寬級配礫石土縮尺強度特性試驗研究*

胡 凱 李和元 陳曉清 黃衛(wèi)國

(①江西省公路工程檢測中心，南昌 330009，中國)

(②中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041，中國)

0 引 言

滑坡泥石流是山區(qū)特有的一種突發(fā)性自然災害，破壞性極強，常造成重大的人員傷亡和財產損失(許強等，2018；曾慶利等，2018；崔圣華等，2019；馮文凱等，2019；周禮等，2019)。寬級配礫石土作為滑坡泥石流廣泛發(fā)育的西南地區(qū)的一種特殊巖土材料，具有獨特的顆粒級配和結構：首先，其顆粒級配分布廣，包含小于0.005mm的黏粒，也可包含粒徑為數米的大塊石，最大顆粒與最小顆粒粒徑相差5個數量級以上；同時，其結構為風化、侵蝕和搬運等各種物質混雜在一起形成的大的塊石和顆粒形成骨架結構，砂土顆粒充填其中：黏土顆粒包裹粗大顆粒的孔隙比較大、固結程度較低的土體(胡凱，2019)。

寬級配礫石土強度特性是泥石流防治工程建設和泥石流土體失穩(wěn)啟動預測的重要參數。作為粗粒土，野外的土中可能包含大到1im或數米的巨石，但由于室內實驗的限制，不可能對全粒徑的寬級配礫石土進行室內實驗以獲得較接近實際的強度指標，實際工作中對超過室內儀器裝置容許最大顆粒粒徑的野外寬級配礫石土進行縮尺處理并進行相應的強度測定，以此作為泥石流啟動研究或防治設計參數。

縮尺強度的研究主要是建立強度參數與最大粒徑變化關系，不同的試驗條件所得的結果不盡一致。對于相同干密度條件下的試樣，大多研究結果表明強度隨著最大顆粒粒徑的增大而減小。而對于相同相對密實度試樣，大多研究結果為強度隨著最大顆粒粒徑的增大而增大。Marsal(1967)和Marachi et al.(1972)等采用相似級配法處理，相同初始干密度試樣的三軸排水實驗結果為：隨著最大粒徑的增大，粗粒料峰值內摩擦角減小。酈能惠等(2001)也采取相似級配法縮尺處理，相同的相對密實度試樣的三軸固結排水實驗結果表明，隨著最大顆粒粒徑的增大，抗剪強度增大。同時，王永明等(2013)利用DEM數值模擬方法，模擬類似于酈能惠等(2001)的實驗條件，不考慮顆粒破碎的影響，也證實了她的實驗結果。

現有針對寬級配礫石土的強度研究中并未涉及縮尺強度研究。因此，本文針對3種不同顆粒級配寬級配礫石土進行縮尺強度試驗，最大粒徑分別為30imm、20imm、10imm和5imm，探討寬級配礫石土的強度參數與最大顆粒粒徑與顆粒級配之間的關系。

1 試驗土料和試驗方法

1.1 試驗土料

試驗針對3種不同顆粒級配的寬級配礫石土(JJG01、JJG02和JJG03)進行縮尺強度試驗，3種土料均取自云南東川蔣家溝泥石流觀測站附近不同溝道位置。采用剔除法，得到最大粒徑分別為30imm、20imm、10imm和5imm顆粒的寬級配礫石土，相應的級配參數和級配曲線如表1和圖1所示。其中，dmax、d60、d30和d10分別為最大粒徑、限制粒徑、顆粒累計質量比例小于30%所對應粒徑和有效粒徑；Cu和Cc分別為不均勻系數和曲率系數；C、μ和Dc分別為標度分布函數中的參數，C和μ為無量綱指標，參數μ為顆分參數，表征細顆粒的含量；參數Dc被定義為特征粒徑，表征粗顆粒的含量及其級配范圍(mm)。(Li et al.，2017)。標度參數由分布函數P(D)=CD-μexp(-D/Dc)擬合而成。

表1 寬級配礫石土顆粒級配基本參數Table 1 Basic parameters of particle-size distribution of widely-graded gravelly soil

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設備及試驗步驟

試驗設備采用中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所重點實驗室配置的英國GDS飽和-非飽和三軸實驗系統(tǒng)(圖2)，實驗系統(tǒng)主要由壓力控制系統(tǒng)、數據量測系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)3部分組成。試驗數據由系統(tǒng)自動記錄采集。

試驗步驟分為制樣和加載兩部分。首先根據實驗方案，計算所需的土料和水的重量，并稱重，將其混合攪拌均勻，并密封24ih。

使水分分布均勻。制樣參照SL237-1999土工實驗規(guī)程，采用三瓣膜分層擊實法，每層高度為10icm，采用干密度控制法，計算每層所需的土料的重量，當每層擊實到相應高度后，將表面作刮毛處理，使各層土樣接觸良好，當土樣達到相應高度后，將三瓣膜拆除，并測量其相應的直徑及高度，將試樣表面套上專用的塑料膜，制樣完成；裝樣按照相應的實驗規(guī)程進行，將土樣放入圍壓室樣品臺，并將水充滿圍壓室，充當圍壓傳媒介質。

GDS三軸實驗加載過程分為飽和、固結和剪切過程。飽和階段包括排氣和反壓飽和：首先通過圍壓控制器和反壓控制器對試樣施加一定的有效圍壓(通常圍壓為30ikPa，反壓為20ikPa)，使無氣水充填試樣的空隙，然后相應的增大圍壓和反壓(差值不變)，使多余的氣體壓入水中，并使用SkemptonB值檢測試樣的飽和度，即：在全封閉條件下，施加一定的圍壓增量(一般約50ikPa)，觀察孔隙水壓力增量與圍壓增量的比值(即為B值)，當B值達到0.95及以上，試樣飽和，當B值小于0.95時，繼續(xù)增大圍壓和反壓，直到B值為0.95以上，飽和結束。然后保持反壓不變，增大圍壓，將試樣壓縮至剪切過程所需的有效應力狀態(tài)，直至試樣體變較小，固結過程結束，進入不排水剪切過程。實驗過程的數據都由數據采集儀自動獲取。

1.2.2 試驗方案

試驗針對最大粒徑分別為30imm、20imm、10imm和5imm的JJG01、JJG02和JJG03寬級配礫石土進行縮尺強度試驗。實驗控制初始干密度為1.80g·cm-3，初始含水率為7.5%，試樣尺寸為150imm×300imm(直徑×高度)。三軸實驗共設4級有效圍壓，分別為100ikPa、200ikPa、300ikPa和400ikPa。由于泥石流物源土啟動形成泥石流過程中，前期降雨具有重要的作用。土坡失穩(wěn)伴隨有土體的蠕動—擾動—崩塌—滑塌—擾動—快速流動過程(李德基，1997)。因此，為了更好地符合實際過程，本文選用固結不排水飽和三軸實驗，即CU實驗?！帮柡汀焙汀肮探Y”指示了前期降雨過程，而不排水快速“加載”表征了土體破壞過程。實驗的加載速率考慮到土坡失穩(wěn)的快速特性，設置為1%/min。

2 試驗結果

2.1 試驗曲線

根據試驗結果，將寬級配礫石土三軸固結不排水的試驗曲線分為應變硬化、應變軟化和應變軟化-硬化3種類型：

2.1.1 應變硬化

圖3為最大粒徑為5imm的JJG01寬級配礫石土在σ′3=400ikPa狀況下的應力-應變曲線、孔隙水壓力變化曲線和應力路徑曲線變化情況。

由圖3可知該試樣應力-應變表現為應變硬化，隨著軸向應變的增大，偏應力始終處于增大的狀態(tài)；孔隙水壓力隨著軸向應變的增大迅速增大，當增大到峰值孔隙水壓力a后(ua=305ikPa)，孔隙水壓力逐漸減小，最大孔隙水壓力值遠小于實驗的有效圍壓(305ikPa<400ikPa，比值約為0.75)；同時，從有效應力路徑曲線可以看出，應力路徑曲線顯示明顯的“肘”，由于孔隙水壓力的變化，平均有效主應力先減小而后增大，平均有效主應力p′的最小值，即為孔隙水壓力的峰值點a。試樣有出現過液化的跡象，但由于土體體積膨脹造成土體孔隙水壓力的下降，最終并未出現液化破壞，這種實驗現象常發(fā)生于密實的砂土或粉砂中。其中，a點我們稱之為“相變點”，液化理論中土體由體積壓縮狀態(tài)變化為體積膨脹狀態(tài)的轉變點。該點偏應力q與平均有效主應力p′的比我們稱之為“相變狀態(tài)應力比”，用符號Md表示，如圖3所示。

2.1.2 應變軟化

圖4為最大粒徑為10imm的JJG03寬級配礫石土在σ′3=100ikPa狀況下的應力-應變曲線、孔隙水壓力變化曲線和有效應力路徑變化情況，實驗結果所示，該試樣呈應變軟化。隨著應變的增大，試樣偏應力和孔隙水壓力急劇增大，在軸向應變ε1=1.07%時，偏應力達到峰值點qp=33.14ikPa，此時的孔隙水壓力增大到u=59ikPa，由于孔隙水壓力的增大，平均有效正應力p′逐漸減小，如圖4中所示a點即為試樣峰值點，稱其為失穩(wěn)啟動點。試樣失穩(wěn)后，隨著軸向應變的繼續(xù)增大，孔隙水壓力繼續(xù)增大，偏應力急劇下降，當孔隙水壓力增大到峰值點u=91ikPa后(與有效圍壓比值約為0.91)，偏應力qs=7.86ikPa，隨后兩者保持相對穩(wěn)定值，如圖4中所示b點即為相應的穩(wěn)態(tài)點。有效應力路徑中有效平均主應力始終減小，并不出現相應的“肘”形態(tài)。我們將這種現象就稱為液化現象，試樣越松散時，其液化的可能性越高。有效應力路徑中，并沒有出現相應的“肘”形態(tài)，試樣一直處于體積壓縮狀態(tài)，通常認為相變狀態(tài)等同于穩(wěn)態(tài)。

不排水實驗中，將不同圍壓條件下峰值點a的連線定義為不穩(wěn)定線(instability line)，不穩(wěn)定線經過原點，不穩(wěn)定線和穩(wěn)態(tài)線所對應的區(qū)間我們稱之為試樣的失穩(wěn)區(qū)間，試樣處于亞穩(wěn)定結構，在該區(qū)域土體強度逐漸喪失，如圖4中的陰影區(qū)間。

2.1.3 應變軟化-硬化

圖5為最大粒徑為20imm的JJG03寬級配礫石土在σ′3=400ikPa狀況下的應力-應變曲線、孔隙水壓力變化曲線和應力路徑變化情況。

由實驗結果可知，試樣應力-應變曲線呈軟化-硬化型。隨著應變的增大，軸向應力迅速增大到峰值點a，孔隙水壓力迅速增大，且平均有效應力p′逐漸減小。失穩(wěn)破壞后，偏應力隨著軸向應變的繼續(xù)增大而減小，同時孔隙水壓力繼續(xù)增大，試樣在該過程都處于體積壓縮狀態(tài)。當偏應力q達到最小值b點后，隨著應變的增大，偏應力由減小改變?yōu)樵龃?，同時，試樣由剪縮變?yōu)榧裘?，孔隙水壓力逐漸降低。有效應力路徑中有效平均主應力開始一直減小，當減小到一定值時(偏應力最小值所對應的值)，偏應力和平均主應力都開始增大，有效應力路徑出現“肘”，我們稱之為相變點。我們稱這種現象為有限液化，常發(fā)生于試樣處于中密-密實狀態(tài)。

2.2 強度結果及分析

2.2.1 強度結果

不排水實驗結果中，應力-應變曲線的峰值點稱之為失穩(wěn)點，表示液化發(fā)生的啟動點，對于滑坡或泥石流的啟動研究具有重要的意義。所以根據上述寬級配礫石土三軸固結不排水實驗結果分析，對于縮尺強度分析的強度取值點我們作如下規(guī)定：對于液化和有限液化破壞土體，取相應的峰值點作為其強度值；而對于應變硬化土體，取有效應力路徑轉變點(即相變點)計算其強度。根據土工實驗規(guī)程，寬級配礫石土粗顆粒土在固結不排水實驗條件下，相應的有效黏聚力c′取為0，利用莫爾應力圓求取有效內摩擦角，所得實驗結果見表2所示。

表2 縮尺強度實驗結果Table 2 Test results of scale strength tests

2.2.2 峰值強度與最大粒徑關系

圖6為不同顆粒級配寬級配礫石土有效峰值內摩擦角φp′與最大顆粒粒徑dmax的變化關系。從圖中明顯可以看出，由于JJG01中最大粒徑為5imm試樣應力-應變?yōu)閼冇不?，未出現液化，其強度相對其他液化土體強度高；而對于所有出現液化或有限液化的土體來說，隨著最大粒徑dmax的增大，有效峰值內摩擦角φp′幾乎呈線性增大。

本文對于寬級配礫石土縮尺強度實驗所得的實驗結果與以往大多數相同初始干密度條件下的實驗結果不同，只有李鳳鳴等(1991)的研究結果與本文一致。孟憲麒等(1983)針對最大粒徑相同而顆粒級配不同的抗剪強度實驗結果指出，無論是相同的初始干密度還是相同的初始相對密實度，試樣加權平均粒徑越大，其抗剪強度值越大。由于本文針對寬級配礫石土的縮尺強度效應實驗采用的是直接剔除法，分別剔除大于30imm、20imm、10imm和5imm的顆粒，所以隨著最大粒徑的減小，相應寬級配礫石土中粗顆粒含量減小，細顆粒含量增加，造成寬級配礫石土加權平均粒徑的減小。所以，對于寬級配礫石土在剔除法縮尺處理后，縮尺后的顆粒級配變化對強度的影響，使得縮尺后寬級配礫石土的強度隨著最大粒徑的增大而呈線性增大。

2.2.3 峰值強度與顆粒級配關系

粗粒土的液化發(fā)生受顆粒級配、圍壓、干密度等因素的影響，其中顆粒級配是研究者最感興趣，同時也是研究最多的一個因素。圖7和圖8為所有寬級配礫石土的有效峰值內摩擦角與不均勻系數Cu和特征粒徑Dc的關系。從圖中可以看出，對于出現實驗發(fā)生液化或者有限液化的寬級配礫石土，隨著不均勻系數Cu和特征粒徑Dc的增大，有效峰值內摩擦角呈增大趨勢，但隨兩個因素增長的形式不同：有效峰值內摩擦角隨不均勻系數呈二次多項式增大；而隨特征粒徑呈分段線性增大，存在一個臨界特征粒徑(Dc=6.7)，當特征粒徑小于臨界特征粒徑，有效峰值內摩擦角緩慢增大，當特征粒徑大于一定值后，增大的幅度變大。相應的擬合關系如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

不均勻系數被廣泛應用于考察顆粒級配Cu對砂土強度特性影響研究。但不同的研究所得的結果不同。一些研究成果表明，顆粒級配對砂土的強度特性影響較小(Kuerbis et al.，1988; Pitman et al.，1994)。同時，另外一些學者通過實驗指出，砂土的固結不排水強度隨著不均勻系數的增大而減小(Monkul et al.，2011，2016)。

本文針對相同干密度不同顆粒級配的寬級配礫石土固結不排水強度實驗結果表明，對于液化的寬級配礫石土，隨著不均勻系數的增大，有效內摩擦角呈二次多項式增大，表明增大不均系數就增大了寬級配礫石土的抗液化能力。主要原因是，粗顆粒的剪切變形主要由試樣中固體顆粒之間的相對滑動所引起，而對于不均勻系數大的試樣，各種粒徑大小的固體顆粒混合在一起，大顆粒形成骨架，小顆粒聚集填充與骨架所形成的空隙中，形成緊密的整體，增大顆粒之間的抗滑能力。這與Kokusho et al.(2004)、Igwe et al.(2007)所得實驗結果一致。他們指出，無論是峰值強度還是穩(wěn)態(tài)強度，兩者都隨著不均勻系數的增大而增大。

特征粒徑Dc是Li et al.(2017)所提出的顆粒級配統(tǒng)一表達式中的一個參數，表征顆粒組成的范圍。而對于具有相同粒徑范圍的土體，粗粒含量越多，特征粒徑越大，某種意義上，特征粒徑可以很好地表征粗粒料中粗粒部分的特征?？讘?2014)和呂東(2017)所得實驗結果，內摩擦角隨特征粒徑的增大而呈線性增大。

3 結 論

本文通過對3種不同顆粒級配、最大粒徑為30imm、20imm、10imm和5imm的寬級配礫石土進行三軸固結不排水強度試驗，探討了寬級配礫石土在不排水條件下的試驗曲線特征、強度參數與最大顆粒粒徑、不均勻系數和特征粒徑的關系，得到如下結論：

(1)寬級配礫石土具有液化特性，固結不排水試驗曲線表現為應變軟化、應變軟化-硬化和應變硬化3種形態(tài)，對應土體液化、有限液化和不液化狀態(tài)。

(2)對于液化的土體，有效內摩擦角隨著最大顆粒粒徑的增大而增大。

(3)有效內摩擦角隨著不均勻系數的增大呈二次多項式增大，隨著特征粒徑的增大呈分段線性增大。