curves for colluvium samples

對試驗結(jié)果進行分析，可得出如下認識：

（1）崩積混合體剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)3 個不同的階段：① 線彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為直線。在含石量低的混合體中表現(xiàn)明顯，而在含石量高的混合體中表現(xiàn)不明顯甚至幾乎沒有。每組試驗的4 條曲線彈性變形階段的斜率基本是一致的。這是因為混合體在壓密過程中所受的法向應(yīng)力是相同的。② 初始屈服階段，曲線斜率急劇變化，由陡峭變得平緩，原因是混合體中作為充填成分的土體首先達到屈服。因此，含石量較低的混合體試樣初始屈服階段更明顯，而含石量較高的試樣則不明顯甚至幾乎沒有。③ 應(yīng)變硬化階段，該階段由于混合體中充填土體的破壞，導(dǎo)致原來沒有接觸的塊石逐漸接觸，依靠塊石與塊石間的咬合和摩擦，混合體的強度再次增加。這一階段應(yīng)力值只有較小增長，而應(yīng)變增幅較大，最終導(dǎo)致試樣產(chǎn)生破壞。

（2）崩積體的剪應(yīng)力隨著法向應(yīng)力的增加而增大；在相同的法向應(yīng)力條件下，崩積體的剪應(yīng)力隨 著塊石含量增加而增大。

（3）相同含石量的崩積混合體，在應(yīng)變硬化階段，低法向應(yīng)力時，應(yīng)力增長緩慢。隨著法向應(yīng)力的增加，應(yīng)力增長迅速（即應(yīng)變硬化階段曲線將較陡）；在同一法向應(yīng)力下，含石量高（60%與80%）的混合體應(yīng)變硬化程度明顯強于含石量低（20%與40%）的混合體。

（4）隨著含石量的增加，混合體的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線常表現(xiàn)出多個“V”字形跳躍現(xiàn)象，且含石量越高，這種現(xiàn)象越明顯。含石量高（60%與80%）的砂-卵石混合體表現(xiàn)尤為明顯（見圖4(b)）。

4.2 體積應(yīng)變特性

現(xiàn)場粉質(zhì)黏土-卵石與砂-卵石混合體在50、150 kPa 法向應(yīng)力下的垂直位移-剪應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5 所示。垂直位移為負代表剪脹，垂直位移為正表示剪縮。剪脹率計算采用垂直位移變化除以試樣高度，最終的計算結(jié)果見表3。

圖5 崩積體垂直位移-剪應(yīng)變曲線 Fig.5 Vertical displacement-shear strain curves of colluvium samples

崩積混合體的變形不僅包括土顆粒和塊石自身的變形，而且與土體顆粒和塊石間、塊石和塊石間相對位置的變化有關(guān)。由圖5 可以看出，崩積混合體在直剪試驗過程中存在3 種垂直位移變化形式：一是在剪切中持續(xù)發(fā)生剪脹；一是剪切過程中持續(xù)發(fā)生剪縮；一是先剪縮，繼而呈現(xiàn)剪脹。在低法向應(yīng)力（50 kPa）下，土體與崩積混合體均表現(xiàn)出剪脹，且剪脹性隨含石量的增長十分明顯。當(dāng)法向應(yīng)力升高時（150 kPa），在剪切初始階段，崩積混合體變形以剪縮為主。對于含石量低的含黏性土混合體（20%以下），其剪脹特性與土體相近，剪縮變形一直持續(xù)到剪切試驗結(jié)束。對于含砂土的崩積混合體以及含石量較高的含黏性土混合體，剪切開始階段出現(xiàn)較小的剪縮，緊接著出現(xiàn)剪脹，剪脹幅度遠大于剪縮幅度。含石量越高，垂直位移越大，最終的剪脹率也越大（見表3）。

表3 崩積混合體試樣剪脹率計算結(jié)果 Table 3 Results of dilatancy rate for colluvium samples

4.3 抗剪強度特性

4.3.1 抗剪強度與含石量關(guān)系特征

不同法向應(yīng)力下，現(xiàn)場粉質(zhì)黏土-碎石混合體與砂-卵石混合體的抗剪強度隨含石量的變化關(guān)系如圖6 所示。

由圖6 可以看出，在相同的法向應(yīng)力下崩積混合體的抗剪強度基本上隨著含石量的增加而增大，其抗剪強度最大增長量約為土體的60%～80%?？紤]到崩積混合體塊石分布不均特性，本文采用統(tǒng)計的方法來分析抗剪強度隨含石量的變化，不考慮含石量與塊石形狀、土體性質(zhì)及法向應(yīng)力的交互作用。統(tǒng)計出5 種混合體各組試驗0～100%含石量中強度增長率最大和最小區(qū)間的次數(shù)并進行累加，如圖7所示。對于強度增長率最大含石量區(qū)間，40%～60%區(qū)間的出現(xiàn)頻次最多，意味著當(dāng)含石量處于該區(qū)間時，強度增加的速度最快。對于強度增加最小含石量區(qū)間，60%～100%區(qū)間出現(xiàn)頻數(shù)明顯多于其他含石量區(qū)間，含石量從80%到100%時，抗剪強度增加的速度最慢。

由以上分析可總結(jié)得出崩積混合體抗剪強度隨含石量增長模式曲線，如圖8 所示?？辜魪姸入S含石量的增加而增大的過程大致可以分為3 個階段：第1 階段是緩慢增長區(qū)，含石量約為0～40%；第2階段是快速增長區(qū)，含石量約為40%～80%，其中含石量40%～60%是增長速度最快的階段；第3 階段是緩慢增長區(qū)，含石量約為80%～100%，在此階段強度增長緩慢或不再增長，甚至有所下降。崩積混合體抗剪強度最終增長量約為土體抗剪強度的60%～80%。

圖6 崩積混合體抗剪強度隨含石量增長變化曲線 Fig.6 Relationships between normalized shear strength of colluvium and rock particle contents

圖7 抗剪強度增長率最大和最小的含石量區(qū)間統(tǒng)計 Fig.7 The statistics of rock particle contents interval for maximum and minimum increasing rate of shear strength

圖8 崩積混合體抗剪強度增長模式曲線 Fig.8 Increasing trend of shear strength for colluvium

4.3.2 強度指標變化特征

通過直剪試驗，可以計算得到不同含石量（0、20%、40%、60%、80%、100%）下各種崩積混合體的抗剪強度指標（c、φ），如表4 所示。

為了進一步研究各種崩積混合體內(nèi)摩擦角的變化特征，圖9 給出了崩積混合體的內(nèi)摩擦角增量隨含石量的變化曲線。

表4 崩積混合體抗剪強度指標試驗結(jié)果 Table 4 Results of shear strength parameters for colluvium

圖9 內(nèi)摩擦角增量與含石量關(guān)系 Fig.9 Relationships between the increment of internal friction angle and rock particle contents

從圖9 中可以看出，對于含黏性土的崩積混合體，內(nèi)摩擦角較試驗土體內(nèi)摩擦角的增量與含石量近似呈線性關(guān)系，當(dāng)含石量超過80%時，與塊石的內(nèi)摩擦角相近。對于含無黏性砂土的崩積混合體，當(dāng)含石量小于40%時，其內(nèi)摩擦角隨含石量的增加沒有明顯的增加；含石量超過40%以后，其內(nèi)摩擦角隨含石量的增加呈現(xiàn)逐步增加的趨勢；含石量超過80%時，基本上與塊石的內(nèi)摩擦角相近。另外，相同含石量情況下，含碎石的混合體內(nèi)摩擦角顯著高于含卵石混合體。對試驗結(jié)果進行擬合，并結(jié)合前人研究成果[16，28]，得出含黏性土與含砂土的崩積混合體的內(nèi)摩擦角增量與含石量關(guān)系分別為

式中：RP 為崩積混合體含石量；RPφΔ 為當(dāng)含石量為RP 時崩積混合體內(nèi)摩擦角較相應(yīng)土體內(nèi)摩擦角的增量(°)；80φΔ 為含石量為80%時崩積混合體內(nèi)摩擦角較相應(yīng)土體內(nèi)摩擦角的增量(°)；k 為塊石形狀系數(shù)，其建議值如表5 所示。

表5 崩積體塊石形狀系數(shù)k 建議值 Table 5 Suggested shape coefficients for rock particles in colluvium

與內(nèi)摩擦角相比，崩積混合體黏聚力的試驗結(jié)果離散性很大，隨含石量和塊石形狀的變化規(guī)律較復(fù)雜（見圖10）?？傮w來講，崩積混合體的黏聚力主要由其中土體性質(zhì)決定，含黏性土的崩積混合體的黏聚力較含砂土的混合體要高。當(dāng)含石量較低時（小于40%），含石量及塊石形狀對含黏性崩積混合體的黏聚力影響并不顯著。對于含砂土的崩積混合體，隨含石量增加，混合體的黏聚力呈現(xiàn)較大的上升趨勢。此時黏聚力表現(xiàn)為顆粒間的嵌擠力和咬合力，否則不會隨含石量的增加出現(xiàn)較大的增長。

圖10 黏聚力與含石量關(guān)系 Fig.10 Relationships between cohesion and rock particle contents

5 變形與強度特性內(nèi)在機制分析

5.1 顆?；咀饔靡?guī)律

直剪試驗過程中，部分塊石位于剪切面上，則剪切必須繞過這些塊石，因此，真實的剪切面并非圖11 所示的平直SS 面，而是S'S'曲面。崩積混合體內(nèi)部塊石間的咬合作用使得其不斷地發(fā)生推擠與旋轉(zhuǎn)，實際的剪切面S'S'面上下起伏，在空間上出現(xiàn)波浪式。

圖11 崩積混合體內(nèi)部剪切面 Fig.11 Internal shear surface of colluvium

混合體的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線常表現(xiàn)出多個“V”字形跳躍現(xiàn)象，這表明在剪切過程中，原本處于咬合狀態(tài)的某些塊石由于相互錯動、逾越而使得相互間因咬合而儲存的應(yīng)變能急劇釋放，導(dǎo)致剪應(yīng)力的急劇降低，而后又逐漸回到原來的應(yīng)力狀態(tài)。由于砂對塊石的包裹作用低于黏土，含砂混合體中塊石的錯動更加顯著。同時，由于卵石形狀規(guī)則，擠壓的卵石在某一瞬間突然發(fā)生滑動，應(yīng)變能釋放，卵石向兩個方向偏離，擠壓力瞬間消失，應(yīng)力驟降（見圖12）。相互錯開的卵石仍會與其他卵石發(fā)生接觸和擠壓，于是應(yīng)力便恢復(fù)到先前水平。

圖12 卵石顆粒受剪運動過程 Fig.12 Movement of cobble particles under shear force

含碎石混合體的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線較含卵石混合體波動性小（見圖4(a)）。這主要是因為碎石的棱角分明，形狀各異，當(dāng)碎石受擠壓時，其間的接觸面積和摩擦比卵石大，因此，碎石無法像卵石一樣發(fā)生突然的滑動而引起混合體應(yīng)力驟變（見圖13）。碎石之間要么相互咬合，不斷發(fā)生轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整其排列狀態(tài)；要么在擠壓作用下，厚度小且細長的碎石填充到因塊石轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的孔隙中去。

圖13 碎石顆粒受剪運動過程 Fig.13 Movement of gravel particles under shear force

5.2 變形機制分析

崩積混合體剪切過程中的硬化（軟化）現(xiàn)象及剪脹（剪縮）效應(yīng)與混合體的初始孔隙比及所受的法向應(yīng)力有關(guān)。崩積混合體試樣在經(jīng)過200 kPa 載荷的預(yù)壓后，其孔隙比隨含石量變化的曲線如圖14所示。崩積混合體的孔隙比最小值出現(xiàn)在含石量為60%～80%時，這與Rahardjo 等[30]及楊冰等[31]的結(jié)論是較為一致的。

圖14 崩積混合體孔隙比變化 Fig.14 Changes of void ratio for colluvium

由圖14 可知，含石量高的混合體具有更小的剪前孔隙比和更大的相對密實度，從而在低法向應(yīng)力條件下，表現(xiàn)出較強的剪脹趨勢。隨著所受法向應(yīng)力的增大，混合體所受的約束增大，表現(xiàn)為剪縮變形，同時使得混合體整體密度增大，抵抗剪切破壞的能力變大，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化效應(yīng)。此時，顆粒間孔隙變小，在外力作用下塊石顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)或翻越臨近顆粒，必然會發(fā)生剪脹變形，結(jié)構(gòu)變松，同時伴隨著應(yīng)力驟降，這一過程會在含石量較高的混合體中反復(fù)出現(xiàn)。在相同的法向應(yīng)力下，含石量較高的混合體剪前初始孔隙比較小，整體密度較大，表現(xiàn)出的應(yīng)變硬化效應(yīng)也更明顯。

5.3 強度機制分析

崩積混合體的抗剪強度往往受到其剪前組成結(jié)構(gòu)特征以及應(yīng)力水平等因素的影響。崩積混合體顆粒充填及孔隙特性的內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)變化示意圖如圖15 所示。圖15(a)為塊石圍繞形成的孔隙；當(dāng)少量土顆粒加入時，土顆粒占據(jù)部分孔隙（見圖15(b)）。如果繼續(xù)充填土顆粒，在達到某一比例時土顆粒將占據(jù)所有的孔隙，此時混合體孔隙比最?。ㄒ妶D15(c)）。圖15(a)～(c)所示混合體孔隙由塊石控制，即組成結(jié)構(gòu)以塊石為主。當(dāng)達到最小孔隙比時，已沒有多余的孔隙來容納土顆粒。此時再加入土顆粒時，土顆粒將會使塊石分開，混合體中土顆粒成為主體，塊石懸浮于土顆粒之中（見圖15(d)、(e)），直到混合體完全由土顆粒組成（見圖15(f)）。

圖15 崩積混合體組成結(jié)構(gòu)變化示意圖 Fig.15 Changes of fabric in colluvium

由以上分析可知，含石量較低時（小于40%），“塊石”懸浮在主要由“土體”構(gòu)成的介質(zhì)中，塊石與塊石間距離較大，難以發(fā)生相互作用，因此，塊石的存在幾乎不會影響混合體宏觀變形破壞特征；當(dāng)含石量較高時（60%～80%），崩積混合體達到最小孔隙比，混合體主要由塊石組成，塊石承擔(dān)了大部分的剪切力，而土體則充填于其中的孔隙中，混合體密實度增大，剪應(yīng)力值隨之增大，此時混合體的強度特性主要受塊石影響，這也是崩積混合體抗剪強度在含石量80%以后增長較為緩慢甚至有所下降的原因所在。

6 結(jié) 論

（1）崩積混合體具有明顯的線彈性變形、彈塑性變形等曲線段，但由于含石量、塊石形狀及土體性質(zhì)的不同，過程曲線形態(tài)并不相同。隨著含石量的增加，其剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出不同程度的跳躍現(xiàn)象。

（2）崩積混合體的垂直位移-應(yīng)變曲線，較土體有所不同。低法向應(yīng)力條件下，崩積混合體均表現(xiàn)為剪脹；高法向應(yīng)力時表現(xiàn)為先剪縮后剪脹。

（3）含石量小于80%時，含黏性土的崩積混合體的內(nèi)摩擦角增量與含石量呈線性遞增關(guān)系。而含砂土的崩積混合體的內(nèi)摩擦角增量與含石量呈線性遞增關(guān)系的含石量區(qū)間為40%～80%。相同含石量情況下含不規(guī)則形狀塊石的崩積混合體內(nèi)摩擦角顯著高于含規(guī)則形狀塊石的混合體。

（4）含石量是崩積混合體力學(xué)特性的關(guān)鍵影響因素。含石量小于40%時，崩積混合體變形、強度特性主要由內(nèi)部土體性質(zhì)控制，當(dāng)含石量超過80%以后，則其力學(xué)性質(zhì)主要由塊石性質(zhì)決定。

文中通過室內(nèi)大型直剪試驗系統(tǒng)地研究了崩積混合體的剪切力學(xué)特性。由于試驗資料有限，本文并未深入討論塊石形狀及含水率對崩積混合體變形與抗剪強度指標的影響機制，這也是今后工作的一個方向。

致 謝：本文部分試驗工作得到貴州省交通廳科技項目計劃的支持（2010-122-010， 2010-122-019），在此表示謝意！

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