土石混合介質(zhì)堆積體力學(xué)特性試驗(yàn)研究

楊繼紅， 齊丹， 鄭珠光， 李嚴(yán)威， 王闖

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

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土石混合介質(zhì)堆積體力學(xué)特性試驗(yàn)研究

楊繼紅， 齊丹， 鄭珠光， 李嚴(yán)威， 王闖

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

由于堆積體邊坡物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變性，其變形和穩(wěn)定性成為工程建設(shè)中極為關(guān)注和亟待解決的問(wèn)題之一。以三峽庫(kù)區(qū)一典型堆積體邊坡為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和取樣結(jié)果，通過(guò)室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，研究不同含水率、含石量以及密實(shí)度情況下堆積體抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：細(xì)粒土含量越多，含水率對(duì)土石混合堆積體強(qiáng)度的影響越明顯；當(dāng)含石量在70%以上時(shí)，抗剪強(qiáng)度有急劇增大的趨勢(shì)，堆積體試樣的強(qiáng)度隨密實(shí)度的增大而增大。研究結(jié)果不僅為堆積體變形和穩(wěn)定分析提供基礎(chǔ)資料，也為類似工程建設(shè)中遇到的堆積體邊坡問(wèn)題提供一定的參考。

土石混合介質(zhì)堆積體；抗剪強(qiáng)度；大型直剪試驗(yàn)；密實(shí)度；含石量；含水率

土石混合體[1]是一種經(jīng)受一定地質(zhì)作用形成的特殊土體，其物質(zhì)組成是以礫石、塊石與砂土、黏土等為主，這種地質(zhì)材料既不同于一般的均勻土體，又不同于一般的碎裂巖體，而是介于均勻土體和碎裂巖體之間的一種特殊地質(zhì)工程材料，有其特殊的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特性[2]。在大多數(shù)的巖土工程與地質(zhì)工程領(lǐng)域中經(jīng)常碰到土石混合堆積體，例如土石壩工程中的礫石土、露天礦的廢土石邊坡、建筑工程中的碎石土地基等。這些地質(zhì)體穩(wěn)定性極差，災(zāi)害頻發(fā)，其治理與減災(zāi)也成為尤為關(guān)鍵的問(wèn)題。據(jù)調(diào)查，川藏公路沿線八一至然烏段400 km 發(fā)育的7個(gè)大型滑坡中就有6個(gè)是土石混合體滑坡，僅易貢滑坡形成土石混合堆積體的體積就達(dá)3億m3[3-5]。因此，研究土石混合堆積體具有重要的工程價(jià)值。

對(duì)于天然狀態(tài)下的土石混合堆積體，含石量、含水率、塊石形態(tài)和分布都是影響其力學(xué)性質(zhì)的重要因素。目前對(duì)土石混合體的宏觀研究及力學(xué)特性研究也主要集中在含石量[6]、含水率[7]及塊石的排列方式這幾項(xiàng)影響因素上，而對(duì)特定含石量條件下不同含率、不同密實(shí)度對(duì)堆積體抗剪強(qiáng)度特性影響的研究相對(duì)較少。因此，筆者通過(guò)室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)對(duì)一定含水率條件下不同含石量、特定含石量條件下不同含水率以及不同密實(shí)度條件下堆積體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究，深入分析含水率、含石量、密實(shí)度等對(duì)堆積體抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 大型直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)設(shè)備采用成都華東卓越科技有限公司的ZJ50-2G-大型應(yīng)變控制式直剪儀。該儀器可準(zhǔn)確控制剪切速率，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)試樣進(jìn)行垂直壓力、水平壓力的加載，并通過(guò)4個(gè)豎向位移傳感器、1個(gè)水平位移傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，可在剪切過(guò)程中得到剪應(yīng)力-水平位移曲線和黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

從三峽庫(kù)區(qū)選取一處具有代表性的堆積體邊坡，采集室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)所需的試驗(yàn)材料，在非飽和狀態(tài)下進(jìn)行不同法向應(yīng)力(100、200、300 kPa)的室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)。試樣的最大粒徑為80 mm，將試樣分為3組進(jìn)行直剪試驗(yàn)：①含水率為16%，含石量及密實(shí)度不同，具體見(jiàn)表1；②含石量分別為30%、60%、80%，含水率及密實(shí)度不同，具體見(jiàn)表2；③含水率為16%，含石量為60%，密實(shí)度不同，具體見(jiàn)表3。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)試，配置不同含石量的重塑樣，其級(jí)配曲線如圖1所示。

表1 第1組試樣的基本性能指標(biāo)

表2 第2組試樣的基本性能指標(biāo)

表3 第3組試樣的基本性能指標(biāo)

圖1 不同含石量重塑樣的粒徑分布曲線

試樣直徑500 mm，高度400 mm，體積0.079 m3，本次試驗(yàn)采用快剪的剪切方式，剪切速率設(shè)定為0.8～0.9 mm/min，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)，當(dāng)剪應(yīng)力有峰值時(shí)取峰值；當(dāng)剪應(yīng)力無(wú)峰值時(shí)，水平應(yīng)變應(yīng)達(dá)到10%～20%，本次試樣應(yīng)變?nèi)?6%，即水平位移達(dá)到80 mm時(shí)停止剪切。試驗(yàn)采用的粒徑比，即最大允許粒徑與試樣直徑之比dmax/D為0.16。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 含石量對(duì)土石混合體抗剪強(qiáng)度的影響

對(duì)第1組試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，土石混合堆積體中不同含石量對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響如圖2所示，直剪數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表4，將數(shù)據(jù)結(jié)果繪成τ-σ抗剪強(qiáng)度線，如圖3所示。不同法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度與含石量的關(guān)系曲線如圖4所示。不同含石量重塑樣的對(duì)比如圖5所示。

圖2 含石量對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響變化曲線

含水率/%含石量/%黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)1030.3236.983032.4838.984040.1141.65165058.5638.156057.1040.447072.1044.308075.8145.51

圖3 τ-σ抗剪強(qiáng)度線

圖4 不同法向應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度-含石量關(guān)系曲線

圖5 不同含石量重塑樣對(duì)比圖

由圖2可知，隨著塊石含量的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均表現(xiàn)出增大趨勢(shì)，其中黏聚力增大趨勢(shì)較為明顯，而內(nèi)摩擦角增大趨勢(shì)相對(duì)不明顯。從圖5的重塑樣對(duì)比圖可以直觀地看出，在含水率相同的條件下，隨著含石量的增大，級(jí)配中粗顆粒的組成部分不斷增加，細(xì)顆粒組成部分不斷減少，試樣內(nèi)的空隙也就越多，一般顆粒越粗，形狀往往越不規(guī)則，磨圓與磨光的程度較差，表面越是粗糙，土石顆粒表面的摩擦阻力越大，則土石混合體的抗剪強(qiáng)度也就越大。

由圖3—4可以看出：含石量對(duì)強(qiáng)度的影響變化可分為3個(gè)區(qū)間段，當(dāng)含石量小于30%時(shí)，土石混合體的強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；含石量介于40%～60%時(shí)，土石混合體的強(qiáng)度并沒(méi)有呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì)；當(dāng)含石量大于70%時(shí)，再次出現(xiàn)緩慢變大的情況。當(dāng)含石量小于30%時(shí)，細(xì)粒土含量較多，塊石含量很少，不足以使試樣內(nèi)部產(chǎn)生塊石與塊石間的較大間隙，因而其宏觀強(qiáng)度主要取決于土體，進(jìn)而表現(xiàn)出土體的特性；當(dāng)含石量大于70%時(shí)，塊石含量較多，反而細(xì)粒土含量較少，塊石與塊石直接接觸，試樣內(nèi)的空隙較多，宏觀強(qiáng)度由塊石間的咬合力、摩擦力承擔(dān)，表現(xiàn)出巖石的特性。

2.2 含水率對(duì)土石混合體抗剪強(qiáng)度的影響

對(duì)第2組試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，含水率對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響如圖6和圖7所示，將數(shù)據(jù)結(jié)果繪成τ-σ抗剪強(qiáng)度線如圖8所示。

表5 試樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果

圖6 含水率對(duì)黏聚力的影響

圖7 含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響

圖8 τ-σ抗剪強(qiáng)度線

由圖6—8可知：當(dāng)含石量為30%時(shí)，黏聚力的變小趨勢(shì)最明顯，含石量為60%時(shí)，黏聚力變小趨勢(shì)較明顯，當(dāng)含石量為80%時(shí)，黏聚力幾乎沒(méi)有變化。因30%含石量的試樣內(nèi)細(xì)小黏土粒含量較多，而黏土粒隨著含水率的增加，結(jié)合水膜也慢慢變厚，土粒之間分子力減弱，從而黏聚力顯著變小；當(dāng)含石量為60%時(shí)，細(xì)小的黏粒土含量較少，因而隨含水率的變化，其對(duì)土石混合體黏聚力的影響也較?。划?dāng)含石量達(dá)到80%時(shí)，由于細(xì)顆粒含量很少，因而隨含水率變化，其黏聚力幾乎沒(méi)有變化。隨著含水率的增加，土石混合體在含石量為30%、60%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度都有逐漸減小的趨勢(shì)，含石量為80%時(shí)，抗剪強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化，不再呈現(xiàn)有遞增或遞減的規(guī)律。

因此可以得出：土石混合體中碎塊石主要是硬巖，當(dāng)其含石量低于某一低臨界含石量即處于低含石量狀態(tài)時(shí)，隨著含石量的降低，含水率對(duì)土石混合體黏聚力的影響較為顯著，其性質(zhì)取決于細(xì)顆粒特性；當(dāng)處于中等含石量狀態(tài)時(shí)，隨著含石量的降低，含水率對(duì)土石混合體黏聚力的影響明顯沒(méi)有低含石量顯著，但也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，此時(shí)，細(xì)顆粒和塊石的特性都對(duì)土石混合體的性質(zhì)起重要作用；當(dāng)其含石量高于某一臨界含石量即處于高含石量狀態(tài)時(shí)，含水率對(duì)土石混合體黏聚力沒(méi)有影響，其性質(zhì)則取決于粗顆粒塊石的特性。

2.3 密實(shí)度對(duì)土石混合體抗剪強(qiáng)度的影響

考慮到堆積體在自然堆積形成的過(guò)程中可能處于不同的密實(shí)度狀態(tài)，分別配置了3種不同干密度的重塑樣(即第3組試樣)：分層自然填制(干密度1.8×103kg/m3)、分層輕微擊實(shí)(干密度2.0×103kg/m3)、分層擊實(shí)(干密度2.2×103kg/m3)。

對(duì)第3組試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6，將結(jié)果繪成τ-σ抗剪強(qiáng)度線，如圖9所示。土石混合堆積體的密實(shí)度變化對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響如圖10所示。

表6 試樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果

圖9 τ-σ抗剪強(qiáng)度線

圖10 密實(shí)度對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響曲線

由圖9—10可以看出，土石混合體的抗剪強(qiáng)度隨密實(shí)度的增大而變大，其中，黏聚力比內(nèi)摩擦角增大較明顯。隨著土石混合體干密度的增大，碎塊石間的咬合(連鎖)作用變強(qiáng)，即土粒、石粒間的空隙越小，接觸越緊密，黏聚力就越大。由此可得，土石混合體的干密度越大，試樣的抗剪強(qiáng)度越大。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)隨著塊石含量的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均表現(xiàn)出增大趨勢(shì)，其中黏聚力增大趨勢(shì)較為明顯，而內(nèi)摩擦角增大趨勢(shì)相對(duì)不明顯。

2)在含水率為16%的情況下，當(dāng)含石量小于30%時(shí)，土石混合體抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；含石量為40%～60%時(shí)，抗剪強(qiáng)度并沒(méi)有呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；當(dāng)含石量大于70%時(shí)，抗剪強(qiáng)度緩慢增大。

3)當(dāng)含石量小于70%時(shí)，隨著含水率增大，土石混合體的抗剪強(qiáng)度呈逐漸減小的趨勢(shì)。對(duì)比試驗(yàn)中3種典型含石量情況，當(dāng)含石量為30%時(shí)，黏聚力變小趨勢(shì)最為明顯；含石量為80%時(shí)，黏聚力幾乎沒(méi)有變化。對(duì)于此次試驗(yàn)中3種典型含石量的試樣，含水率對(duì)土石混合體的抗剪強(qiáng)度影響由大到小依次為30%、60%、80%。

4)土石混合體的干密度越大，其抗剪強(qiáng)度越大，且黏聚力較內(nèi)摩擦角增大的趨勢(shì)更明顯。

[1]徐文杰,胡瑞林.土石混合體概念、分類及意義[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009,36(4):50-70.

[2]廖秋林,李曉,郝釗,等.土石混合體的研究現(xiàn)狀及研究展望[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,14(6):800-807.

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(責(zé)任編輯：?jiǎn)檀淦?

Experimental Study on Mechanical Properties of Soil-rock Mixture

YANG Jihong, QI Dan, ZHENG Zhuguang, LI Yanwei, WANG Chuang

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Because of the complicated structure and complex of the material composition and structure, the deformation and stability of talus slope is one of the most concerned and urgent solved problems in engineering construction. Taking a typical talus slope in Three Gorges Reservoir Area as an example in this article, based on the field investigation and sampling, the change characteristics of shear strength of soil-rock mixture was investigated under different water content, rock content and the compactness by large-scale direct-shear test in the lab.The results show: the more the content of fine-grained soil, the more obvious the effect of water content on the strength of soil-rock mixture; when the rock content is above 70%, the shear strength increases rapidly, the strength of the samples increases with the increase of the compactness. The research results not only provide basic data for the deformation and stability analysis of soil-rock mixture, but also provide a reference for the problems of talus slope in similar engineering construction.

soil-rock mixture; shear strength; large-scale direct-shear test; compactness; rock content; water content

2015-12-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41102203)；河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目(70593)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201301034)；華北水利水電大學(xué)2014年“青年科技創(chuàng)新人才支持計(jì)劃”項(xiàng)目(70430)。

楊繼紅(1976—),女,河南鄭州人,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事邊坡穩(wěn)定性分析及失穩(wěn)機(jī)制方面的研究。E-mail:yjh04616@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.010

TV16

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1002-5634(2016)03-0050-04