三峽庫區(qū)滑坡土石混合體剪切強度試驗研究

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參數(shù)數(shù)據(jù)．王宇等[2-4]通過概括土石混合體細觀的結(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行水平推剪試驗，得出了試樣的變形特點和相關(guān)的抗剪強度參數(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行剪切數(shù)值模擬，分別從含石量、顆粒粘結(jié)強度、試樣尺度等不同角度對試樣的力學(xué)性質(zhì)展開研究，進一步揭示土石混合體細觀層次的抗剪強度特性規(guī)律．陳立等[12-13]通過建立一套較精細的細觀計算模型并模擬土石混合體細觀破壞的物理機制，深入的闡明了土石混合的細觀損傷開裂機制，擴大了描述裂紋發(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)場原位試驗圍繞土石混合體的變形破壞特點等力學(xué)特性進行探索方面的研究成果較少，本文重點通過沿滑坡處由上至下選取試驗點，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 試驗設(shè)計

1.1 試驗點選取及設(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點，進行了天然狀態(tài)下的野外原位剪切試驗．

本試驗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組試驗點，每組試驗有3個試樣．每組試驗點編號為SPX1、SPX2、SPX3、SPX4，其中SPX1、SPX2、SPX3試驗點分別選擇在一、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試驗點選擇在坡腳處，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)估的試驗壓力，壓力表顯示出千斤頂施加力的大小．②百分表：用于量測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，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 試驗方案

根據(jù)《原位剪切試驗》(SL237-043-1999)的規(guī)定，原位剪切試驗采用平推法，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行剪切試驗．每個試樣試驗完成后，取相應(yīng)土樣并帶回試驗室測定試驗后土樣的天然含水率及重度，得出不同組次、不同試樣的抗剪強度參數(shù)，進一步分析試件的抗剪強度劣化規(guī)律．

2 試驗結(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)場剪切試驗剪切強度統(tǒng)計見表2，結(jié)合圖表，天然密度試驗結(jié)果表明不同試驗點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度影響也較?。?/p>

表1 每組試樣的天然密度 (單位：g·cm-3)

表2 現(xiàn)場剪切試驗剪切強度統(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)出較低的峰值強度和彈性模量，由于風(fēng)化程度較為嚴重，所以造成了其強度與其它試樣相比有大幅度的降低．

3)4組試驗的土石混合體剪切試驗的尺寸是相同的，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 試件抗剪強度劣化分析

根據(jù)剪切試驗得到試件的力學(xué)試驗結(jié)果，以抗剪強度為縱坐標，正壓力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力曲線如圖4(a)～(d)所示．根據(jù)圖上各點，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．這是因為降雨滲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，黏聚力小．

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

表3 原位剪切強度參數(shù)值

圖4 剪切強度與正應(yīng)力的關(guān)系曲線

2.3 土石混合體抗剪強度影響參數(shù)研究

分別根據(jù)規(guī)范《含水率試驗》(SL237-003-1999)和《顆粒分析試驗》(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?。?/p>

表4 不同試驗點試樣的含水率

表5 不同試驗點顆粒質(zhì)量百分含量 (單位：%)

圖5 不同試驗點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，通過對試樣進行水平推剪切試驗，得出以下結(jié)論：

1)本試驗對削坡治理后的樹坪滑坡土石混合體進行了大型的水平剪切試驗，得到試區(qū)的土石混合體沿滑坡由上至下的抗剪強度參考值，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，峰值強度也越大．正應(yīng)力的大小對達到峰值強度時的應(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，達到峰值強度時的應(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，試驗表現(xiàn)出土性特征．

4)由于原位剪切試驗對土體的擾動小，獲取的參數(shù)精確度高，更能反映土的真實強度，是滑坡勘察中獲取土體強度參數(shù)的一種重要及有效的方法，但由于受到試驗條件、試驗點較少等的限制，試驗存在一定的局限性．如試樣的含水率范圍較小，不能反映出對抗剪強度的影響．因此有必要擴大試驗區(qū)的范圍和試件數(shù)量，進一步細化因含水率的差異對土石混合體的強度指標影響大小，在此基礎(chǔ)上，更為全面的研究土石混合體的力學(xué)特性．