礫質(zhì)滑帶土剪切特性試驗(yàn)研究

，，

(1.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)重慶市高校水工建筑物健康診斷技術(shù)與設(shè)備工程研究中心，重慶400074)

三峽庫(kù)區(qū)滑坡治理工程的大量資料表明，滑帶土的抗剪強(qiáng)度對(duì)滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和滑坡治理工程設(shè)計(jì)有很大影響。對(duì)滑帶土力學(xué)行為的研究主要集中在剪切強(qiáng)度和變形特性上，其基本研究方法可以概括為：試驗(yàn)和理論研究相結(jié)合、微觀和宏觀研究相結(jié)合[1]。最基本也最有效的方法為：通過室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合理論研究分析滑帶土的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、完全軟化強(qiáng)度和長(zhǎng)期剪切強(qiáng)度[2]；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)雖然也是一種有效的研究方法，但與室內(nèi)試驗(yàn)相比，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高昂、方法較單一的缺點(diǎn)。

目前，為滿足滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和滑坡災(zāi)害防治的需要，在滑帶土研究上已積累了大量的工程地質(zhì)研究成果，這些成果主要體現(xiàn)在滑帶土的強(qiáng)度特性方面[1]。一方面，土體抗剪參數(shù)具有較為明顯的區(qū)域特征[3]；另一方面，滑帶土又具有不同于其他類型土的結(jié)構(gòu)、成分及受力特性，如一般均含碎石[4]，歷史上大多受過剪切變形。目前的滑帶土研究，大多數(shù)都是以一般的細(xì)粒黏性土為研究對(duì)象進(jìn)行的[5—7]，劉小麗等[1]對(duì)此進(jìn)行過系統(tǒng)的總結(jié)和分析，指出研究工作中應(yīng)加強(qiáng)特殊滑帶土(如礫質(zhì)滑帶土)的研究、推動(dòng)新的試驗(yàn)技術(shù)和研究方法的發(fā)展以及正確運(yùn)用反分析法等。值得注意，三峽庫(kù)區(qū)滑帶土的明顯特征為：多數(shù)含有一定量的碎石[4]。而礫石對(duì)于滑帶土的剪切特性有著明顯的影響[8-9]。

正交試驗(yàn)法是一種利用正交表科學(xué)地安排和研究多因素多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，正交試驗(yàn)法根據(jù)正交性原理，在全面試驗(yàn)中選出一部分具有代表性的試驗(yàn)進(jìn)行研究，這些被挑選出來的試驗(yàn)點(diǎn)均勻分散，整齊,同時(shí)具有可比性。正交試驗(yàn)法具有效率高、更快速、更經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[10]。正交表是一種規(guī)范化的根據(jù)正交原理設(shè)計(jì)的表格，是進(jìn)行正交試驗(yàn)時(shí)安排試驗(yàn)和分析試驗(yàn)結(jié)果的基本工具。其符號(hào)為L(zhǎng)n(rm)。其中，L為正交表代號(hào)；n為正交表橫行數(shù)，反映需要做的試驗(yàn)次數(shù)；r為各因素的水平數(shù)；m為正交表縱列數(shù)，反映最多可安排的因素?cái)?shù)。例如L8(27)，表示該正交表最多可安排7個(gè)2水平的因素，需要進(jìn)行8次試驗(yàn)，而相應(yīng)的7因素2水平全面試驗(yàn)的次數(shù)為：27=128次，顯然大大減少了試驗(yàn)次數(shù)[11]。

為研究三峽庫(kù)區(qū)礫質(zhì)滑帶土剪切特性，本文采用人工重塑土樣，模擬三峽庫(kù)區(qū)采集的礫質(zhì)滑帶土，采用直剪試驗(yàn)對(duì)其在不同法向壓力下的剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、剪切強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)研究，并結(jié)合正交試驗(yàn)，分析和討論礫質(zhì)滑帶土剪切特性的影響因素。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)選用DZ-4型電動(dòng)四聯(lián)直剪儀(圖1)，重塑土試樣的尺寸為φ61.8 mm×H20 mm。四聯(lián)直剪儀由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)變速箱變速后，得到各檔轉(zhuǎn)速，再將推力傳遞給剪切盒，法向應(yīng)力通過懸掛不同砝碼控制，剪切位移和法向位移通過水平和垂直方向上的千分表分別讀取并記錄。

圖1 試驗(yàn)儀器

1.2 試驗(yàn)材料

對(duì)三峽庫(kù)區(qū)多處采集到的礫質(zhì)滑帶土的組成成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要成分均為高塑性黏土，含有的礫石以砂巖或泥巖為主。故本文采用高塑性黏土與砂巖、泥巖礫石混合的重塑土來模擬三峽庫(kù)區(qū)礫質(zhì)滑帶土。試驗(yàn)用黏土為采自重慶地區(qū)的天然土料，其基本物理性質(zhì)為：土粒比重Gs=2.71，液限wL=50%，塑限wP=30%，塑性指數(shù)Ip=20；試驗(yàn)用礫石料采自長(zhǎng)江沿岸典型砂巖-泥巖互層地層。

對(duì)三峽庫(kù)區(qū)多處采集到的礫質(zhì)滑帶土進(jìn)行篩分，并按照試驗(yàn)粒徑與原粒徑1∶10的比例進(jìn)行縮尺，運(yùn)用相似級(jí)配法和等量替代法處理超粒徑顆粒后，得到a、b、c 3種級(jí)配，試驗(yàn)用礫石級(jí)配見表1。

表1 礫石級(jí)配 %

根據(jù)前期擊實(shí)試驗(yàn)研究，確定了不同礫石含量和不同礫石種類條件下的重塑土最優(yōu)含水率和最大干密度(表2)。

表2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方案

a) 為了研究礫石含量、礫石級(jí)配、礫石強(qiáng)度等因素各自對(duì)礫質(zhì)滑帶土剪切特性的影響，采用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于本文研究的3個(gè)因素，每次試驗(yàn)僅選定1個(gè)因素為變量，保持另外2個(gè)因素不變，以此研究單個(gè)因素變化對(duì)礫質(zhì)滑帶土剪切特性的影響。試驗(yàn)方案見表3。

表3 單變量試驗(yàn)方案

按表3試驗(yàn)方案，在DZ-4型四聯(lián)直剪儀上進(jìn)行快剪試驗(yàn)，每個(gè)試樣分別施加4種法向應(yīng)力：100、200、300、400 kPa，為避免偶然性，每次試驗(yàn)安排3組平行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值。根據(jù)SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》，試驗(yàn)采用的剪切速率為1.2 mm/min，剪切位移為6 mm。

b) 為了獲得各影響因素對(duì)礫質(zhì)滑帶土剪切強(qiáng)度參數(shù)的影響程度大小排序，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用3因素3水平正交試驗(yàn)方案，設(shè)定3個(gè)因素，分別為礫石含量、礫石級(jí)配、礫石強(qiáng)度；礫石含量、礫石級(jí)配各選取3個(gè)水平，礫石強(qiáng)度選取2個(gè)水平；不考慮因素之間的交互作用，最終選用L9(34)正交表安排試驗(yàn)。其中，對(duì)于礫石種類的水平采用擬水平法設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)因素水平安排見表4，具體試驗(yàn)方案見表5。法向應(yīng)力、剪切速率、剪切位移等條件與a)相同。

表4 因素水平

注：A——礫石含量；B——礫石級(jí)配；C——礫石種類。下表同

表5 正交試驗(yàn)方案

2 控制變量的試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 礫石含量對(duì)礫質(zhì)滑帶土剪切特性影響

通過不同礫石含量下的滑帶土直剪試驗(yàn)，得到黏聚力、內(nèi)摩擦角與礫石含量之間的關(guān)系曲線，以及礫質(zhì)滑帶土剪切強(qiáng)度與礫石含量之間的關(guān)系。

圖2是礫石含量與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，內(nèi)摩擦角隨礫石含量的增加而增大。內(nèi)摩擦角增大的主要原因是礫石含量增加后，經(jīng)過團(tuán)?；淖饔茫徊糠执诸w粒礫石被細(xì)粒的黏性土包裹，從而形成較大的團(tuán)粒，其余未被包裹的礫石與黏土充填于較大團(tuán)粒之間的孔隙中，增大了顆粒之間的咬合力，進(jìn)而提高了顆粒之間的摩擦作用，使礫質(zhì)滑帶土的內(nèi)摩擦角增大；另一方面，隨著礫石含量的增大，礫質(zhì)滑帶土中的砂巖顆粒更容易建立完整的砂骨架，進(jìn)而更顯著地增大滑帶土的內(nèi)摩擦角。礫石含量增加后，滑帶土的黏聚力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，原因主要在于黏土中加入的砂巖顆粒，砂巖顆粒本身沒有黏聚力，砂巖顆粒含量增加后，降低了黏土顆粒之間的膠結(jié)作用，從而使黏聚力減小。

圖2 礫石含量～黏聚力～內(nèi)摩擦角

圖3是礫石含量與滑帶土剪切強(qiáng)度的關(guān)系。由曲線圖可得，滑帶土的剪切強(qiáng)度隨著礫石含量的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。主要原因是：砂巖的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于黏性土，黏性土中砂巖顆粒含量增加，提高了土體的強(qiáng)度。當(dāng)試樣受到剪切力時(shí)，試樣中的砂礫相互擠壓，砂巖顆粒含量越大，越容易形成完整的砂巖骨架，因而礫石含量越大剪切強(qiáng)度越大。

圖3 礫石含量～剪切強(qiáng)度

2.2 級(jí)配對(duì)礫質(zhì)滑帶土剪切特性影響

為進(jìn)一步研究礫石級(jí)配對(duì)滑帶土的剪切強(qiáng)度特性的影響，在礫石含量為30%的條件下，按不同級(jí)配(a、b、c)配置礫石，進(jìn)行直剪試驗(yàn)，整理出礫質(zhì)滑帶土黏聚力和內(nèi)摩擦角與礫石級(jí)配之間的關(guān)系曲線，以及礫石滑帶土剪切強(qiáng)度與礫石級(jí)配之間的關(guān)系。

圖4是礫石級(jí)配與黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線。在a、b、c 3種級(jí)配中，級(jí)配a的平均粒徑d50為1.35 mm，級(jí)配b的d50為0.55 mm，c的d50為0.35 mm，從圖中可以看出，其他因素不變的條件下，內(nèi)摩擦角和黏聚力均隨平均粒徑d50的減小而減小。內(nèi)摩擦角的減小的原因是：礫石粒徑的減小導(dǎo)致剪切面的不整合度降低，土體的咬合力下降；黏聚力降低的原因是：滑帶土的黏聚力主要來源于黏土的膠凝作用，滑帶土礫石含量一定時(shí)，礫石粒徑越小，礫石的顆粒數(shù)量越多，對(duì)黏土的膠凝作用削弱越大。因此，黏聚力和內(nèi)摩擦角值均隨平均粒徑d50的減小而減小。

圖4 礫石級(jí)配～黏聚力～內(nèi)摩擦角

圖5反映了礫石級(jí)配與滑帶土剪切強(qiáng)度的關(guān)系。從圖中可以看出其他因素不變的條件下，礫質(zhì)滑帶土的剪切強(qiáng)度與礫石顆粒粒徑之間的關(guān)系是：礫石粒徑越小，剪切強(qiáng)度越小。試驗(yàn)結(jié)果符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

τf=c+σtanφ

(1)

式中τf——剪切強(qiáng)度，kPa；c——黏聚力，kPa；φ——內(nèi)摩擦角，(°)；σ——正應(yīng)力，kPa。

礫石粒徑的減小降低了重塑土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角，根據(jù)摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則可知剪切強(qiáng)度隨礫石粒徑的減小而減小。

圖5 礫石級(jí)配～剪切強(qiáng)度

2.3 礫石種類對(duì)礫質(zhì)滑帶土剪切特性影響

表6為礫石強(qiáng)度與礫質(zhì)滑帶土剪切強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系表。從表中可以看出，含砂巖滑帶土的黏聚力值和內(nèi)摩擦角值均大于含泥巖滑帶土。

表6 礫石種類與黏聚力及內(nèi)摩擦角關(guān)系

圖6為礫石種類與礫質(zhì)滑帶土剪切強(qiáng)度的關(guān)系曲線。由圖可知，含砂巖滑帶土的剪切強(qiáng)度大于含泥巖滑帶土，但差值相對(duì)較小。一方面，砂巖的強(qiáng)度高于泥巖，導(dǎo)致剪切過程中形成的砂巖骨架強(qiáng)度高于泥巖骨架；另一方面，由于黏土的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于礫石強(qiáng)度，因此剪切過程中應(yīng)力和應(yīng)變主要還是通過黏土進(jìn)行調(diào)整，因此礫石自身的強(qiáng)度對(duì)礫質(zhì)滑帶土剪切強(qiáng)度影響不大。

圖6 礫石種類～剪切強(qiáng)度

3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

黏聚力和內(nèi)摩擦角是重要的剪切強(qiáng)度參數(shù)，確定礫石含量、礫石級(jí)配、礫石種類對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的主次影響，對(duì)研究礫質(zhì)滑帶土的剪切特性具有重要意義。根據(jù)既定正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。運(yùn)用極差分析法分析試驗(yàn)結(jié)果，2種參數(shù)極差分析見表8。

其中Ki分別表示第各列因素第i水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)值之和，例如第一列K1=5.34+6.93+8.945=21.216，以此類推，可得其他值。

ki=Ki/s

(2)

式中s——任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù)。k1、k2、k3分別表示任意一列上當(dāng)因素取水平i時(shí)所得試驗(yàn)指標(biāo)值的算術(shù)平均值，例如本次試驗(yàn)s=3，k1=4.31/3=1.44，以此類推可得其他值。值得注意的是，由于采用擬水平法，因素C的2水平在試驗(yàn)中出現(xiàn)6次，因此C因素k3=K3/6=97.968。

R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}

(3)

極差R反映了各因素的水平波動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)變動(dòng)幅度，值越大，說明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)值影響越大。例如第1列R=18.427，以此類推可得其他值。

由表7易得各因素對(duì)2種指標(biāo)值的影響大小排序。對(duì)于內(nèi)摩擦角，各因素大小排序?yàn)锳>B>C，即礫石含量影響最大，礫石級(jí)配次之，礫石種類影響最小；對(duì)于黏聚力，各因素大小排序?yàn)锽>A>C，即礫石級(jí)配影響最大，礫石含量次之，礫石種類影響最小。

4 結(jié)論

通過直剪試驗(yàn)，結(jié)合正交試驗(yàn)理論，得出了礫石含量、礫石級(jí)配、礫石種類對(duì)礫質(zhì)滑帶土剪切特性的影響以及3種因素的敏感性排序。

a) 隨礫石含量增加，內(nèi)摩擦角增大，黏聚力降低，剪切強(qiáng)度提高；隨平均粒徑d50的減小，內(nèi)摩擦角和黏聚力均減小，剪切強(qiáng)度降低；含砂巖滑帶土的黏聚力值、內(nèi)摩擦角值以及剪切強(qiáng)度均略大于含泥巖滑帶土。

b) 對(duì)于內(nèi)摩擦角，各因素影響大小排序?yàn)椋旱[石含量>礫石級(jí)配>礫石種類。對(duì)于黏聚力各因素影響大小排序?yàn)椋旱[石級(jí)配>礫石含量>礫石種類。