粗粒含量對含粗粒滑帶土剪切特性影響研究★

李鴻釗 李澤闖 袁安泰 趙金炎 蘇新成

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

滑坡出現(xiàn)，對人民生活、經(jīng)濟建設(shè)和人民財產(chǎn)造成巨大的損失，滑坡滑帶土存在于多數(shù)滑坡的滑床與滑體之間，成為滑坡中力學(xué)強度最低的軟弱帶。大量滑坡的滑帶土勘察數(shù)據(jù)表明，土質(zhì)滑坡的滑帶土多為含粗粒土，即根據(jù)SL 237—1999土工試驗規(guī)程，試樣中粗粒組質(zhì)量為總質(zhì)量的25%～50%的土。對含粗?；瑤恋难芯坑泻芏鄦栴}。首先，現(xiàn)在對其力學(xué)性質(zhì)的研究沒有好的方法；除此之外，力學(xué)參數(shù)取值是一個備受討論的話題，很少研究不同粗顆粒含量和其他因素作用下參數(shù)變化情況。

含粗粒土的粗粒含量是決定其變形破壞的關(guān)鍵因素，對其力學(xué)性能有著重要的影響。Shakoor等[1]對含粗粒土進行過直接剪切試驗，得到含石率增加，含粗?；瑤猎嚇拥臒o側(cè)限抗壓強度下降[2]。提出了一種基于加利福尼亞弗朗西斯卡地區(qū)滑坡現(xiàn)場分析的反演方法，可用于評測不同巖土體的力學(xué)特性。Vallejo等[3，4]探討了粗粒含量對含粗?；瑤量辜魪姸燃捌鋬?nèi)部孔隙比的影響。方慶軍等[5]利用光學(xué)測試技術(shù)，獲取試樣觀測面在荷載作用下連續(xù)變化的數(shù)字圖像，并結(jié)合數(shù)字相關(guān)法，進行試樣表面相對位移場的測量，以確定剪切帶通過的區(qū)域，進而確定剪切帶細(xì)觀結(jié)構(gòu)的觀測區(qū)域。

本項研究利用室內(nèi)直剪儀，借助有機鋼化玻璃對剪切盒進行可視化改造，在鋼化玻璃前放置高清數(shù)字視頻錄制設(shè)備，錄攝剪切盒中含粗粒土試樣中的土顆粒的變化情況，研究滑坡滑帶土的力學(xué)行為特性。首先進行滑帶土野外取樣，通過調(diào)整滑帶土的粗粒含量得到不同類別的滑帶土重塑試樣，利用室內(nèi)剪切試驗得到滑帶土抗剪強度參數(shù)。通過這些研究，希望能對今后滑坡滑帶土強度參數(shù)的選取提供參考。我們把含粗?；瑤恋暮暧^的力學(xué)特征與細(xì)觀參數(shù)聯(lián)系起來，完善滑帶土受力后的宏、細(xì)觀機理。

1 試驗方法

實驗室試驗是滑帶土力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)，這方面的研究一直是巖土工程專家學(xué)者的熱點，直剪試驗由于其操作簡便、適用范圍廣而應(yīng)用最為普遍。直剪試驗儀器雖在近年得到了發(fā)展，但仍存在不足，由于傳統(tǒng)剪切盒均是由不透明的鋼板制作而成，很難直接觀測到試樣在剪切過程中粗顆粒錯動、剪碎、翻滾等細(xì)觀參數(shù)的變化情況。

傳統(tǒng)的直剪試驗只能得出土體的強度參數(shù)，而無法探究含粗粒土在受剪時的土顆粒的運動變形過程，為了測出含粗粒土在受剪時的變形狀態(tài)，需要對剪切盒進行可視化改造。本項研究將上剪切盒由完全透明的有機鋼化玻璃制成，上剪切盒主體為83 mm×83 mm×25 mm的長方體(見圖1)。可直接觀測含粗粒土的變形破壞情況。通過觀察顆粒運動及土體變形，能更加深刻的了解含粗粒土剪切破壞情況及理解直剪試驗的原理，從而更好地理解含粗粒土的受力情況和剪切帶的發(fā)育過程。

利用高清數(shù)字視頻錄制設(shè)備通過透明的有機玻璃錄攝剪切盒中土顆粒變化情況，由數(shù)字圖像細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析軟件，統(tǒng)計分析含粗?；瑤令w粒長軸定向等細(xì)觀組構(gòu)參量的變化規(guī)律。

試驗其他方面可按照直剪試驗要求操作，首先配置試樣，測定原狀土的成分，并使用一組不同孔徑大小的標(biāo)準(zhǔn)土壤篩分離一定量的對應(yīng)于篩孔尺寸的土粒，通過稱重得到各組的質(zhì)量，即可得到各粒組相對含量。此試驗的含粗粒土重塑樣細(xì)粒組含量與原狀樣相同，不斷增加粗粒含量部分，粒徑為2 mm～0.5 mm，0.5 mm～0.25 mm和0.25 mm～0.075 mm間顆粒質(zhì)量相同程度增加。根據(jù)相關(guān)公式計算粗粒干土和水的質(zhì)量。將分層的土放入置于電子秤上的容器中，慢慢將水噴入其中，防止加水過量。

本次試驗采用應(yīng)變控制式直剪儀，所需環(huán)刀尺寸為直徑61.8 mm，高度20 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法進行試驗，得出不同垂直壓應(yīng)力P(100 kPa,200 kPa,300 kPa, 400 kPa)對應(yīng)的抗剪強度τ，τ和P符合庫侖方程，繪制τ—P關(guān)系曲線，得出抗剪強度指標(biāo)內(nèi)摩擦角Φ和粘聚力C。

直剪試驗過程中，剪切面附近上剪切盒中顆粒會因受力而運動，可視化剪切盒可以使直剪試驗中土顆粒的受剪過程直觀的展現(xiàn)出來，利用高清數(shù)碼攝錄裝置記錄下來，并利用圖像處理軟件進行分析處理(見圖2)。

2 試驗結(jié)果

直剪試驗研究表明：粗粒含量的變化會引起滑動帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，從而對滑動帶抗剪強度產(chǎn)生影響。當(dāng)含粗粒土中粗粒含量大于25%并小于30%時，抗剪強度基本上決定于細(xì)粒土；粗粒含量在30%～50%時，粗細(xì)粒的組合一起決定抗剪強度，抗剪強度隨著粗粒含量的上升而迅速增大。

本項研究嘗試運用數(shù)字圖像分析軟件，對滑動帶滑動過程細(xì)觀圖像進行處理分析，發(fā)現(xiàn)：含粗?；瑤猎嚇拥拇至：看笥?5%并小于30%時，粗顆粒懸浮于細(xì)顆粒中，可定義為“懸浮結(jié)構(gòu)”；當(dāng)粗顆粒含量在30%～50%時，由于粗顆粒所占比重多，形成骨架，其在受力時起主要作用。開始剪切試驗后，隨著剪位移的增加，剪切盒內(nèi)粗顆粒產(chǎn)生平移、擠壓、轉(zhuǎn)動和錯動，滑動帶中孔隙率逐漸降低。

3 試驗結(jié)論

本項目通過調(diào)整滑帶土粗粒含量得到不同類別的滑帶土重塑試樣，利用直剪試驗得到滑帶土抗剪強度參數(shù)。常規(guī)的直剪試驗無法直接觀察直剪過程中內(nèi)部土樣的變化過程，本項研究利用有機鋼化。玻璃對直剪試驗儀的剪切盒進行可視化改造，借助高清數(shù)碼攝錄裝置觀察含粗粒滑帶土剪切過程中粗顆粒翻轉(zhuǎn)等細(xì)觀情況。所得結(jié)論如下：

1)含粗粒土的抗剪強度特性，當(dāng)粗粒含量在25%～30%范圍時，基本上細(xì)粒土決定含粗粒土的抗剪強度，粗粒含量的增加對抗剪強度的影響很?。淮至：吭?0%～50%時，粗細(xì)粒的組合一起決定抗剪強度，抗剪強度隨著粗粒含量的上升而迅速增大。粗粒含量是決定抗剪強度的主要因素。

2)含粗粒土，由粗粒和細(xì)粒共同組成，當(dāng)含粗粒土中粗粒含量不同時，試樣中粗粒和細(xì)粒的分布狀態(tài)不同，其接觸受力狀態(tài)也不同，當(dāng)粗粒含量在25%～30%范圍時，含粗粒土中粗顆粒所占比例較低，粗顆粒懸浮于細(xì)顆粒中，其工程性質(zhì)與力學(xué)性能的特點類似于細(xì)粒土。其強度主要由細(xì)粒土決定，此時可定義為“懸浮結(jié)構(gòu)”。當(dāng)粗顆粒含量在30%～50%時，由于粗顆粒所占比重多，形成骨架，其在受力時起主要作用，細(xì)顆粒存在于粗顆粒的空隙中。含粗粒土強度由粗顆粒間的嵌鎖和細(xì)粒的膠結(jié)作用構(gòu)成。

3)可視化直剪初期，位移和應(yīng)變分布不均勻，只有部分顆粒表現(xiàn)出較大的位移和剪應(yīng)變，隨著剪切運動的進行，試樣中粗顆粒產(chǎn)生平移、擠壓、錯動和轉(zhuǎn)動，顆粒接觸不斷調(diào)整。