郭喜峰，晏鄂川，劉 洋

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

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三峽庫(kù)區(qū)碎石土滑坡體抗剪強(qiáng)度研究

郭喜峰1,2，晏鄂川1，劉 洋2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

以奉節(jié)縣三處典型滑坡體原位直剪試驗(yàn)為依據(jù)，分析了泡水前后碎石土抗剪強(qiáng)度及其與顆粒分布的關(guān)系；得出了碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)及其與碎石含量、含水量的關(guān)系；為類似滑坡治理和穩(wěn)定分析提供試驗(yàn)依據(jù)及力學(xué)參數(shù)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

巖土工程；碎石土；滑坡；抗剪強(qiáng)度

三峽庫(kù)區(qū)特殊的地質(zhì)條件以及多雨的氣候特征，為區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育提供了有利條件，受庫(kù)水漲落的影響，區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害將更加頻繁，使滑坡穩(wěn)定性問題成為三峽庫(kù)區(qū)滑坡研究的重點(diǎn)，其破壞大多屬于剪切破壞，與滑坡巖土體的抗剪強(qiáng)度直接相關(guān)[1]?；聨r土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和治理工程設(shè)計(jì)的重要力學(xué)參數(shù)[2]。

三峽庫(kù)區(qū)存在大量的滑坡、崩塌等復(fù)雜成因的第四系松散堆積體[3]。這些松散堆積體主要由滑坡積物、殘坡積物、沖洪積物、泥石流、強(qiáng)風(fēng)化物組成，物質(zhì)成分上以土夾碎石或碎塊石組成，碎、礫石的含量一般在30%～70%之間。其力學(xué)性質(zhì)既不同于一般的巖體，又不同于一般的土體，而是介于土體與巖體之間的一種特殊地質(zhì)體。該地質(zhì)體由于夾雜著大小不等的碎塊石，很難制成常規(guī)的小試件，需要做原位直剪試驗(yàn)[4]。

由于碎石土室內(nèi)抗剪強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)，以往的設(shè)計(jì)多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)。原位直剪試驗(yàn)可在一定程度上保持土體的天然狀態(tài)，減少對(duì)土體的擾動(dòng)，保持含水量不變，能較真實(shí)的測(cè)試土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度及相關(guān)特性[5]。筆者以奉節(jié)縣三處典型碎石土滑坡體為例，通過天然狀態(tài)和泡水狀態(tài)兩種不同含水狀態(tài)的原位直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為評(píng)價(jià)碎石土的抗剪強(qiáng)度提供依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

奉節(jié)縣南岸閔家包、獅子包、木瓜溪庫(kù)岸綜合整治工程均為滑坡及塌岸防治、岸線及沿線景觀整治于一體的工程建設(shè)項(xiàng)目。

2 碎石土物理性質(zhì)

工程界常根據(jù)土的粒徑組成對(duì)土(尤其是粗粒土)進(jìn)行分類，并把粒徑組成作為土的工程性質(zhì)的重要因素。因此，筆者先對(duì)三峽庫(kù)區(qū)奉節(jié)縣三處滑坡的碎石土進(jìn)行了顆粒分析并評(píng)估其分類及工程性質(zhì)，作為后續(xù)原位直剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參考。

在3處試驗(yàn)部位分別取土樣用篩分法進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得到其級(jí)配曲線，如圖1。顆粒分析結(jié)果說明，粗粒徑土粒含量明顯高于細(xì)粒土含量。

圖1 試驗(yàn)土樣級(jí)配曲線

為了進(jìn)行有效的對(duì)比研究，測(cè)試了三處試驗(yàn)部位土樣的主要物理性質(zhì)，結(jié)果如表1。從表1中可以看出，閔家包試驗(yàn)部位碎石土的含水量明顯低于獅子包和木瓜溪試驗(yàn)部位，干密度明顯要大。獅子包試驗(yàn)部位所取土樣的天然密度明顯低于閔家包和木瓜溪兩處所取土樣。

表1 試點(diǎn)的物理性質(zhì)

3 直剪試驗(yàn)方案

首先，在選定試點(diǎn)位置，開挖試坑，試坑尺寸以方便布置試件及進(jìn)行試驗(yàn)操作為原則。試驗(yàn)方法和程序嚴(yán)格按照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，在人工修整好的試體周邊套上剪切盒，試驗(yàn)方法采用平推法，剪切面積為2 500 cm2左右。將土體鑿制成長(zhǎng)×寬×高為50 cm× 50 cm×35 cm的試體，對(duì)加壓過程中可能出現(xiàn)破裂或松動(dòng)的試體，綁扎鐵絲，用鋼模板套住試體，在試體頂面和四周澆筑混凝土保護(hù)套，頂面平行預(yù)剪面，保護(hù)套底部預(yù)留約1 cm的剪切縫。試驗(yàn)時(shí)先安裝法向加載系統(tǒng)再安裝剪切加載系統(tǒng)，其合力的作用點(diǎn)通過剪切面中心。試驗(yàn)安裝見圖2。

圖2 原位直剪試驗(yàn)安裝示意

鉛直載荷采用堆載配重法，剪切荷載使用試坑壁支撐，剪力方向水平。在選定的試驗(yàn)位置人工開挖約2 m×2 m的試坑，深度方向上首先清除上部塊石，再下挖約0.5 m深。在試坑中心位置用細(xì)砂找平后，開始安裝加載系統(tǒng)和沉降量測(cè)系統(tǒng)。

待混凝土保護(hù)套達(dá)到足夠的剛度和強(qiáng)度后，安裝法向和切向加載系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。剪切試驗(yàn)過程中始終保持法向壓力不變。最大法向壓力按上覆自重考慮，但以不破壞土體性狀為原則。每個(gè)試體的法向荷載分3～5級(jí)施加，施加法向壓力后土體壓縮，待最后一級(jí)法向荷載作用下的法向位移相對(duì)穩(wěn)定后，架設(shè)測(cè)試水平位移的百分表，再施加剪切荷載。剪切荷載按預(yù)估的最大值分8～12級(jí)施加，剪切荷載每隔1 min加載一次，加載前后均測(cè)讀各位移測(cè)表。當(dāng)剪切變形急劇增長(zhǎng)或剪切變形量達(dá)試體尺寸的1/10時(shí)停止試驗(yàn)。

在每個(gè)試坑做完一組天然土體的直剪試驗(yàn)后，向下開挖，待試件制備完畢，剛模板套住試體后，泡水48 h進(jìn)行飽和土體的直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)方法與天然土體的試驗(yàn)方法相同。

4 試驗(yàn)測(cè)試成果及分析

圖3 直剪試驗(yàn)-σ關(guān)系曲線

圖4 直剪試驗(yàn)典型-u關(guān)系曲線

由圖4可見，碎石土在壓剪作用下發(fā)生變形直到剪切破壞的整個(gè)過程中，其剪應(yīng)力-剪位移曲線大致可分為如下3個(gè)主要的變形破壞階段：

1)試樣剛開始受力變形階段，碎石土體主要表現(xiàn)為彈性變形，在這一階段曲線呈現(xiàn)由直線逐漸變彎的過程。在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)可以看到，這一階段試樣只是在底部產(chǎn)生了一些小變形，沒有形成明顯的貫通剪切面；

2)碎石土體產(chǎn)生屈服點(diǎn)，緩慢進(jìn)入塑性變形，之后試樣的變形快速增大，曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平緩，整個(gè)試樣雖然變形增大但依然具有承載能力，整個(gè)材料的變形表現(xiàn)出塑性流動(dòng)，應(yīng)力表現(xiàn)為強(qiáng)化過程，而這也恰恰是碎石土體所特有的變形破壞特征。同時(shí)觀察到整個(gè)試樣的剪切面已經(jīng)基本發(fā)展形成，強(qiáng)度的提高主要依靠土體與碎塊石之間相互作用所形成的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，經(jīng)過一定的變形后應(yīng)力最終達(dá)到峰值強(qiáng)度；

3)曲線達(dá)到峰值后，材料的整體結(jié)構(gòu)開始破壞，整個(gè)試件沿剪切面整體推動(dòng)明顯，只剩上、下剪切面之間的摩擦力在起作用。

抗剪強(qiáng)度參數(shù)和物理參數(shù)綜合成果見表2，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果基本反映了試點(diǎn)所處部位土體的抗剪強(qiáng)度特性，結(jié)合顆分試驗(yàn)所反映出的顆粒組分情況進(jìn)行分析，兩者基本吻合。就顆粒分析成果及試驗(yàn)破壞面地質(zhì)描述情況來看，獅子包部位土體的角礫含量高于木瓜溪，但由于獅子包在進(jìn)行土體的原位直剪試驗(yàn)過程中，遭遇時(shí)間較長(zhǎng)的強(qiáng)降水天氣，試坑內(nèi)部積水較深，試點(diǎn)泡水時(shí)間較長(zhǎng)，因此得到的直剪強(qiáng)度參數(shù)較木瓜溪偏低。同一組試驗(yàn)中，試驗(yàn)對(duì)象巖土類型相同，含水狀態(tài)不同導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度不同，飽和狀態(tài)抗剪強(qiáng)度明顯低于天然狀態(tài)。含水量越高，抗剪強(qiáng)度越低?？梢姡槭亢秃渴怯绊懰槭量辜魪?qiáng)度的重要因素。

表2 滑坡土體試驗(yàn)綜合成果

Table 2 Synthetic result list of landslide soil test

試驗(yàn)成果基本符合一般規(guī)律：碎石土抗剪強(qiáng)度(f、c值)受碎石含量及含水量影響較為顯著，總的趨勢(shì)為隨著碎石含量的增加而增大，隨著含水量的增加而減小。對(duì)于庫(kù)區(qū)其他類似滑坡治理工程，庫(kù)區(qū)蓄水后水位的變化及季節(jié)的變化使碎石土滑坡體的含水量發(fā)生變化，因地理位置及地貌特征等導(dǎo)致滑坡體碎石含量也有不同，均可合理類比利用此類試驗(yàn)成果及其普遍規(guī)律[6-8]。

5 結(jié) 語

通過對(duì)三處典型碎石土滑坡體的原位直剪試驗(yàn)及分析，得到了試驗(yàn)區(qū)碎石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，分析了試驗(yàn)曲線特征及抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律。天然狀態(tài)f=0.42～0.58，c=34～90 kPa；飽和狀態(tài)f=0.36～0.40，c=31～65 kPa，抗剪強(qiáng)度隨著碎石含量的增加而增大，隨著含水量的增加而減小。試驗(yàn)結(jié)果可用于類似滑坡治理和穩(wěn)定分析，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

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Shear Strength of Gravel Soil Landslide in the Three Gorges Reservoir Zone

Guo Xifeng1, 2, Yan Echuan1, Liu Yang2

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, Hubei, China;2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics & Engineering of the Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, Hubei , China )

According to the in-situ shear test for three typical landslides in Fengjie County, the shear strength of gravel soil before and after immersion in water was analyzed, and its relationship with the grain distribution was also analyzed. The shear strength parameters of gravel soil were obtained and its relationship with the gravel content and water content was also obtained. The analysis provides experimental basis and mechanical parameters for the analysis of similar landslide treatment and stability, which guides the design and construction.

geotechnical engineering; gravel soil; landslide; shear strength

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.15

2013-12-15；

2014-02-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172282); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2011CB710603)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(CKSF2013039)

郭喜峰(1984—)，男，湖北英山人，博士研究生，主要從事巖石力學(xué)特性與工程應(yīng)用方面的研究。E-mail：xifeng1984@126.com。

TU413.1

A

1674-0696(2015)01-068-04