柿樹溝泥石流物源體直剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

王碩楠，余宏明，師華鵬

（1．中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074；2．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，鄭州 450002）

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柿樹溝泥石流物源體直剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

王碩楠1，2，余宏明1，師華鵬1

（1．中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074；2．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，鄭州 450002）

摘 要：柿樹溝泥石流為暴雨型泥石流，研究該物源土體前期的含水率及密實(shí)程度對于分析該類型泥石流的形成具有重要意義。在降雨過程中物源土體逐漸飽和且細(xì)顆粒也隨之發(fā)生運(yùn)移，造成了土體密度的改變及強(qiáng)度特征的影響。以柿樹溝泥石流物源土體為研究對象，采用室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，研究其在不同飽和度和干密度條件下的強(qiáng)度特性，分別得到飽和度、干密度與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ的關(guān)系，與強(qiáng)度包線的關(guān)系，與剪應(yīng)力及位移的關(guān)系。結(jié)果表明：土樣c值與飽和度成反比，與干密度成正比關(guān)系，且飽和前期變化較為明顯；剪應(yīng)力－位移曲線隨著飽和度的增加峰值逐漸明顯；前期充分降雨情況下，土體逐漸飽和且抗剪強(qiáng)度迅速下降，在徑流作用下表層松散堆積物易被裹挾帶走，形成泥石流。通過試驗(yàn)的研究，可以獲取此類粒徑組合下的泥石流物源體的強(qiáng)度指標(biāo)變化特性，對該類泥石流的形成機(jī)制或預(yù)測預(yù)報(bào)的研究具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：柿樹溝泥石流；物源土體；大型直剪試驗(yàn)；飽和度；干密度；抗剪強(qiáng)度

1 研究背景

泥石流是一種典型的固液兩相流，也是山區(qū)特有的一種突發(fā)性自然災(zāi)害現(xiàn)象。在我國，絕大部分泥石流暴發(fā)都是由于暴雨激發(fā)引起的，其中前期降雨量為爆發(fā)的重要條件［1］。在降雨作用下，物源土體的抗剪強(qiáng)度隨著飽和度的增加而變化，當(dāng)其小于剪切力時(shí)會(huì)出現(xiàn)剪切破壞［2］，在強(qiáng)降雨條件下，易形成泥石流［3］。而在含水率相同條件下，不同密實(shí)程度的土體其抗剪強(qiáng)度也是不同的。因此，通過直剪試驗(yàn)對巖土體施加剪切力（或剪切位移）進(jìn)行試驗(yàn)的方法一直受到重視。大型直剪儀由于試樣尺寸較大，可以更大限度地保存研究對象的土體級(jí)配特性，更為準(zhǔn)確地測定土體強(qiáng)度［4］。通過大型直剪試驗(yàn)，魏厚振等［5］分析了蔣家溝礫石土在不同含水量下的直剪強(qiáng)度特性；方華［3］選取了文家溝滑坡堆積體不同位置的3組土樣進(jìn)行不同含水率下的直剪強(qiáng)度特性對比分析；謝凱等［6］對欒川縣3種類型泥石流不同飽和情況下的直剪強(qiáng)度特性進(jìn)行了分析。

柿樹溝位于河南省欒川縣陶灣鎮(zhèn)以西5 km的伊河右岸，溝長約2．4 km，流域面積為1．17 km2，平均縱坡降206．46‰。根據(jù)資料記載，歷史上曾多次發(fā)生小型泥石流，但2010年7月24日所暴發(fā)的泥石流破壞嚴(yán)重。經(jīng)過調(diào)查，其暴發(fā)原因主要為在長達(dá)10 d的前期降雨情況下，又發(fā)生3h左右的短時(shí)強(qiáng)降雨，致使以往泥石流暴發(fā)時(shí)留存于溝道內(nèi)的堆積體，在暴雨激發(fā)下啟動(dòng)形成泥石流。因此通過大型直剪試驗(yàn)，對柿樹溝泥石流物源土體抗剪強(qiáng)度與飽和度及土體密實(shí)度的關(guān)系進(jìn)行研究，分析土體特征變化對其抗剪強(qiáng)度的影響，對該類型泥石流啟動(dòng)的研究具有重要意義。

2 試驗(yàn)設(shè)備與材料

2．1 試驗(yàn)設(shè)備

大型直剪儀由于試樣尺寸較大，可以更大限度地保存研究對象的土體級(jí)配特性、弱化尺寸效應(yīng)，可以更為準(zhǔn)確地測定土體強(qiáng)度［4］，試驗(yàn)所用儀器如圖1所示，型號(hào)為STJY－5直剪儀。該儀器傳感度精度高，是目前國內(nèi)較先進(jìn)的土工合成材料檢測試驗(yàn)儀器，數(shù)據(jù)獲取直觀精確。其上、下盒長寬均為30 cm，上、下盒高分別為6 cm和8 cm，盒壁厚為2．5 cm，剪切面積為0．09 m2。

2．2 試驗(yàn)材料及制備

試驗(yàn)所用土樣取自柿樹溝內(nèi)留存的以往泥石流暴發(fā)形成的溝床堆積體，試驗(yàn)采用粒徑≤60 mm的重塑土樣。土樣的原始顆粒級(jí)配曲線如圖2所示，其不均勻系數(shù)Cu＝20．6，曲率系數(shù)Cc＝1．56，級(jí)配良好，其中2～5 mm粒徑所占比重為42%。試驗(yàn)土樣液限WL為24．69%，塑限WP為17．53%，塑性指數(shù)為7．16。

圖1　STJY－5直剪儀Fig．1 Direct shear apparatus STJY－5

首先控制土樣干密度為1．65 g／cm3，設(shè)計(jì)土樣飽和度分別為18%，50%，75%，100%，其對應(yīng)的質(zhì)量含水率分別為4．2%（天然含水率），11．72%，17．57%，23．43%進(jìn)行配樣；隨后分別控制干密度為1．75，1．85 g／cm3且在4種不同飽和度條件下配置土樣。在配置同種飽和度時(shí)，需將土樣靜置并使其水分充分消散；在配置同種干密度時(shí)，需保證土樣中干密度均勻一致。

為了不固結(jié)快剪，剪切時(shí)盡量使土樣與剪切盒充分接觸?？刂莆灰扑俣葹?．8 mm／min，當(dāng)位移達(dá)到16．8 mm時(shí)停止試驗(yàn)。剪切時(shí)土樣加載的垂直壓力分別為50，100，150，200 kPa。

圖2　顆粒級(jí)配累積曲線Fig．2 Grading curve of grain size

3 結(jié)果與分析

3．1 水平剪切力和水平剪切位移的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同飽和度下剪應(yīng)力與水平位移曲線具有相似規(guī)律，因此文中就不一一贅述。選取中等密實(shí)程度即干密度為1．75 g／cm3土樣為例，對剪切過程中4種不同飽和度下剪應(yīng)力與水平位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其剪應(yīng)力與水平位移關(guān)系見圖3。

從圖4中可以看出，隨著飽和度的增加，剪應(yīng)力位移曲線在4種垂直壓力下均逐漸收斂；土樣在垂直壓力為50，100 kPa時(shí)較150，200 kPa時(shí)收斂更為明顯，峰值出現(xiàn)較早；而在垂直壓力為150，200 kPa下，剪應(yīng)力位移曲線隨著飽和度的增加也逐漸收斂，在達(dá)到100%飽和度時(shí)也明顯具有峰值。

圖3　不同飽和度下的剪應(yīng)力與水平位移關(guān)系曲線Fig．3 Relationship between horizontal displacement and shear stress under different degrees of saturation

由于物源土體中粗粒含量較高，因此飽和度較低時(shí)未出現(xiàn)峰值的原因，魏厚振等［5］、徐文杰等［7］認(rèn)為是由于圖樣中粗粒含量較高，孔隙率較大，在對其施加垂直荷載情況下，細(xì)小顆粒填充孔隙產(chǎn)生剪縮效應(yīng)，峰值出現(xiàn)較晚，如水平位移繼續(xù)增大，土體體變會(huì)趨于穩(wěn)定，最終產(chǎn)生峰值。而垂直壓力較高時(shí)不容易出現(xiàn)峰值的原因，方華［3］認(rèn)為是由于此時(shí)土樣受較大的垂直荷載作用體脹體現(xiàn)不明顯所致。而當(dāng)物源土體飽和度為100%時(shí)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，3種干密度情況下剪應(yīng)力位移曲線均較低飽和度時(shí)出現(xiàn)明顯收斂，該現(xiàn)象較文獻(xiàn)［3－4］中更為明顯，可以認(rèn)為原因之一是由于試驗(yàn)中采用剪切位移超過16．8 mm時(shí)停止試驗(yàn)，較文獻(xiàn)［3］中的4～5 mm和文獻(xiàn)［4］中的8～9 mm時(shí)停止試驗(yàn)觀察的數(shù)據(jù)更多，使得試驗(yàn)結(jié)果更為明顯；原因之二是由于試驗(yàn)中最大含水率為達(dá)到土體100%飽和度時(shí)進(jìn)行的，而前人的研究成果中，沒有考慮飽和土體的含水率，其試驗(yàn)中最大含水率分別為21%和11%，也使得本次試驗(yàn)結(jié)果中規(guī)律更為明顯。

3．2 c，φ與飽和度、干密度的關(guān)系

根據(jù)摩爾庫侖定律，土體的抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ控制。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，可得出c值分別與飽和度、干密度的關(guān)系，如圖4；φ值分別與飽和度和干密度的關(guān)系如圖5。

由圖4（a）可知，c值與土體的飽和度呈現(xiàn)出反比關(guān)系，飽和度越大，黏聚力越小，特別是當(dāng)飽和度由18%增加到50%時(shí)，c值變化非常明顯；當(dāng)飽和度繼續(xù)增大到100%時(shí)，c值變化較小。說明在飽和過程中，土體間空隙被水填充，顆粒間的引力也隨之變小，黏聚力呈現(xiàn)驟減的現(xiàn)象；同時(shí)物源土體強(qiáng)度的破壞主要發(fā)生在飽和度增加的前期，因此應(yīng)盡早控制土體的含水率，避免其強(qiáng)度的驟然減小。由圖4（b）可知，c值與土體的密實(shí)程度呈現(xiàn)出正比關(guān)系，干密度越大，土體間的孔隙率越小，黏聚力越大；且土體飽和度越大，其干密度與黏聚力的變化趨勢越趨于相同。說明土體越密實(shí)，顆粒之間距離越小，黏聚力也就越大。

圖4　c與飽和度、干密度的關(guān)系曲線Fig．4 Relationships of saturation and dry density vs．cohesion

圖5　φ與飽和度、干密度的關(guān)系曲線Fig．5 Relationships of saturation and dry density vs．inner friction angle φ

與c值不同，從圖5（a）可以看出內(nèi)摩擦角φ隨飽和度的變化呈波動(dòng)趨勢，無明顯趨勢；從圖5（b）可以看出內(nèi)摩擦角φ隨干密度的變化也無明顯趨勢。主要原因是物源土體中的粗顆粒主要成分為花崗巖風(fēng)化物所形成的粒徑為2～5 mm的石英和長石，以砂礫為主，黏粒所占比重較小，因此內(nèi)摩擦角受土體飽和度和密實(shí)度的作用效果有限。其次，從試驗(yàn)過程考慮，也可能是由于采用重塑樣進(jìn)行試驗(yàn)，且土樣在試驗(yàn)中反復(fù)使用，很難使試樣土粒的均勻性得到保證，所以對φ值的結(jié)果也有一定影響。由此可以看出，土體不斷飽和的過程中，其強(qiáng)度主要是由土體顆粒之間黏聚力決定的。

3．3 抗剪強(qiáng)度曲線與飽和度及干密度的關(guān)系

土體抗剪強(qiáng)度與飽和度以及干密度的關(guān)系可以很直觀地由抗剪強(qiáng)度曲線觀察出。土體在飽和度分別為18%，50%，75%，100%情況下的強(qiáng)度曲線見圖6，干密度分別為1．65，1．75，1．85 g／cm3情況下強(qiáng)度曲線見圖7。

圖6　土體在不同飽和度下的強(qiáng)度曲線Fig．6 Strength curves of soil under different degrees of saturation

圖7　土體在不同干密度下強(qiáng)度曲線Fig．7 Strength curves of soil under different dry densities

從圖6可以看出物源土體抗剪強(qiáng)度與天然密度成正比，土體越密實(shí)抗剪強(qiáng)度越大。從圖7可以看出物源土體抗剪強(qiáng)度與土體飽和度成反比，飽和度越大抗剪強(qiáng)度越小。這就再次驗(yàn)證土體密實(shí)度以及飽和度對抗剪強(qiáng)度的影響較大。說明結(jié)構(gòu)松散的物源土體應(yīng)做好防水排水措施以盡量控制其飽和度，以免其在降雨作用下強(qiáng)度破壞進(jìn)而形成泥石流。

根據(jù)匡樂紅［8］對暴雨型泥石流在降雨入滲過程中的變化的研究，可以分別對應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析［6］。當(dāng)物源從天然含水率到逐漸飽和的過程中，降雨持續(xù)入滲進(jìn)入土體，土體強(qiáng)度不斷降低；當(dāng)物源土體快要達(dá)到飽和時(shí)，土體黏聚力及抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步下降，近似于飽和度100%時(shí)的大小；當(dāng)物源土體達(dá)到飽和時(shí)，地表出現(xiàn)徑流，對松散堆積體進(jìn)行侵蝕，隨著進(jìn)一步的降雨作用，徑流的挾沙能力增強(qiáng)，侵蝕能力也隨之增強(qiáng)，造成泥石流的形成。

3．4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同干密度條件下，柿樹溝溝道內(nèi)物源土體在持續(xù)降雨過程中飽和度逐漸增加，其黏聚力不斷降低，抗剪強(qiáng)度也隨著飽和度的增加而降低，當(dāng)該趨勢達(dá)到一定程度時(shí)，土體強(qiáng)度遭到破壞。同時(shí)由于土體中粗粒含量較多的關(guān)系，其滲透系數(shù)較大，持水能力較弱，較易形成地表徑流，沖刷侵蝕溝道內(nèi)的物源土體，致使物源開始逐漸啟動(dòng)；伴隨著降雨的進(jìn)一步進(jìn)行，徑流開始匯集，產(chǎn)能也逐漸增大，開始沖刷并大量裹挾溝道內(nèi)的物源土體運(yùn)動(dòng)，最終形成泥石流。

在其他條件相同的情況下干密度越大，物源土體的抗剪強(qiáng)度越大，越不容易產(chǎn)生剪切破壞并啟動(dòng)形成泥石流。因此在泥石流防治中，應(yīng)當(dāng)重視溝道內(nèi)結(jié)構(gòu)松散的堆積體，對其進(jìn)行及時(shí)清理，在不方便清理的情況下也要及時(shí)采取壓實(shí)處理，以盡量避免泥石流形成條件得以滿足。

4 結(jié) 論

本文采用室內(nèi)大型直剪儀，對柿樹溝泥石流物源土體進(jìn)行不同飽和度和不同干密度土樣進(jìn)行試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）物源土體的黏聚力與飽和度成反比關(guān)系，隨飽和度的增加而減小，該現(xiàn)象在18%～50%的飽和度之間下降最為明顯，說明黏聚力的降低主要發(fā)生在土體飽和的前期。而c值隨干密度的增加而增大，說明土體密實(shí)度以及飽和度對抗剪強(qiáng)度的影響較大。物源土體的內(nèi)摩擦角φ受飽和度、干密度的影響較小，無明顯變化趨勢。因此對于結(jié)構(gòu)松散的物源土體應(yīng)加強(qiáng)防水排水措施，以有效控制其飽和度處在安全范圍，以免其在降雨作用下強(qiáng)度進(jìn)一步破壞進(jìn)而形成泥石流。

（2）由于物源土體中粗粒含量較高，天然狀態(tài)下，剪應(yīng)力位移曲線未出現(xiàn)峰值，但隨著飽和度的增加，物源土體的剪應(yīng)力位移曲線的峰值逐漸明顯，其中垂直壓力為50，100kPa時(shí)較150，200kPa時(shí)曲線的收斂更為明顯。說明在同樣垂直荷載情況下，抗剪強(qiáng)度與土體的飽和度成反比關(guān)系，其隨著飽和度的增加而減小。

（3）柿樹溝泥石流物源土體在降雨條件下逐漸達(dá)到飽和的過程中，土體黏聚力急劇下降，抗剪強(qiáng)度降低，同時(shí)隨著土體的飽和，出現(xiàn)地表徑流并伴隨持續(xù)降雨而使其侵蝕和挾沙能力也加強(qiáng)，造成泥石流的發(fā)生。

（4）由于柿樹溝泥石流物源土體中粗粒含量較高的特性，其持水能力降低，在持續(xù)降雨條件下易形成地表徑流，對物源土體造成沖刷侵蝕，使其強(qiáng)度降低，易形成泥石流。因此應(yīng)加強(qiáng)對此類物源泥石流溝的監(jiān)測及防范。

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（編輯：姜小蘭）

Strength Characteristics of Direct Shear Test on Source Materials of Debris Flow in Shishu Gully

WANG Shuo?nan1，2，YU Hong?ming1，SHI Hua?peng1
（1．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2．No．5 Institute of Geo?exploration Bureau of Henan Province，Zhengzhou 450002，China）

Abstract：Debris flows of Shishu gully are induced by rainstorm，and it is important to study the impacts of moisture content and compaction rate of source?region soil on the formation of debris flow at early stage．During rainfall，source?region soil is gradually saturated and fine grain moves，which leads to the changes of soil mechanical proper?ties such as density and strength．In this paper，we carry out direct shear test on source?region soil of debris flow in Shishu gully by using large?scale apparatus to explore strength behavior in the presence of different degrees of satu?ration and dry densities．We obtain the relationships of saturation and dry density vs．shear strength index c（cohe?sion）and φ（inner friction angle），as well as relationships of saturation and dry density vs．strength envelope，shear stress，and horizontal displacement，respectively．The results show that：1）relationship between c and satu?ration shows tendency of inverse proportion，whereas c is in proportion with dry density，especially at early stage of saturation；2）shear stress vs．horizontal displacement curve’s peak becomes obvious as the degree of saturation in?creases；3）in the presence of adequate rainfall at early stage，source?region soil gradually becomes saturated and sudden drop of shear strength occurs；then，loose deposits at the surface layer are easy to be taken away by water flow，which causes the formation of debris flow．Through the experiment，we obtain the variation behavior of strength index for source?region soil of such grain size distribution．The results offer reference for the research of for?mation mechanism and the forecast of such debris flow．

Key words：debris flow in Shishu gully；soil of source region；large?scale direct shear test；saturation；dry density；shear strength

作者簡介：王碩楠（1984－），女，河南鄭州人，工程師，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害分析方向的研究，（電話）15639916103（電子信箱）30726534＠qq．com。

收稿日期：2015－01－26；修回日期：2015－03－17

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－5485（2016）03－0093－05