冰磧物工程性質(zhì)研究

昌都-林芝地區(qū)廣泛分布著寬級配的冰磧物，而冰磧物的物理力學(xué)性質(zhì)常常是工程處治的難題。基于此，文章在現(xiàn)場進行調(diào)查和取樣，利用Image-Pro Plus和室內(nèi)大型直剪儀，對冰磧物進行粒徑分析和大型直剪試驗，并開展了不同粒徑條件下冰磧物的剪切變形特性試驗研究。研究結(jié)果表明：當(dāng)試樣為單一粒組2～5 mm和2 mm以下，強度主要依賴于細粒土的強度，導(dǎo)致重塑冰磧土抗剪強度過低；當(dāng)試樣為土石混合的冰磧物時，冰磧物的抗剪強度主要由塊石形成的骨架結(jié)構(gòu)提供，細顆粒則充填內(nèi)部孔隙，增強咬合力，試樣在剪切過程中出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象；當(dāng)試樣為單一粒組5～20 mm，20～60 mm和60 mm以上時，試樣內(nèi)部全為塊石，塊石形成的骨架結(jié)構(gòu)存在較多的空隙，導(dǎo)致試樣的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和強度有所弱化。

冰磧物； Image-Pro Plus； 大型直剪試驗； 不同粒徑

U213.1+4 A

［定稿日期］2022-01-11

［作者簡介］王超（1997—），男，碩士，研究方向為巖土體穩(wěn)定性分析。

冰磧物因其具有無分選、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、架空現(xiàn)象普遍、力學(xué)特征差異大等特征，對川藏鐵路的建設(shè)威脅大而受到廣大學(xué)者的關(guān)注。其強度特征和變形特性一直是地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域研究的熱點和難點。

馬澤平［1］（2013）對川藏交通走廊地區(qū)分布的冰磧物進行了大量的直剪試驗，指出了粒徑的大小是影響粗顆粒土抗剪強度的重要因素。李驊錦等［2］（2015）對岷江上游干暖河谷區(qū)域的冰磧堆積體進行調(diào)查研究，基于室內(nèi)力學(xué)強度試驗和SWCC試驗探討不同含水率情況下對冰磧物水敏特征的影響，指出了在飽和度介于10%～70%時，其力學(xué)強度特性發(fā)生顯著變化。馮俊德等［3］（2008）對冰磧物進行了大量的直剪試驗，對比了原狀冰磧土和重塑冰磧土的強度特征。楊東旭等［4］（2020）選取帕隆藏布流域32處典型冰磧物為研究對象，利用原位試驗和室內(nèi)測試，總結(jié)了冰磧物的分布與沉積特征和物理力學(xué)參數(shù)特征。徐鼎平等［5］（2008）開發(fā)了生成冰磧土仿真試樣的模擬程序，并利用FLAC3d對生成的試樣進行三軸數(shù)值模擬試驗，得到冰磧土的抗剪強度參數(shù)。江強強等［6］（2020）以土石混合體為研究對象，利用大型直剪儀進行剪切變形和強度特性的研究，得出了含石量占據(jù)主導(dǎo)作用的結(jié)論。

在開展冰磧物強度特性方面研究的同時，其變形特性也受到廣泛關(guān)注。程強等［7］（2019）對瀘定大渡河橋地區(qū)分布的冰磧土進行現(xiàn)場剪切蠕變試驗，初步揭示了冰磧土的剪切蠕變特性。蒙進等［8］（1989）選取四川瀑布溝黑馬料場的冰磧土為研究對象，利用固結(jié)排水加卸荷試驗，得出冰磧土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，其總體趨勢是從低壓下的弱應(yīng)變軟化變?yōu)楦邏合碌膹姂?yīng)變軟化，體變剪脹變?yōu)榧艨s。屈智炯等［9］（1992）采用高壓三軸儀，對比了不同級配下冰磧土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。張斌等［10］（1991）開展了不同圍壓下冰磧土的三軸試驗，研究應(yīng)力應(yīng)變與圍壓的關(guān)系，指出了在圍壓較低時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為軟化性，在圍壓較高時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為硬化性。

目前關(guān)于冰磧物的研究主要集中在冰磧物的形態(tài)分析、抗剪強度和變形特性方面。基于此，本文對冰磧物進行粒徑分析和大型直剪試驗，以冰磧物粒徑大小為主要研究因素，擬展開冰磧物室內(nèi)大型直剪試驗和統(tǒng)計冰磧物粒徑，并繪制冰磧物在剪切過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以期進一步深化冰磧物剪切變形行為及強度產(chǎn)生機制的認識。

1 冰磧物的粒徑分析

1.1 Image-Pro Plus 冰磧物粒徑圖像分析

在現(xiàn)場拍攝到冰磧物的圖像后，為減小后期的分析難度和提高軟件統(tǒng)計粒徑的準確度，首先應(yīng)對照片進行處理，包括清除圖片中的干擾區(qū)域部分，然后增加圖像對比度，灰度圖像以及二值化，最后采用Image-Pro Plus獲取圖片信息。圖片處理過程如圖1所示。

1.2 冰磧物粒徑統(tǒng)計

西藏高原地區(qū)淺表層均被冰雪覆蓋，該地區(qū)的冰磧物是由塊石、礫石、砂土、粉土等堆積而成，具有無分選、無層理、粒徑差異大等特征。對冰磧物進行現(xiàn)場測量，如圖2所示。

在現(xiàn)場選取了6個區(qū)域進行粒徑統(tǒng)計，并利用Image-Pro Plus對冰磧物進行粒徑分析， 為了更直觀顯示各區(qū)域不同粒徑等級所占比例情況，分別作出了各區(qū)域0～5 cm、5～20 cm、20～60 cm、60 cm以上顆粒所占比例柱狀圖，如圖3所示。

2 冰磧物大型直剪試驗

2.1 試驗設(shè)備

本文采用ZY50-2G大型直剪儀見圖4。

該儀器主體分為3個部分：剪切裝置、油源啟動裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。剪切裝置又由垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、上下剪切盒、量測系統(tǒng)組成，剪切盒的凈空兒何尺寸為：直徑×高=504.6 mm×400 mm。儀器可施加的最大垂直載荷為500 kN，最大水平推力500 kN，最大水平位移可達100 mm，可對最大粒徑不大于100 mm的試樣進行剪切，剪切縫寬度固定為10 mm。

2.2 試樣材料

試樣取自西藏高原地區(qū)未擾動邊坡，主要由塊石、礫石、粉土組成，為土石混合體。目前，對于土和石的劃分閾值沒有規(guī)定，本文參照多數(shù)文獻，取粒徑小于5 mm顆粒為土，大于5 mm顆粒為石。

對冰磧物進行粒徑劃分，篩選了5個單一粒組，分別為2 mm以下、2～5 mm、5～20 mm、20～60 mm、60 mm以上，見圖5。

2.3 試樣制備及其測試過程

由于冰磧物具有無分選，粒級差異大，塊石含量大等特征，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而粒徑大小是冰磧物結(jié)構(gòu)性最直接的表現(xiàn)指標之一。為此，本文擬在試驗中考慮粒徑大小對冰磧物抗剪強度的影響。

試驗開始前，先施加法向壓力使剪切盒中冰磧物緊密接觸，然后繼續(xù)施加法向壓力達到預(yù)定值（本次試驗的法向壓力分別設(shè)定為250 kPa、500 kPa、750 kPa、1 000 kPa），試驗中的剪切速率為1 mm/min，當(dāng)剪切位移達到50 mm左右時，試驗結(jié)束。

試驗分為10個小組，前5組為土石混合級配，級配曲線如圖6所示；試驗的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖 7所示。

由圖7可知，當(dāng)試樣為土石混合時，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，剪應(yīng)力-剪切位移曲線主要經(jīng)歷3個階段，為應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化以及殘余變形，有明顯的峰值強度。

后5組為單一粒組，粒徑區(qū)間為2 mm以下，2～5 mm，5～20 mm，20～60 mm，60 mm以上。

由于擾動過的冰磧土抗剪強度過小，采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀對粒徑為2～5 mm和2 mm以下的2個粒組進行直剪試驗，試驗結(jié)果見表1、表2。

試驗的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖 8所示。

當(dāng)試樣全為石塊時，剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后不變的趨勢，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特性，峰值強度不明顯。

3 試驗成果分析

3.1 剪切應(yīng)力-剪切位移特征

從剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線可以看到，在剪切初期，不同粒徑的冰磧物在較小的剪切位移下迅速增長，法向應(yīng)力越大剪切應(yīng)力的增長速度越快；無論含石量和垂直壓力有多大，在剪切過程中，可以看到曲線有“跳躍”現(xiàn)象，究其原因是剪切面上冰磧塊石的破碎，翻轉(zhuǎn)和錯動，因此每組試驗中都出現(xiàn)剪應(yīng)力下降的現(xiàn)象。

3.2 抗剪強度特性

冰磧物的抗剪強度如圖9所示?？梢钥吹搅酱笮∈怯绊懕兾锟辜魪姸鹊闹匾蛩?，冰磧物的抗剪強度變化的總趨勢為隨含石量的增大而增大；當(dāng)全為粗顆粒時，抗剪強度基本都大于土石混合冰磧物。

冰磧物的抗剪強度主要是有粗顆粒形成的骨架作用提供，骨架間的咬合力隨著粒徑的增大而增大；細顆粒則充填內(nèi)部孔隙，增強咬合力。粒徑在20～60 mm時，冰磧物的抗剪強度最大，其次為粒徑大于60 mm，究其原因是當(dāng)粒徑全為60 mm以上時，試樣內(nèi)部沒有細顆粒，塊石組成的骨架結(jié)構(gòu)中空隙較多，造成試樣抗剪強度降低的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過冰磧物的粒徑分析和開展室內(nèi)大型直剪試驗，對冰磧物的工程性質(zhì)進行了研究，可知：

（1）冰磧物的分選性極差，粒徑差異大，大到巨礫、角礫、礫石，小到砂、粉砂和黏土，通過現(xiàn)場測量，冰磧物粒徑小到幾毫米，大到十幾米。

（2）從剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線中，可以看到冰磧物在垂直壓力作用下，具有明顯的峰值強度特征；曲線中看到“跳躍”現(xiàn)象——剪應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而降低，是由于剪切過程中試樣的破碎，最終出現(xiàn)了應(yīng)變軟化特性。

（3）從大型直剪試驗可以看出，抗剪強度的變化與冰磧物組成結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。隨著含石量的增加，試樣內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)逐漸形成，剪切影響帶的范圍逐漸擴大，冰磧物的抗剪強度也逐漸增長。

（4）由試驗結(jié)果可知，冰磧物的抗剪強度主要是由粗顆粒形成的骨架作用提供。當(dāng)粒徑為2 mm以下和2～5 mm時，冰磧土的抗剪強度遠小于含有塊石的冰磧物；當(dāng)粒徑全為20～60 mm時，冰磧物的抗剪強度最大；當(dāng)粒徑全為60 mm以上的冰磧物時，試樣中不存在細顆粒，所形成的骨架結(jié)構(gòu)空隙較多，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致抗剪強度降低。

參考文獻

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［2］ 李驊錦，馮文凱，許強，等.四川理縣小歧村冰磧物角礫土抗剪強度特性研究［J］.人民長江，2015，46（12）：37-41.

［3］ 馮俊德，李建國，汪稔，等.云南某鐵路冰磧土大型直剪強度特性試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29（12）：3205-3210.

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