不同含石量條件下土石混合體剪切變形特征的試驗(yàn)研究*

江強(qiáng)強(qiáng) 徐楊青 王 浩

(①中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430064，中國(guó))(②中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071，中國(guó))

0 引 言

土石混合體是指由土體與塊石隨機(jī)混合的一種介于均質(zhì)土體和碎裂巖體之間的極端不均勻巖土松散介質(zhì)(徐文杰等，2009；鐘祖良等，2016)。自然界中土石混合體分布廣泛，在三峽庫(kù)區(qū)，兩岸就分布諸多由殘積層、坡積層、崩滑堆積等組成的松散土石混合體滑坡(鄧清祿等，2000；李曉等，2008)。這類滑坡體結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度剛度較低，在自重及外力作用下，容易產(chǎn)生塑性變形，呈現(xiàn)局部應(yīng)力-應(yīng)變集中區(qū)，進(jìn)而演化形成剪切滑移面，使滑坡的復(fù)活形式趨于多樣化，即不僅有沿土石混合體與基巖接觸面的整體滑動(dòng)，亦不乏在滑體內(nèi)孕育新的次級(jí)滑面而滑移失穩(wěn)(張永雙等，2018)。為此，探究土石混合體的強(qiáng)度和變形特性，對(duì)開(kāi)展土石混合體滑坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)機(jī)制研究具有重要意義。

近些年，隨著土石混合體這一概念被廣泛認(rèn)同后，圍繞其結(jié)構(gòu)要素(含水量、含石量、塊石尺寸、塊石形狀等)與物理力學(xué)特性方面開(kāi)展了一系列研究。徐文杰等(2006)對(duì)金沙江虎跳峽地區(qū)分布的土石混合體進(jìn)行了大量的原位水平推剪試驗(yàn)，對(duì)比了土石混合體在天然和浸水狀態(tài)下的強(qiáng)度特征。廖秋林等(2010)開(kāi)展不同含石量土石混合體室內(nèi)單軸試驗(yàn)，研究彈性模量和抗壓強(qiáng)度與含石量的關(guān)系。歐陽(yáng)振華等(2010)基于室內(nèi)試驗(yàn)探討了含石量、塊石排列、塊石尺寸對(duì)土石混合體力學(xué)性能的影響，指出就土石混合體抗剪強(qiáng)度而言，其影響順序塊石尺寸>含石量>塊石排列。唐建一等(2018)利用土石混合體單剪試驗(yàn)探究了含石量和土石混合體結(jié)構(gòu)形式對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響，指出土石混合體結(jié)構(gòu)特征的的變化是造成了其抗剪強(qiáng)度改變的本質(zhì)原因。楊忠平等(2020)基于離散元數(shù)值模擬方法研究了土石混合體的剪切特性，初步揭示了土石混合體宏觀強(qiáng)度和變形特征的細(xì)觀機(jī)理。胡瑞林等(2020)利用多尺度的宏-微觀試驗(yàn)及模擬開(kāi)展了土石混合體的結(jié)構(gòu)控制機(jī)理研究，系統(tǒng)闡明了含石量、塊石形狀、基質(zhì)組分、土-石級(jí)配等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子對(duì)土石混合體強(qiáng)度、變形、滲透特性的影響規(guī)律。

在開(kāi)展土石混合體強(qiáng)度特性方面研究的同時(shí)，其變形破壞特征也受到廣泛關(guān)注。鄭博寧等(2019)基于CT掃描圖像技術(shù)建立了反映塊石真實(shí)形態(tài)的土石混合體三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，研究了三軸剪切過(guò)程中土-石的變形及運(yùn)動(dòng)特征。王宇等(2015)介紹了土石混合體重塑樣的制備工藝，利用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合CT掃描研究了土石混合體單軸受壓下應(yīng)力-應(yīng)變特征及試樣裂紋開(kāi)裂、擴(kuò)展、聚集和貫通破壞的全過(guò)程，認(rèn)為土-石彈性不匹配及界面差異性滑移是引起裂紋產(chǎn)生的根本原因。夏加國(guó)等(2017)采用特制的大型三軸剪切試驗(yàn)儀，研究了含超徑顆粒土石混合體的剪脹效應(yīng)與含石量的關(guān)系。劉新榮等(2017)利用三維激光掃描技術(shù)分析了塊石對(duì)土石混合體的剪切面三維形態(tài)影響，發(fā)現(xiàn)隨含石量增加，土石混合體剪切破壞起伏程度增大。

以上研究在一定程度上揭示了土石混合體強(qiáng)度和變形特性，但限于試樣內(nèi)部變形觀測(cè)手段的不足，對(duì)土石混合體剪切變形行為，特別是塊石轉(zhuǎn)動(dòng)、運(yùn)移及剪切變形帶形成演化過(guò)程等卻研究較少?；诖耍疚囊院繛橹饕刂埔蛩?，擬開(kāi)展土石混合體室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，通過(guò)打孔-插絲-灌砂的方法監(jiān)測(cè)土石混合體剪切過(guò)程中的變形破壞特征，以期進(jìn)一步深化土石混合體剪切變形行為及強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

1 土石混合體大型直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所THE-1000型室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。該直剪試驗(yàn)設(shè)備主要包括承載框架、剛性剪切盒、水平剪切加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)量測(cè)系統(tǒng)等五大組成部分，其中：上、下剪切盒內(nèi)部尺寸均為500imm×500imm×200imm(長(zhǎng)×寬×高)，加載系統(tǒng)最大輸出荷載為1000ikN，最大剪切位移為150imm，試驗(yàn)過(guò)程中加載系統(tǒng)可以采用應(yīng)力或位移控制實(shí)現(xiàn)上、下盒對(duì)推剪切，能夠滿足較大范圍粗顆粒土剪切試驗(yàn)要求。此外，該試驗(yàn)機(jī)還裝有垂直位移傳感器，可自動(dòng)采集剪切過(guò)程中試樣的垂直位移變化。

圖1 室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)儀

1.2 試驗(yàn)材料

試樣取自三峽庫(kù)區(qū)某大型堆積層滑坡前緣，埋深1.0～2.0im，主要由粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)泥巖碎石組成，為典型的土石混合體。試樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，采用烘干法測(cè)得天然含水率為10.6%，干密度1.66 g·cm-3，篩分后的顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。天然狀態(tài)土石混合體中<2imm的細(xì)粒含量占48.4%，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于土的工程分類的規(guī)定，可初步定名為粗粒土。

圖2 土石混合體的顆粒級(jí)配曲線

對(duì)于土石混合體而言，土和石的劃分閾值目前尚無(wú)明確規(guī)定，但多數(shù)文獻(xiàn)建議采用5imm作為土石混合體中的土和石的粒徑界限，本次試驗(yàn)遂取土石閾值為5imm，即認(rèn)為小于5imm的顆粒為“土”，大于5imm的顆粒為“石”。因此，現(xiàn)場(chǎng)取回的試樣含石量約為41.4%，含石量相對(duì)較高。

為盡量減小粗粒土剪切試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)，試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定剪切盒尺寸與試樣最大粒徑間需滿足：H/dmax為4～8，D/dmax為8～12(H為直剪盒的高度，D為直剪盒的長(zhǎng)度，dmax為試樣最大顆粒粒徑)，本次直剪試驗(yàn)機(jī)剪切盒尺寸為500imm×500imm×410imm，為此試樣在所有試驗(yàn)中控制土樣顆粒的最大粒徑為60imm，篩分后的各粒組如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)材料

1.3 試樣制備及測(cè)試過(guò)程

由于含有數(shù)量眾多、尺度不一且隨機(jī)分布的塊石，土石混合體在細(xì)觀層次上呈現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)性特征，而含石量是土石混合體結(jié)構(gòu)性最直接的表現(xiàn)指標(biāo)之一。為此，本文擬在試驗(yàn)中主要考慮含石量的影響。根據(jù)含石量的不同，試驗(yàn)分為6個(gè)小組，試樣均由過(guò)5imm篩的“細(xì)粒土”和粉砂質(zhì)泥巖礫石混合而成，其含石量分別為0%，20%，41.4%，60%，80%，100%，相應(yīng)的設(shè)計(jì)級(jí)配曲線如圖4所示，其中41.4%為天然含石量。

圖4 不同含石量試樣的顆粒級(jí)配曲線

為進(jìn)一步研究剪切試驗(yàn)過(guò)程中試樣內(nèi)部剪切變形特征及剪切帶形成演化規(guī)律，本試驗(yàn)采用在試樣頂部打孔-埋線-灌砂的方法(胡峰等，2018)，以實(shí)現(xiàn)在封閉剪切條件下獲取剪切帶范圍及變形演化過(guò)程。該方法是在試樣裝填完成后，在頂部垂直打入鋼筋成孔，貫穿至下盒試樣底部，隨后在孔內(nèi)插入直徑為1imm的柔軟銅絲并灌石英粉砂充填，其實(shí)施過(guò)程如圖5所示。因此，通過(guò)銅絲與粉砂的變形特征，可以獲取剪切帶附近土、石顆粒的滑移特征及剪切帶厚度等信息，并可間接反映剪切變形帶的形成發(fā)展過(guò)程。

圖5 監(jiān)測(cè)方法示意圖(單位：mm)

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先施加較小的法向壓力使各部件緊密接觸，然后再施加法向壓力(本次試驗(yàn)法向壓力分別設(shè)定為100ikPa、200ikPa、400ikPa、800ikPa)，達(dá)到預(yù)定值后進(jìn)行快剪，剪切速率為2imm·min-1，當(dāng)上下盒相對(duì)水平位移達(dá)到100imm左右時(shí)剪切完成。試驗(yàn)終止后，在預(yù)埋銅絲位置處開(kāi)挖豎直剖面，觀察、測(cè)量監(jiān)測(cè)孔及銅絲變形情況等。

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移特征

不同含石量的6組試驗(yàn)剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖6所示。由圖可知，當(dāng)含石量較低時(shí)(0～20%)，隨剪切位移的增大，剪應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，表現(xiàn)應(yīng)變硬化特性，達(dá)到塑性屈服之后，變形表現(xiàn)為塑性流動(dòng)，應(yīng)力基本保持不變，剪應(yīng)力-剪切位移曲線無(wú)明顯峰值剪應(yīng)力，表現(xiàn)為塑性應(yīng)變破壞模式。高含石量時(shí)(≥41.4%)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線主要經(jīng)歷應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化和殘余變形3個(gè)階段，存在明顯的峰值剪應(yīng)力，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化破壞模式。

圖6 不同含石量試樣剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

從圖中還可以看出，無(wú)論含石量和垂直壓力多大，剪切過(guò)程中剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線均存在一定程度的“跳躍”現(xiàn)象，特別是在試樣屈服和破壞階段更加顯著。究其原因除了加載系統(tǒng)伺服控制特點(diǎn)外，主要還是剪切過(guò)程中粗顆粒破碎、錯(cuò)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)引起的。初始階段，試樣剪切變形主要為壓密和連續(xù)體變形，顆粒之間相互作用力較小尚不足以使足夠多的顆粒破碎、錯(cuò)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，剪應(yīng)力和剪切位移都以較穩(wěn)定的趨勢(shì)增長(zhǎng)；隨著剪切位移的增大，顆粒間的咬合力因剪密而不斷增大，達(dá)到一定程度后可能引起顆粒破碎、錯(cuò)動(dòng)或翻轉(zhuǎn)，顆粒間因咬合而儲(chǔ)存的應(yīng)變能急劇釋放，剪應(yīng)力降低，隨后顆粒再次被咬合，剪應(yīng)力回升，導(dǎo)致剪應(yīng)力一定范圍內(nèi)波動(dòng)，如此反復(fù)直至剪切面貫通，從而使剪應(yīng)力-剪切位移呈現(xiàn)一系列的“跳躍”現(xiàn)象。

2.2 剪脹性

不同含石量試樣剪切位移-垂直位移關(guān)系如圖7所示，總體而言，在垂直壓力σ≤200ikPa時(shí)，試樣均發(fā)生剪脹；在垂直壓力σ≥400ikPa時(shí)，試樣則表現(xiàn)為剪縮，且剪縮量隨垂直壓力增加而增加，符合粗粒料低壓剪脹、高壓剪縮的特性。不同含石量試樣的剪脹差異主要體現(xiàn)在最大剪脹量或剪縮量，具體見(jiàn)表1，表現(xiàn)為隨含石量增加，最大剪脹量逐漸增大，而最大剪縮量趨于降低，即含石量越大其剪脹特性越明顯；結(jié)合剪應(yīng)力-剪切位移曲線，試樣剪切過(guò)程中的應(yīng)變軟化現(xiàn)象也更顯著。

圖7 不同含石量試樣剪切位移-垂直位移關(guān)系

表1 不同含石量試樣的最大剪縮(mm)及剪脹量(mm)

盡管在低垂直壓力下(σ≤200ikPa)，試樣均表現(xiàn)剪脹特性，但剪脹并不是從一開(kāi)始就產(chǎn)生的，而是先發(fā)生剪縮，待剪縮到一定程度后，剪脹才開(kāi)始發(fā)生。相同含石量、不同垂直壓力時(shí)，剪縮轉(zhuǎn)化為剪脹的剪切位移隨垂直壓力增加而增加，如100%含石量時(shí)，垂直壓力100ikPa剪縮轉(zhuǎn)化為剪脹的剪切位移約為1.35imm，垂直壓力200ikPa時(shí)的剪切位移約為9.79imm，垂直壓力400ikPa時(shí)的剪切位移約為61.18imm，表明垂直壓力增強(qiáng)了土石混合體試樣的剪縮特性。而另一方面，隨含石量的增加，剪縮轉(zhuǎn)化為剪脹的剪切位移逐漸減小，以垂直壓力100kPa為例，含石量20%、41.4%、60%、80%、100%時(shí)的剪縮轉(zhuǎn)化為剪脹的剪切位移分別為5.92imm、5.5imm、3.29imm、2.38imm、1.35imm，說(shuō)明隨含石量增加，剪縮越容易轉(zhuǎn)為剪脹，即進(jìn)一步驗(yàn)證了含石量的增加使其剪脹特性得到增強(qiáng)。

2.3 剪切變形特性

通過(guò)前述打孔-埋線-灌砂監(jiān)測(cè)試樣剪切過(guò)程中內(nèi)部變形情況，試樣剪切完成后的典型剖面如圖8所示。針對(duì)監(jiān)測(cè)孔及銅絲變形特征，定義水平位移S與剪切帶厚度D兩個(gè)特征參量，其中水平位移S為鉆孔上、下起彎點(diǎn)水平間距，剪切帶厚度D為上、下起彎點(diǎn)豎向間距。

圖8 典型剖面剪切變形示意圖

圖9、圖10分別為不同含石量下1#、2#、3#監(jiān)測(cè)孔水平位移及剪切帶厚度變化圖。試驗(yàn)剪切位移約為11icm，監(jiān)測(cè)孔水平位移S為7～11icm，且表現(xiàn)為2#監(jiān)測(cè)孔小于1#、3#監(jiān)測(cè)孔的特點(diǎn)，即剪切盒內(nèi)試樣中部的剪切水平位移小于前后兩端，表明剪切變形由兩端逐漸向中間傳遞的特性。監(jiān)測(cè)孔處剪切帶厚度D為6～12.5icm，且表現(xiàn)為2#監(jiān)測(cè)孔大于1#、3#監(jiān)測(cè)孔的特點(diǎn)，即剪切盒內(nèi)試樣中部的剪切帶厚度大于前后兩端，表明試樣并非簡(jiǎn)單地沿著剪切縫平直剪切，而具有更為復(fù)雜的剪切形態(tài)。為進(jìn)一步揭示剪切過(guò)程中試樣內(nèi)部剪切形態(tài)，將試樣的不同監(jiān)測(cè)孔起彎點(diǎn)空間位置繪于圖11。

圖9 不同位置處水平位移圖

圖11 不同含石量試樣監(jiān)測(cè)孔起彎點(diǎn)位置圖

根據(jù)監(jiān)測(cè)孔變形特征可知，上、下起彎點(diǎn)圍成的范圍即為試樣剪切過(guò)程中變形影響區(qū)域。從圖11可以看出，低含石量時(shí)(≤20%)，剪切面空間上與上下盒剪切縫成一定夾角，且上下盒較為對(duì)稱，形態(tài)平直；隨著含石量增加(20%～80%)，上剪切面逐漸呈“凸形”，下剪切面逐漸呈“凹形”，且剪切帶厚度增加；含石量進(jìn)一步增加(80%～100%)，盡管剪切面上仍呈“上凸下凹”形態(tài)，但凹凸趨勢(shì)減小。根據(jù)鉆孔起彎點(diǎn)反映的試樣剪切面形態(tài)，可以將其試樣剪切變形概化為“錯(cuò)動(dòng)式”和“啃掘式”兩種類型，分別如圖12a、圖12b所示。低含石量時(shí)，塊石間未有有效接觸而近似懸浮于細(xì)顆粒土內(nèi)，土石混合體試樣細(xì)顆粒土占主導(dǎo)作用，剪切過(guò)程中表現(xiàn)為細(xì)顆粒間錯(cuò)動(dòng)式的剪切變形；隨含石量增加，塊石開(kāi)始接觸并逐漸形成骨架結(jié)構(gòu)，加之細(xì)顆粒土的嵌合作用，塊石間咬合效應(yīng)增加，剪切過(guò)程中表現(xiàn)為混合體間啃掘式的剪切變形；當(dāng)含石量大于80%時(shí)，試樣內(nèi)塊石占主導(dǎo)作用，但由于細(xì)顆粒較少，塊石間的骨架結(jié)構(gòu)存在較多空隙，塊石間咬合效應(yīng)反而有所降低，剪切過(guò)程中混合體間啃掘式的剪切變形強(qiáng)度逐漸降低。

圖12 試樣剪切變形模式

2.4 抗剪強(qiáng)度特性

不同含石量下土石混合體試樣的抗剪強(qiáng)度如圖13所示?？梢钥吹酵潦旌象w抗剪強(qiáng)度隨著含石量的變化規(guī)律基本一致，總體趨勢(shì)是隨著含石量的增加，土石混合體的抗剪強(qiáng)度是先增大后減小的。結(jié)合前述試樣剪切變形特征可知，抗剪強(qiáng)度的變化主要是由含石量所引起的土石混合體結(jié)構(gòu)特征及剪切變形模式改變所造成的。隨含石量增加，試樣內(nèi)部形成骨架結(jié)構(gòu)，塊石間的嵌固咬合作用增強(qiáng)，使試樣由細(xì)顆粒間的錯(cuò)動(dòng)式剪切變形發(fā)展為混合體間的啃掘式剪切變形，并帶動(dòng)更大范圍內(nèi)顆粒受力變形，試樣抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)；當(dāng)含石量大于80%時(shí)，由于細(xì)顆粒較少，塊石間的骨架結(jié)構(gòu)存在較多空隙，塊石間咬合效應(yīng)反而有所降低，剪切過(guò)程中混合體間啃掘式的剪切變形作用強(qiáng)度減弱，試樣抗剪強(qiáng)度降低。

圖13 不同含石量試樣抗剪強(qiáng)度變化

4 結(jié) 論

通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，對(duì)土石混合體剪切變形特性進(jìn)行初步研究，可知：

(1)土石混合體具有低壓剪脹、高壓剪縮的特性，且隨含石量增加，試樣最大剪脹量逐漸增大，而最大剪縮量趨于降低，即含石量的增加使土石混合體剪脹特性得到增強(qiáng)。

(2)隨含石量增加，試樣剪切應(yīng)力-位移曲線“跳躍”現(xiàn)象顯著且具有明顯的峰值強(qiáng)度特征，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，認(rèn)為是含石量增加引起的試樣顆粒破碎和剪脹共同作用導(dǎo)致了軟化現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(4)不同含石量直剪試驗(yàn)揭示，抗剪強(qiáng)度變化與土石混合體結(jié)構(gòu)特征及剪切變形模式密切相關(guān)。隨含石量增加，試樣內(nèi)部形成骨架結(jié)構(gòu)，使試樣由細(xì)顆粒間的“錯(cuò)動(dòng)式”剪切變形發(fā)展為混合體間的“啃掘式”剪切變形，并形成更大范圍的剪切影響帶，試樣抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)；當(dāng)含石量大于80%時(shí)，由于細(xì)顆粒較少，塊石間的骨架結(jié)構(gòu)存在較多空隙，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，剪切過(guò)程中混合體間啃掘式的剪切變形作用強(qiáng)度減弱，試樣抗剪強(qiáng)度降低。