三峽庫區(qū)滑坡土石混合體剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究

宋 岳 崔 超 李江龍

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 湖北省荊門市水文水資源勘測局， 湖北 荊門 448000)

三峽庫區(qū)土石混合體組成的庫岸邊坡頻頻發(fā)生坍塌、滑坡等自然災(zāi)害，給下游人民的生活造成嚴(yán)重影響．土石混合堆積體在三峽庫區(qū)廣泛分布，同時在全國乃至世界各地均有大量的存在．在具體工程建設(shè)中，土石混合體邊坡是經(jīng)常遇到且須妥善處理的地質(zhì)問題，因此，有必要對三峽庫區(qū)土石混合體進(jìn)行力學(xué)研究．

目前國內(nèi)外學(xué)者在土石混合體方面已有不少研究成果．韓世蓮[1]采用壓縮蠕變試驗(yàn)得到了碎石土的蠕變規(guī)律同時分析了材料粘彈性模型的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)．王宇等[2-4]通過概括土石混合體細(xì)觀的結(jié)構(gòu)特征、模型以及力學(xué)特性的目前成果，指出研究不同尺寸土石混合體的局部變形特征以及建立相關(guān)細(xì)觀損傷演化方程和本構(gòu)方程是未來的研究方向．油新華[5-7]根據(jù)滑帶附近的土石混合體試樣進(jìn)行水平推剪試驗(yàn)，得出了試樣的變形特點(diǎn)和相關(guān)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，為類似滑坡的穩(wěn)定性分析提供一定的依據(jù)．胡峰[8-9]等在土石混合體剪切過程中考慮3個主要結(jié)構(gòu)控制因素，得出了試樣在不同的含石量下內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度的演變過程，對土石混合體滑坡的防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義．趙金鳳等[10-11]利用離散元軟件對土石混合體進(jìn)行剪切數(shù)值模擬，分別從含石量、顆粒粘結(jié)強(qiáng)度、試樣尺度等不同角度對試樣的力學(xué)性質(zhì)展開研究，進(jìn)一步揭示土石混合體細(xì)觀層次的抗剪強(qiáng)度特性規(guī)律．陳立等[12-13]通過建立一套較精細(xì)的細(xì)觀計算模型并模擬土石混合體細(xì)觀破壞的物理機(jī)制，深入的闡明了土石混合的細(xì)觀損傷開裂機(jī)制，擴(kuò)大了描述裂紋發(fā)展規(guī)律的方法手段．

上述系列研究對于正確認(rèn)識和理解土石混合體提供了很好的基礎(chǔ)和參照，但綜合考慮利用現(xiàn)場原位試驗(yàn)圍繞土石混合體的變形破壞特點(diǎn)等力學(xué)特性進(jìn)行探索方面的研究成果較少，本文重點(diǎn)通過沿滑坡處由上至下選取試驗(yàn)點(diǎn)，更為全面的研究土石混合體的力學(xué)特性和相應(yīng)的影響參數(shù)．

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)選取及設(shè)備

樹坪滑坡位于三峽庫區(qū)長江干流南岸岸坡，距沙鎮(zhèn)溪集鎮(zhèn)約5 km，距三峽工程大壩壩址約47 km，位于鄂西山地間的秭歸盆地的滑坡地質(zhì)，屬侵蝕構(gòu)造中、低山地貌類型．滑坡區(qū)為單斜地層，地表覆蓋第四系崩坡積層．滑坡區(qū)巖層總體產(chǎn)狀為165°～120°∠10°～35°，走向與岸坡總體走向近于平行，屬逆向結(jié)構(gòu)岸坡，為了研究的全面性，在沿著滑坡方向選取試驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行了天然狀態(tài)下的野外原位剪切試驗(yàn)．

本試驗(yàn)所采用試樣是取自三峽庫區(qū)樹坪岸邊坡的土石混合體，為全面反映滑坡處試樣的力學(xué)剪切特性，對削坡治理后的樹坪滑坡根據(jù)高程由上至下依次開挖4組試驗(yàn)點(diǎn)，每組試驗(yàn)有3個試樣．每組試驗(yàn)點(diǎn)編號為SPX1、SPX2、SPX3、SPX4，其中SPX1、SPX2、SPX3試驗(yàn)點(diǎn)分別選擇在一、二、三級開挖平臺上，組號SPX1試樣相對原滑坡表面埋深較大，SPX4試驗(yàn)點(diǎn)選擇在坡腳處，高程約比消落帶高15 m．如圖1所示，滑體土制備試樣時，先清除覆蓋層，然后四周開挖溝槽并在挖坑的過程中預(yù)留出試件土體，試樣加工成型尺寸為400 mm×400 mm×500 mm．

如圖2所示，現(xiàn)場試驗(yàn)系統(tǒng)所包括的設(shè)備有：①帶有壓力表的千斤頂：用于對試樣施加垂直壓力和水平力，千斤頂出力滿足預(yù)估的試驗(yàn)壓力，壓力表顯示出千斤頂施加力的大?。诎俜直恚河糜诹繙y試樣的切向移動距離和試樣在垂直壓力下的變形，每個試樣布置4個測點(diǎn)，其中2個測量水平位移，2個測量法向位移．③磁性支座：用于架立百分表．④剪力盒：用于制備試樣，由上盒、下盒兩部分組成，通過軸承連接以減小摩擦，上盒與下盒之間為剪切破壞面，剪切盒為正方形，邊長為40 cm，高度為50 cm(上盒、下盒各25 cm)．⑤垂直壓力加載鋼架：根據(jù)現(xiàn)場條件，采用地錨提供垂直壓力反力．

圖1 原位剪切試樣 圖2 野外剪切設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)《原位剪切試驗(yàn)》(SL237-043-1999)的規(guī)定，原位剪切試驗(yàn)采用平推法，即水平力的作用線通過滑動面，剪切方向與滑動方向一致，具體的加載試驗(yàn)步驟為：

施加法向荷載．在每組試樣上，分別施加不同的垂直荷載，對每個試體分4～5級施加其垂直壓力．采用施加控制加載方式，每5min進(jìn)行加載一次，每次加載后立即讀數(shù)，5 min后第二次讀數(shù)，然后施加下一級荷載．當(dāng)達(dá)到預(yù)定荷載后，仍需每隔5min讀數(shù)一次，當(dāng)連續(xù)兩次垂直變形差值小于0.01 mm時，即可認(rèn)為加載為穩(wěn)定，即可施加水平應(yīng)力．

施加水平力．按時間控制：開始按照最大的剪切荷載的10%分級施加水平力．每1 min進(jìn)行加載一次，施加每級荷載前后需要測讀變形一次．當(dāng)水平力引起的水平變形大于前一級的1.5～2倍時，水平力減至按照5%施加，直到剪斷，剪斷發(fā)生前，同時密切觀察和記錄壓力變化情況及相應(yīng)的水平變形，在整個剪切過程中，看到的讀數(shù)應(yīng)始終為常數(shù)．

根據(jù)以上步驟對另外兩個試樣在不同垂直荷載作用下進(jìn)行剪切試驗(yàn)．每個試樣試驗(yàn)完成后，取相應(yīng)土樣并帶回試驗(yàn)室測定試驗(yàn)后土樣的天然含水率及重度，得出不同組次、不同試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)一步分析試件的抗剪強(qiáng)度劣化規(guī)律．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖3(a)～(d)為4組試樣不同正應(yīng)力下剪切力與剪切位移關(guān)系曲線，每組試樣天然密度見表1，現(xiàn)場剪切試驗(yàn)剪切強(qiáng)度統(tǒng)計見表2，結(jié)合圖表，天然密度試驗(yàn)結(jié)果表明不同試驗(yàn)點(diǎn)不同試樣的天然密度有較小的差距，但變化范圍較小，對土石混合體的抗剪強(qiáng)度影響也較小．

表1 每組試樣的天然密度 (單位：g·cm-3)

表2 現(xiàn)場剪切試驗(yàn)剪切強(qiáng)度統(tǒng)計表

圖3 不同正應(yīng)力下剪切力與剪切位移關(guān)系曲線

1)試件峰值強(qiáng)度隨垂直應(yīng)力的提高而增大，試樣剪切破壞最早在剪切位移2 cm處發(fā)生，大部分峰值強(qiáng)度在5 cm左右出現(xiàn)；正應(yīng)力相同的情況下，SPX1試樣表現(xiàn)出較高的峰值強(qiáng)度，這是由于SPX1試樣相對原滑坡表面埋深較大，風(fēng)化程度較弱產(chǎn)生的影響．

2)4組試件曲線均表現(xiàn)出剪切力前期增長較快，后期增長減緩，曲線斜率(剪切剛度)由大變小呈現(xiàn)連續(xù)變化過程，有峰值強(qiáng)度但不是特別明顯．SPX1、SPX2、SPX3、SPX4組，隨著正應(yīng)力的增加，曲線的彈性階段變長，彈性模量增大．其中在SPX2組中的一個試樣比另外兩個試件表現(xiàn)出較低的峰值強(qiáng)度和彈性模量，由于風(fēng)化程度較為嚴(yán)重，所以造成了其強(qiáng)度與其它試樣相比有大幅度的降低．

3)4組試驗(yàn)的土石混合體剪切試驗(yàn)的尺寸是相同的，從總體來看，4組試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體規(guī)律一致，但也存在差異性．其中SPX1組試件彈性階段增加前期表現(xiàn)出差異性，而SPX2、SPX3、SPX4組在彈性階段后期和屈服階段產(chǎn)生差異，應(yīng)變速度隨著應(yīng)力的增大明顯增大，破裂迅速傳播，本階段應(yīng)力值只有較小增大，而應(yīng)變增幅較大，最終使得試樣在峰值位置發(fā)生破壞．

2.2 試件抗剪強(qiáng)度劣化分析

根據(jù)剪切試驗(yàn)得到試件的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，正壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力曲線如圖4(a)～(d)所示．根據(jù)圖上各點(diǎn)，由回歸分析得到二者的關(guān)系曲線，相關(guān)系數(shù)R2在0.9左右，擬合效果較好，其中直線的傾角為內(nèi)摩擦角φ，直線在縱坐標(biāo)上的截距為土的黏聚力c，見表3．由表可知：

1)SPX1、SPX2、SPX3、SPX4四組土石混合體原位剪切試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角隨著高程的降低逐漸減小，而黏聚力隨著高程的降低逐漸變大．這是因?yàn)榻涤隄B流作用將滑坡高處土石混合體里的粘粒成分帶到滑坡坡腳處，即坡頂至坡腳，含石量隨著高程的降低逐漸變小，含石量高，咬合力大，內(nèi)摩擦角大，黏聚力?。?/p>

2)該滑坡土石混合體的原位剪切試驗(yàn)得到的黏聚力在11.23～21.32 kPa之間，內(nèi)摩擦角在14.71°～34.03°之間．

表3 原位剪切強(qiáng)度參數(shù)值

圖4 剪切強(qiáng)度與正應(yīng)力的關(guān)系曲線

2.3 土石混合體抗剪強(qiáng)度影響參數(shù)研究

分別根據(jù)規(guī)范《含水率試驗(yàn)》(SL237-003-1999)和《顆粒分析試驗(yàn)》(SL237-006-1999)測出不同試樣的含水率和顆粒級配，如表4，圖5所示．不同試點(diǎn)顆粒質(zhì)量百分含量見表5．結(jié)合圖6～7粒徑顆粒質(zhì)量百分含量對內(nèi)摩擦角和粘聚力的影響關(guān)系圖，結(jié)果表明：

1)4組試樣的含水率變化范圍較小，均在18.14%～18.42%之間，對土石混合體的抗剪強(qiáng)度影響較?。?/p>

2)4組試樣的顆粒級配總體分布一致．粒徑大于2 mm顆粒質(zhì)量百分含量在25.10～29.47，粒徑分布均勻，其中，SPX4粒徑大于2 mm顆粒質(zhì)量百分含量最??；而粒徑小于0.5 mm的含量4組試件表現(xiàn)為坡頂和坡腳兩組處偏大，中間兩組含量偏小．

表4 不同試驗(yàn)點(diǎn)試樣的含水率

表5 不同試驗(yàn)點(diǎn)顆粒質(zhì)量百分含量 (單位：%)

圖5 不同試驗(yàn)點(diǎn)土石混合體顆粒級配曲線

圖6 粒徑大于2 mm顆粒質(zhì)量百分含量和內(nèi)摩擦角的關(guān)系

圖7 粒徑小于0.5 mm顆粒質(zhì)量百分含量和黏聚力的關(guān)系

通過圖6對比不同組號粒徑大于2 mm顆粒質(zhì)量百分含量和內(nèi)摩擦角的關(guān)系，表明樹坪滑坡土石混合體內(nèi)摩擦角隨著粒徑大于2 mm顆粒質(zhì)量百分含量變大而變大．通過圖7對比不同組號粒徑小于0.5 mm顆粒質(zhì)量百分含量和黏聚力的關(guān)系，結(jié)果表明樹坪滑坡土石混合體黏聚力隨著粒徑小于0.5 mm顆粒質(zhì)量百分含量變大而變大．

3 結(jié) 論

本文以樹坪滑坡處的土石混合體為研究對象，通過對試樣進(jìn)行水平推剪切試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)本試驗(yàn)對削坡治理后的樹坪滑坡土石混合體進(jìn)行了大型的水平剪切試驗(yàn)，得到試區(qū)的土石混合體沿滑坡由上至下的抗剪強(qiáng)度參考值，粘聚力c在11.23～21.32 kPa之間，內(nèi)摩擦角φ在14.71°～34.03°之間，為類似庫岸滑坡穩(wěn)定性研究，提供了借鑒意見．

2)不同正應(yīng)力下應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特征，隨著正應(yīng)力越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越陡，試件彈性模量變大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的硬化特性越明顯，峰值強(qiáng)度也越大．正應(yīng)力的大小對達(dá)到峰值強(qiáng)度時的應(yīng)變影響較大．正壓力越大，顆粒破壞使產(chǎn)生的摩擦阻力增大，達(dá)到峰值強(qiáng)度時的應(yīng)變值越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線多為應(yīng)變硬化型．試件峰值強(qiáng)度隨垂直應(yīng)力的提高而增大，試樣剪切破壞最少在剪切位移2 cm后發(fā)生，大部分峰值強(qiáng)度在5 cm左右出現(xiàn)．

3)土石混合體內(nèi)摩擦角隨著粒徑大于2 mm顆粒質(zhì)量百分含量變大而變大，黏聚力隨著粒徑小于0.5 mm顆粒質(zhì)量百分含量變大而變大；粒徑較大時，試樣表現(xiàn)出巖性特征，粒徑較小時，試驗(yàn)表現(xiàn)出土性特征．

4)由于原位剪切試驗(yàn)對土體的擾動小，獲取的參數(shù)精確度高，更能反映土的真實(shí)強(qiáng)度，是滑坡勘察中獲取土體強(qiáng)度參數(shù)的一種重要及有效的方法，但由于受到試驗(yàn)條件、試驗(yàn)點(diǎn)較少等的限制，試驗(yàn)存在一定的局限性．如試樣的含水率范圍較小，不能反映出對抗剪強(qiáng)度的影響．因此有必要擴(kuò)大試驗(yàn)區(qū)的范圍和試件數(shù)量，進(jìn)一步細(xì)化因含水率的差異對土石混合體的強(qiáng)度指標(biāo)影響大小，在此基礎(chǔ)上，更為全面的研究土石混合體的力學(xué)特性．