薛亞東，劉忠強(qiáng)，吳 堅(jiān)

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；3.Norwegian Geotechnical Institute，Oslo 0806；4.浙江公路水運(yùn)工程咨詢公司，杭州 310004）

1 引言

崩積混合體是由土和石構(gòu)成的復(fù)雜地質(zhì)體，其性質(zhì)完全不同于土或巖石，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性與各向異性。自20 世紀(jì)90年代開始，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者開始針對這種特殊地質(zhì)材料展開研究，但目前為止對其還沒有一個(gè)統(tǒng)一的命名。文獻(xiàn)中較常見的名稱有混雜巖（mélange，法語）；bimrock or bimsoil（block in matrix）[1]；崩積體（colluvium）[2－3]；土石混合體（soil-rock mixture）[4－6]；礫石土或巖堆體（talus）[7]；并構(gòu)巖[8]，國內(nèi)采用“土石混合體”的叫法較普遍。本課題組在開展相關(guān)研究的過程中認(rèn)為，“土石混合體”體現(xiàn)了這種材料的組成特點(diǎn)，明確易懂，但很容易與土石壩等工程中的“人工土石混合材料”相混，因?yàn)檠芯康膶ο笾饕恰白匀弧毙纬傻牡刭|(zhì)體，與“人工”土石混合體存在顯著不同，并考慮到造成滑坡的“災(zāi)源”多為崩塌-堆積而形成的混合地質(zhì)體，稱作“崩積混合體”似乎更合理。圖1為崩積混合體地層組成示意圖，圖2為現(xiàn)場崩積體照片。

由于成因的復(fù)雜性，混合體組成材料的力學(xué)特性空間變異性大，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。在高速公路等工程建設(shè)中，路堤填方量和路塹挖方量大、路塹邊坡陡峻，加之氣候多雨、地震活動(dòng)較頻繁，崩積體一經(jīng)擾動(dòng)即可能產(chǎn)生滑塌（見圖2）。隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國西南山區(qū)要修建眾多的山區(qū)高速公路和山區(qū)鐵路以及大型水庫電站。這些大型重要工程將不可避免遇到崩積混合體，因此開展對其力學(xué)特性的研究對于工程的設(shè)計(jì)和安全具有重要意義。

圖1 崩積混合體示意圖Fig.1 Sketch of colluvial mixture

圖2 崩積混合體實(shí)例照片（水麻高速公路）Fig.2 Photos of colluvial mixture

有關(guān)崩積混合體的研究，國內(nèi)外學(xué)者已開展了部分研究工作。Miller 等[9]最早開展了各種不同塊石含量對崩積混合體抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究，但由于試驗(yàn)中法向應(yīng)力較高，摩爾-庫侖理論的適用性有待探討。Irfab 等[2]通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)崩積混合體的抗剪強(qiáng)度隨含石量的增加而增加。徐文杰等[10－11]與李曉等[12]通過現(xiàn)場原位剪切試驗(yàn)指出含石量是影響土石混合體強(qiáng)度與破壞形式的重要因素。在數(shù)值仿真試驗(yàn)方面，赫建明[13]分析了采用PFC3D進(jìn)行土石混合體模擬的可行性。徐文杰等[14]采用VC++.NET 接口程序?qū)崿F(xiàn)了非均質(zhì)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)PFC2D軟件建模，建立了土石混合體真實(shí)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)PFC2D數(shù)值計(jì)算模型。丁秀麗等[15－16]由實(shí)拍數(shù)字圖像直接生成顆粒流模型，為土石混合體力學(xué)行為的顆粒流模擬提供了建模方法。

綜合前人研究成果，崩積混合體的結(jié)構(gòu)特征，尤其是含石量，在很大程度上影響著崩積混合體的剪切力學(xué)特性。以往的研究很少考慮不同粒徑的級配，并且由于試驗(yàn)手段的限制很難觀測剪切過程并揭示其破壞機(jī)制。因此，本文通過崩積混合體原狀樣的篩分試驗(yàn)，對其結(jié)構(gòu)組成特征進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上制備相應(yīng)的重塑樣，考慮6 種含石量水平（0，20%，40%，60%，80%及100%）開展大尺度直剪試驗(yàn)，并結(jié)合PFC2D顆粒離散元仿真試驗(yàn)，從宏觀與細(xì)觀角度揭示崩積混合體的變形與強(qiáng)度特性。

2 崩積混合體結(jié)構(gòu)特征分析[17]

塊石含量及其分布規(guī)律是研究崩積混合體物理力學(xué)特性的重要指標(biāo)，在確定顆粒級配以前對崩積混合體的研究。首先應(yīng)該確定土體與塊石的界限值，由野外現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，混合體中5 mm 以下的粗顆粒基本上是由土顆粒黏結(jié)而成，本次試驗(yàn)結(jié)合前學(xué)者的研究[18－20]，試驗(yàn)中將5 mm 界定為土體與塊石之間的粒徑界限。崩積混合體樣本全部取自云南水麻高速公路典型混合體邊坡，其中塊石多為褐紅、紫紅色泥巖或頁巖碎塊，結(jié)構(gòu)松散，碎塊石呈棱角、或次棱角狀。塊石體積不均一，存在僅用肉眼辨別不必篩分的超巨型石塊分布其中。幾何形狀不規(guī)則，風(fēng)化較為嚴(yán)重。母巖巖性為泥質(zhì)砂巖。塊石強(qiáng)度明顯大于土體。為了確定其天然級配，對取回的混合體試樣進(jìn)行篩分，篩分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 崩積混合體篩分試驗(yàn)粒度分析結(jié)果Fig.3 Particle size analysis of colluvial mixture

由篩分試驗(yàn)結(jié)果可以看出，雖然試驗(yàn)地點(diǎn)相近，但試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，顆粒分布規(guī)律并不一致，含石量在51%～81%之間。從混合體總體的粒徑分布結(jié)果來看，級配良好，粒徑曲線分布范圍表現(xiàn)為平滑，說明在同一崩積混合體范圍內(nèi)，雖然總體級配良好，但其內(nèi)部不均勻，有些部分非常密實(shí)，有些部分存在明顯孔隙。將混合體內(nèi)部的土體和塊石區(qū)分開來，其結(jié)構(gòu)局部相似，整體上看其結(jié)構(gòu)特征又具非線性。根據(jù)上述崩積混合體組成特點(diǎn)，可以認(rèn)為在崩積混合體中粒徑較大的塊石形成骨架，粒徑較小的土體充填其中。一般來講，混合體的級配越好，則其密度越大，強(qiáng)度也會相應(yīng)提高，所以結(jié)構(gòu)組成是影響崩積混合體力學(xué)特性的重要因素之一。

3 大型剪切試驗(yàn)

3.1 塊石粒度選取

由于現(xiàn)場崩積混合體中含有較多超粒徑塊石，為了便于后續(xù)試驗(yàn)的連續(xù)性，并考慮試驗(yàn)儀器尺寸的限制，需要對超粒徑塊石進(jìn)行必要的處理。按大型直剪試驗(yàn)的要求，最大顆粒直徑不超過直剪試驗(yàn)試樣高度的1/5 倍。本次所用的試樣剪切盒的高度為200 mm，試驗(yàn)中塊石最大粒徑取為40 mm。

對于超徑顆粒的處理，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中常用等量代替法[21]：（1）以容許最大粒徑來替代；（2）按級配等量替代，本次試驗(yàn)采用按級配等量替代。根據(jù)圖1 中研究區(qū)崩積混合體粒度分布特征，分別按照0（均質(zhì)土體），20%，40%，60%，80%，100%（塊石）6 組不同含石量水平，對超徑部分進(jìn)行粒徑替代，得到試驗(yàn)所采用的顆粒分布曲線，如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)用崩積混合體顆粒分布曲線Fig.4 Particle distribution of colluvial mixture used in tests

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在大型多功能界面剪切儀SJW-200 平臺上進(jìn)行。試樣的尺寸（長×寬×高）與剪切盒內(nèi)輪廓相同，為600 mm×400 mm×200 mm。試樣制備完成后，按照50、100、150 kPa 及200 kPa 等量分級施加法向應(yīng)力。試驗(yàn)開始前，施加垂直壓力進(jìn)行壓密固結(jié)，待垂直變形小于0.03 mm 時(shí)，認(rèn)為固結(jié)穩(wěn)定。利用伺服控制系統(tǒng)，保持預(yù)定的法向應(yīng)力不變，啟動(dòng)下剪切盒勻速進(jìn)行剪切，剪切速率為2 mm/min，自動(dòng)記錄剪切位移、剪切荷載、垂直位移等數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

考慮不同法向應(yīng)力水平下混合體的剪應(yīng)力與剪切位移以及垂直位移與剪切位移的相互關(guān)系，分別繪制100 kPa與200 kPa法向應(yīng)力條件下混合體的應(yīng)力-位移曲線，如圖5、6 所示。圖中，空心圖例表示垂直位移與剪切位移關(guān)系曲線。

圖5 不同法向應(yīng)力時(shí)混合體的應(yīng)力-位移曲線Fig.5 Curves of stress vs.displacement in different normal stresses

對試驗(yàn)結(jié)果的系統(tǒng)分析可知：

（1）含石量高（60%～80%）的混合體應(yīng)變硬化程度明顯強(qiáng)于含石量低（20%～40%）的混合體，說明含石量40%～80%之間時(shí)，崩積混合體組成結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了轉(zhuǎn)變，崩積混合體從更傾向于土體的性質(zhì)過渡到更傾向于塊石的性質(zhì)。當(dāng)含石率較小時(shí)，“塊石”懸浮在由“土體”構(gòu)成的介質(zhì)中，塊石與塊石間距離較大難以發(fā)生相互作用，塊石的存在幾乎不會影響其宏觀變形破壞特征；當(dāng)含石率較大時(shí)，塊石與塊石緊密接觸構(gòu)成整個(gè)巖土體的骨架，而土體則充填于其中的間隙。由于此時(shí)塊石間排列緊密，絕大部分為“土體”部分充填于“塊石”構(gòu)成的骨架間隙中，此時(shí)試件的變形特性主要取決于塊石。

（2）在低法向應(yīng)力（100 kPa）條件下，由于沒有足夠的能量促使顆粒填充崩積混合體剪切產(chǎn)生的孔隙，崩積混合體表現(xiàn)出剪脹現(xiàn)象。含石量越高，產(chǎn)生的垂直位移越大，最終的剪脹量也越大。當(dāng)法向應(yīng)力升高時(shí)（200 kPa），高應(yīng)力促使細(xì)顆粒填充了混合體結(jié)構(gòu)孔隙，并且抑制了混合體中塊石的運(yùn)動(dòng)，崩積混合體變形以剪縮為主。

4 細(xì)觀仿真試驗(yàn)

細(xì)觀仿真試驗(yàn)采用PFC2D顆粒流離散元程序，剪切盒尺寸與室內(nèi)直剪試驗(yàn)一致，按照預(yù)先設(shè)定的孔隙率和顆粒半徑與級配計(jì)算顆粒的數(shù)目，再采用粒徑放大和分層欠壓的方法[22]分層生成顆粒，以保顆粒的均勻和密實(shí)。保持上剪切盒不動(dòng)，推動(dòng)下剪切盒，使用伺服加載機(jī)制保持設(shè)定的正應(yīng)力恒定，設(shè)置墻體的剛度遠(yuǎn)大于顆粒的剛度，以防止顆粒出現(xiàn)“穿墻而過”的現(xiàn)象。試驗(yàn)流程與室內(nèi)試驗(yàn)保持一致。根據(jù)現(xiàn)場土體和現(xiàn)場塊石的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，不斷調(diào)整PFC2D模型各微觀參數(shù)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行逼近。模型中土體和塊石的微觀參數(shù)以及標(biāo)定結(jié)果與實(shí)際直剪試驗(yàn)對比見表1、2。

表1 PFC2D 仿真試驗(yàn)中土體及塊石模擬的微觀參數(shù)Table 1 The micro-parameters of soil and rock in PFC-2D

表2 PFC2D 仿真試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)宏觀結(jié)果對比Table 2 Comparison of the numerical simulation and laboratory test

由標(biāo)定結(jié)果可以看出，仿真試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果較為一致，可以通過分析顆粒流動(dòng)變化特征和接觸力分布規(guī)律來揭示崩積混合體在剪切過程中的細(xì)觀性態(tài)。圖6為法向應(yīng)力100 kPa 下不同含石量的混合體試樣不同剪應(yīng)變階段對應(yīng)的速度場和接觸力分布。由圖可見：

（1）均質(zhì)土體在應(yīng)變ε=1.33%時(shí)，速度場開始出現(xiàn)明顯的不均勻，上盒左上角出現(xiàn)45°左右的速度區(qū)分帶（裂隙），剪切盒右上角和左下角的顆粒受到擠壓，應(yīng)力集中明顯，說明試樣內(nèi)部出現(xiàn)迅速的顆粒重排列，此時(shí)剪切帶并未形成；ε=4.00%時(shí)，剪切帶形成，剪切帶下方的顆粒向著剪切方向運(yùn)動(dòng)，剪切帶上方的顆粒在下盒顆粒的擠壓和移動(dòng)下向左上方運(yùn)動(dòng)，剪切帶不均勻；ε=6.67%時(shí)，剪切帶趨于平緩，剪切盒右上角與左下角區(qū)域擠壓嚴(yán)重，接觸力非常大，產(chǎn)生一些局部的裂隙，顆粒發(fā)生重新分布，而左上角與右下角的顆粒幾乎沒有接觸，孔隙率較大。

（2）含石量40%的崩積混合體剪切過程與均質(zhì)土體較為相似，ε=1.33%時(shí)，左上角出現(xiàn)明顯的速度區(qū)分帶（裂隙），速度區(qū)分帶不規(guī)律，且以大顆粒作為邊界；ε=4.00%時(shí)，應(yīng)力接近最大值，開始出現(xiàn)剪切帶。剪切帶右邊區(qū)域上盒顆粒仍在下盒顆粒的帶動(dòng)下向剪切方向運(yùn)動(dòng)；ε=6.67%時(shí)，剪切帶上部的顆粒在下部顆粒的擠壓帶動(dòng)下繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)。剪切試驗(yàn)過程中試件的孔隙率分布不均勻，右下角與左上角顆粒明顯呈疏松狀。

圖6 不同含石量崩積混合體在不同剪應(yīng)變時(shí)的速度場和接觸力分布Fig.6 The velocity field and contact force of different shearing strains with different rock particle contents

（3）含石量為80%的混合體，剪切過程中下剪切盒的移動(dòng)對上盒影響非常大，ε=1.33%時(shí)，試樣左邊的顆粒以斜向上約30°的角度運(yùn)動(dòng)，而右邊的顆?；颈３植粍?dòng)。試件內(nèi)部接觸力分布極不均勻；ε=4.00%時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值，并未出現(xiàn)明顯剪切帶；ε=6.67%時(shí)，仍未出現(xiàn)明顯剪切帶。根據(jù)已有研究成果[23]，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母叨冗€不足以形成剪切帶，說明崩積混合體中大顆粒的尺寸效應(yīng)十分明顯。從接觸力分布可以看出，接觸力主要分布在以下盒左墻和上盒右墻形成的平行四邊形區(qū)域。接觸方式以大顆粒之間的接觸為主，說明該含石量下大顆粒已形成骨架結(jié)構(gòu)。

由圖6 中還可以看出，隨著含石量的增加，崩積混合體經(jīng)歷了“小顆粒受力-小顆粒與大顆粒共同受力-大顆粒力單獨(dú)受力”的過程。含石量40%以下時(shí)崩積混合體主體結(jié)構(gòu)由土體構(gòu)成，其變形強(qiáng)度特性主要由內(nèi)部土體控制，含石量超過80%以后塊石形成骨架，僅有少量孔隙由土體充填，力學(xué)性質(zhì)由塊石控制，與室內(nèi)試驗(yàn)中得到的結(jié)論一致。

5 結(jié)論

（1）崩積混合體的應(yīng)變硬化效應(yīng)隨著含石量的增加而表現(xiàn)得愈加明顯。

（2）低法向應(yīng)力條件下，崩積混合體表現(xiàn)為剪脹，而高法向應(yīng)力時(shí)則表現(xiàn)為剪縮。

（3）含石量在40%～80%區(qū)間時(shí)為崩積混合體力學(xué)性質(zhì)的過渡階段；含石量40%以下時(shí)，崩積混合體變形強(qiáng)度特性主要由內(nèi)部土體控制；含石量超過80%以后，其力學(xué)性質(zhì)由塊石控制。

[1]MEDLEY E.The engineering characterization of mélanges and similar block-in-matrix rocks(bimrocks)[ph.D].California:Department of Civil Engineering,University of California,1994.

[2]IRFAN T Y,TANG K Y.Effect of the coarse fraction on the shear strength of colluvium in Hong Kong[M].Hong Kong:Hong Kong Geotechnical Engineering Office,1993.

[3]董家鈞,楊賢德.崩基層之分類與工程特性研究[J].水土保持研究,2001,8(1):37－41.DONG Jia-jun,YANG Xian-de.The categorization and engineering characteristics of colluvial deposit[J].Research of Soil and Water Conservation,2001,8(1):37－41.

[4]油新華.土石混合體的隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型及其應(yīng)用研究[博士學(xué)位論文D].北京:北方交通大學(xué),2001.

[5]LI X,LIAO Q L,HE J M.In-situ tests and a stochastic structural model of rock and soil aggregate in the Three Gorges Reservoir area[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41(3):494－494.

[6]徐文杰,胡瑞林.土石混合體概念、分類及意義[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009,36(4):50－56.XU Wen-jie,HU Rui-lin.Conception,classification and significations of soil-rock mixture[J].Hydrogeology &Engineering Geology,2009,36(4):50－56.

[7]張輝.巖堆邊坡破壞機(jī)理及其穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[博士學(xué)位論文D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.

[8]謝孟修.崩積層之類并構(gòu)巖材料力學(xué)行為與模式-以梨山地滑區(qū)為例[碩士學(xué)位論文D].臺灣:臺灣交通大學(xué),2007.

[9]MILLER E A,SOWERS G F.The strength characteristics of soil-aggregate mixtures[J].Highway Research Board Bulletin,1957,183:16–23.

[10]徐文杰,胡瑞林.循環(huán)荷載下土石混合體力學(xué)特性野外試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2008,16(1):63－69.XU Wen-jie,HU Rui-lin.Field horizontal push shear test for mechanical property of soil-rock mixtures under cyclic[J].Journal of Engineering Geology,2008,16(1):63－69.

[11]XU W J,YUE Z Q,HU R L.Study on the mesostructure and mesomechanical characteristics of soil-rock mixture using digital image processing based finite element method[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008,45(5):749－749.

[12]李曉,廖秋林,赫建明,等.土石混合體力學(xué)特性的原位試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(12)：2377－2384.LI Xiao,LIAO Qiu-lin,HE Jian-ming,et al.Study on in-situ tests of mechanical characteristics on soil–rock aggregate[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(12):2377－2384.

[13]赫建明.三峽庫區(qū)土石混合體的變形與破壞機(jī)理研究[博士學(xué)位論文D].北京:中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū)),2004.

[14]徐文杰,胡瑞林,王艷萍.基于數(shù)字圖像的非均質(zhì)巖土材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)PFC2D模型[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(4):358－362.XU Wen-jie,HU Rui-lin,WANG Yan-ping.PFC2Dmodel for mesostructure of inhomogeneous geomaterial based on digital image processing[J].Journal of China Coal Society,2007,32(4):358－362.

[15]丁秀麗,李耀旭,王新.基于數(shù)字圖像的土石混合體力學(xué)性質(zhì)的顆粒流模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(3):477－484.DING Xiu-li,LI Yao-xu,WANG Xin.Particle flow modeling mechanical properties of soil and rock mixtures based on digital image[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(3):477－484.

[16]丁秀麗,張宏明,黃書嶺,等.基于細(xì)觀數(shù)值試驗(yàn)的非飽和土石混合體力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(8):1553－1566.DING Xiu-li,ZHANG Hong-ming,HUANG Shou-ling,et al.Research on mechanical characteristics of unsaturated soil-rock mixture based on numerical experiments of mesostructure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(8):1553－1566.

[17]劉忠強(qiáng),薛亞東,吳堅(jiān),等.崩積體剪切性能試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2012,33(8):2349－2358.LIU Zhong-qiang,XUE Ya-dong,WU Jian,et al.Experimental research on shear behavior of colluvium[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(8):2349－2358.

[18]郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].鄭州:黃河水利出版社,1998.

[19]董云,柴賀軍.土石混合料的工程綜合分類法研究[J].巖土力學(xué),2007,28(1):179－184.DONG Yun,CHAI He-jun.Study on engineering synthetical classification of rock soil aggregate mixture[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(1):179－184.

[20]吳堅(jiān).巖堆體力學(xué)特性試驗(yàn)及其顆粒流離散元模擬研究[碩士學(xué)位論文D].上海:同濟(jì)大學(xué),2011.

[21]南京水利科學(xué)研究院.SL237－1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[22]JIANG M J,KONRAD J M,LEROUEIL S.An efficient technique for generating homogeneous specimens for DEM studies[J].Computers and Geotechnics,2003,30(7):579–597.

[23]SCARPELLI G,WOOD D M.Experimental observations of shear band pattern in direct shear band pattern in direct shear tests[C]//Proceedings of IUTAM Conference on Deformation and Materials.Rotterdam:BALKEMA A A,1982:77–94.