韓 磊,曹 鵬,喻豪俊,劉恩龍

(1.國家山區(qū)公路工程技術研究中心,重慶400000;2.四川大學水利水電學院,四川成都610065)

大多數(shù)滑坡在滑動體與滑床之間存在一個結構被擾動、破壞的滑動帶?；碌陌l(fā)生與滑帶土的強度特征和滑動面上的應力狀態(tài)息息相關[1]。不同排水條件下滑帶土的力學性質(zhì)和變形特性對邊坡的穩(wěn)定性起關鍵作用。

目前國內(nèi)外已有很多學者對滑帶土的強度及其特性進行了研究[2-6]。但是針對不同地區(qū),不同地質(zhì)條件下的滑帶土,其成因、物質(zhì)組成也不盡相同,使得其物理力學性質(zhì)有很大的差異。對于四川山區(qū)而言,地貌條件主要為覆蓋層下伏基巖。汶川地震后的調(diào)查表明,地震動引起山體層間錯動帶中巖體的碎裂化,加速了滑帶的形成并誘發(fā)滑坡[7]?；碌陌l(fā)生反過來進一步加劇了巖體的碎裂化程度。并且通過探井和鉆孔也發(fā)現(xiàn),覆蓋層下伏基巖的黏性土滑坡滑動帶上的物質(zhì)組成為黏土夾雜礫石[8]。其中黏粒含量超過30%～40%。

因此,針對于這種顆粒粗細相差懸殊、級配分布廣,土粒中夾雜礫石的含礫黏土逐漸得到了學者們的廣泛關注。其中費康等[9-10]針對不同礫粒含量的含礫黏土的壓實及強度特性進行了試驗研究。認為級配、礫粒含量的不同對含礫黏土的細觀結構特征有著重要影響,具體可分為“懸浮-密實結構”、“密實-骨架結構”和“骨架-空隙結構”。這些結構特征的不同在很大程度上影響了其強度特性。聞瑋[11]在對不同含礫量的摻礫黏土固結不排水三軸剪切試驗的基礎上,對摻礫黏土進行了數(shù)值模擬,得出在含礫量為20%時,礫粒在土中呈懸浮狀態(tài);當含礫量為40%、60%時,礫粒的空間分布緊密,礫粒之間的土體較其它黏土更為密實,這有助于力的傳遞,與礫粒共同形成傳力骨架。Kyambadde[12]也認為含礫黏土中粗粒料的含量在一定程度上影響了其不排水抗剪強度。Wang[13]針對礫石含量為30%～70%的含礫黏土進行了不同圍壓下的三軸壓縮試驗,顯示隨著礫石含量的增加,含礫黏土的內(nèi)摩擦角和粘聚力也隨之增大,并且當?shù)[石含量小于50%時,土體的剪切強度主要受黏土和礫石共同控制;隨著礫石含量的增大,土體的剪切強度主要受礫石控制。

以上研究中對于含礫黏土組成的混合體的力學性質(zhì)在不同排水條件下的研究仍相對較少,并且作為散粒體結構的粗細?；旌贤?大多是一部分顆粒相對另一部分顆粒沿某一分界面產(chǎn)生滑移而造成的失穩(wěn),即產(chǎn)生壓剪破壞。因此,有必要對含礫黏土在固結排水和固結不排水條件下的抗剪強度特性進行研究,掌握其應力-應變規(guī)律和不同的細粒含量(或礫石含量)對土體的力學性質(zhì)的影響,對其機理進行理論分析并做出合理解釋。

1 試驗內(nèi)容

按照《土工試驗規(guī)程》[14],進行三軸試驗與等向壓縮試驗,主要進行細粒土(粒徑<0.5 mm,Gs=2.68)與粗粒土(礫石,粒徑5～20 mm,ρ=2.76 g/cm3)不同配比的滑帶土三軸試驗(Φ101 mm×200 mm),配比按照細粒含量質(zhì)量百分數(shù)分組,分別為:100%、80%、60%和40%。相同配比進行4組等向壓縮試驗,壓縮過程中進行了加載-卸載-再加載,最大固結壓力達到360 kPa。試驗內(nèi)容見表1。

表1 試驗內(nèi)容一覽表Tab.1 Summary of test

2 三軸試驗結果與分析

1) CD試驗

將同種土料不同圍壓下的偏應力(σ1-σ3)及體應變εv與軸向應變εd關系曲線圖,及試驗試樣破壞型式一并列出,分別見圖1和圖2。

圖1 滑帶土CD試驗結果Fig.1 CD tests results of slip soils

圖2 CD試驗破壞型式Fig.2 Failure types of CD tests

圖1(a)顯示,100%細粒含量試樣在CD試驗中,隨著圍壓的增大,試樣的偏應力與體變都不斷增大。在50 kPa圍壓下,偏應力達到峰值后接近于塑性流動發(fā)展,而在相對較高的圍壓下,試樣呈現(xiàn)出應變硬化的特性,圍壓越高硬化特性越明顯。在2%軸向應變之前,試樣的體變相差不明顯;軸向應變超過2%之后,低圍壓下體變發(fā)展緩慢,高圍壓下體變發(fā)展迅速,尤其400 kPa圍壓下,體變幾乎呈直線發(fā)展。從試樣破壞型式看出,試樣均呈鼓屈變形,圍壓越高鼓屈越明顯。

對比圖1(b)～(d)與(a)發(fā)現(xiàn),其它3種不同細粒含量的試樣試驗結果與100%細粒含量試樣的結果相近。略有不同的是,60%細粒含量的試樣在同一圍壓下偏應力較前兩種試樣有所提高,但提高幅度不大。在6%軸向應變之前,50 kPa圍壓與100 kPa圍壓下試樣的體變相差不明顯。而40%細粒含量的試樣,同一圍壓下偏應力較前三種黏粒試樣有所提高,提高幅度較大,相同圍壓下的偏應力達到前三種試樣的2～3倍。從試樣破壞型式看出,試樣呈現(xiàn)微小的鼓屈變形,低圍壓下幾乎無鼓屈出現(xiàn),高圍壓下鼓屈情況較前三種試樣明顯減小。

2) CU試驗

圖3(a)顯示,100%細粒含量試樣在CU試驗中,隨著圍壓的增大,試樣的有效偏應力與孔壓都不斷增大。

圖3 滑帶土CU試驗結果Fig.3 CU tests results of slip soils

圖4 CU試驗破壞型式Fig.4 Failure type of CU tests

從圖3(a)還可知，在50 kPa圍壓下,有效偏應力達到峰值強度后接近于塑性流動發(fā)展,而在相對較高的圍壓下,試樣呈現(xiàn)出應變硬化的特性,圍壓越高硬化特性越明顯。在εd小于7%之前,試樣的孔壓上升較快,近乎直線上升,εd超過7%之后,孔壓發(fā)展緩慢、趨于穩(wěn)定。從試樣破壞型式看出,試樣均呈鼓屈變形,但鼓屈變形不及固結排水試驗明顯。

對比圖3(b)～(d)與(a)發(fā)現(xiàn),80%細粒含量的試樣的試驗結果與100%細粒含量試樣的結果相近。60%細粒含量試樣的試驗結果與前兩種試樣的試驗結果有所不同,但相差不大。而從圖3(d)看出,40%細粒含量試樣的試驗結果與前兩種試樣的試驗結果明顯不同,隨著圍壓的增大,試樣的有效偏應力先增大,后呈現(xiàn)不同發(fā)展趨勢,而孔壓都不斷增大。在50 kPa與200 kPa圍壓下,有效偏應力在較小εd下就達到峰值強度,后接近于塑性流動發(fā)展,而100 kPa圍壓下,在較小εd下就達到峰值強度,試樣略微呈現(xiàn)出應變軟化的特性,但軟化程度不大。從試樣破壞型式看出,50 kPa圍壓與200 kPa圍壓下的試樣均呈鼓屈變形,但變形不明顯,而100 kPa圍壓下有所不同。

3 等向壓縮試驗

土的壓縮性是土在靜力作用下體積縮小的特性,是有效應力變化引起孔隙比的變化。在相同的受力情況下,土的壓縮性與土的組成、狀態(tài)、結構等土的基本性質(zhì)有關。從圖5中看出,試樣的壓縮性與細粒含量大致呈線性關系,隨著細粒含量的增加,試樣的壓縮特性明顯增強,骨架的強度降低。試樣的回彈特性相差不大,40%細粒含量試樣礫石含量較高,顆粒間的摩擦咬合作用較強而回彈特性較弱,導致回彈曲線斜率較小。

圖5 等向壓縮與回彈曲線Fig.5 Isotropic compression and resilient curves

4 含礫黏性土力學特性

從試驗結果看出,相同圍壓CD和CU試驗,低圍壓時偏應力(或有效偏應力,下同)最大值隨黏粒含量的減少而增大;高圍壓時80%細粒含量試樣的偏應力最小,40%細粒含量的偏應力最大。相同圍壓固結不排水試驗,隨著礫石含量的增加,偏應力依次增大,但100%細粒含量試樣試驗偏應力與80%細粒含量試樣試驗偏應力相差不大。因為當細粒土中含有礫石時,礫石含量在30%以下,此時礫石顆粒完全被細粒土包圍,礫石顆粒形成不了骨架,礫石含量對細粒土無太大影響,主要由細粒土承擔荷載,主要表現(xiàn)為細粒土的特性。但是,當?shù)[石含量達30%以上時,對細粒土的性質(zhì)就會起影響。

當?shù)[石含量達30%以上后,礫石顆粒逐漸構成土骨架,分擔細粒承受的荷載,試樣的偏應力有所增大,即60%細粒含量較之100%細粒含量與80%細粒含量試樣偏應力有所增大。當?shù)[石含量超過50%時,礫石顆粒構成土骨架,對試樣的物理力學性質(zhì)起決定性的作用,主要表現(xiàn)在礫石顆粒之間的摩擦與咬合作用。試驗用礫石為硬質(zhì)石灰?guī)r,粒徑在5～20 mm之間,形狀不規(guī)則、有尖角,故礫石之間的摩擦與咬合作用極強,以致40%細粒含量試樣偏應力較其他三種試樣明顯增大。

另外,在CU試驗中,隨著礫石含量的增加,孔隙水壓力上升的速率明顯提高。100%細粒含量試樣與80%細粒含量試樣試驗結束時的孔隙水壓力相差不大,60%細粒含量與40%細粒含量試樣試驗結束時的孔隙水壓力顯著提高。黏性土中摻入少量的礫石,礫石完全被黏土顆粒所包裹,加之礫石顆粒本身透水性極弱,從而減小了土體的滲透面積,并延長了部分滲徑,滲透系數(shù)有輕微的減小,促使孔隙水壓力上升緩慢。但是,當?shù)[石含量增加到30%以上后,由于礫石顆粒開始有局部接觸,局部形成骨架結構,滲透系數(shù)開始增大,孔隙水壓力上升較快。

最后,從試樣的破壞型式發(fā)現(xiàn),隨著礫石含量的增加,試樣表面越發(fā)凹凸不平,尤其40%細粒含量試樣。細粒含量較多時,試樣處于細粒包裹礫石,礫石之間無接觸、摩擦與咬合作用,屬于密實-懸浮狀態(tài),主要表現(xiàn)為黏性土的力學特性,細粒本身具有的黏聚力使土體的強度有所提高;當細粒含量較少時,礫石形成骨架結構,黏粒無法完全填充粗礫石間的孔隙,屬于骨架-空隙狀態(tài),主要表現(xiàn)礫石土的力學特性;介于兩者之間的屬于骨架-密實狀態(tài),細粒與礫石共同作用。

5 修正劍橋模型參數(shù)確定

鑒于修正劍橋模型的特點,嘗試采用修正劍橋模型來驗證含礫黏性滑帶土的應力應變關系。修正劍橋模型是增量彈塑性本構模型,其參數(shù)包含一個非線性彈性部分和一個由塑性體應變確定的塑性部分。破壞包線在形狀上是自相似的,且與繞主應力空間的平均應力軸旋轉的橢圓體對應。包含3個參數(shù)和初始比容,見表2。

表2 修正劍橋模型材料參數(shù)表Tab.2 Material parameters of modified Cam-clay

5.1 υ0確定

三軸應力狀態(tài)中下,初始比容:

υ0=1+e0

(1)

式中,e0為試樣的初始孔隙比,根據(jù)試樣干密度計算得到。初始孔隙比與初始比容見表3。

表3 孔隙比與初始比容匯總表Tab.3 Summary of void ratio and initial specific volume

5.2 M確定

在臨界狀態(tài)線q=Mp′上,可通過三軸壓縮試驗確定M值。試驗應達到較大變形,確保最終的q與p′接近臨界狀態(tài)線。下面根據(jù)三軸壓縮試驗的有效應力路徑選取系數(shù)M。

依據(jù)試驗結果,繪制三軸試驗的應力路徑,見圖6,繪制過坐標原點與應力路徑頂點的直線,選取直線斜率為系數(shù)M的值。

取得不同圍壓下的M值見表4。

圖6 不同細粒含量M值確定圖Fig.6 Values of M with different fine contents

表4 M值匯總表Tab.4 Summary table of M values

從表4看出,隨著細粒含量的減少,礫石含量的增加,促使顆粒間的咬合作用加強,摩擦作用亦增加,直觀的表現(xiàn)就是M值的顯著增大。

5.3 λ和κ確定

υ-lnp′圖上,等向壓縮試驗得到的正常固結曲線斜率即為λ。卸載時,試樣發(fā)生回彈,回彈曲線斜率即為κ。根據(jù)試驗結果,添加趨勢線,提取曲線斜率。

等向壓縮曲線可表示為:

υ=N-λlnp′

(2)

式中,N為固結線在p=1 kPa下對應的比容;λ為固結線斜率。

當卸載時,試樣發(fā)生回彈,卸載時體積變化與p之間的關系可表示為:

υ=υκ-κlnp

(3)

式中,υκ為卸載曲線在卸載到p′=1 kPa時對應的比容,κ為卸載回彈曲線斜率。

取得不同黏粒含量下的λ和κ值匯于表5中。

表5 λ和κ值匯總表Tab.5 Summary table of λ and κ

5.4 試驗驗證

根據(jù)提取的參數(shù),結合試驗過程,進行三軸壓縮試驗的試驗驗證,以下是對驗證結果的羅列與分析。

5.4.1 CD試驗驗證

計算得到(σ1-σ3)與εv相對εd的關系曲線,見圖7(圖例同前,空心表示試驗結果,實心表示驗證結果)。從圖6中看出在確定修正劍橋模型的參數(shù)M時,直線不能很好的包絡應力路徑曲線,有一定的偏差。加之等向壓縮試驗結果誤差較大,對驗證計算結果有較大影響,因此在驗證過程中對參數(shù)進行了一定的試算,得出參數(shù)結果見表6～9。

圖7 CD試驗驗證Fig.7 CD Experimental test

圍壓/kPaM100%細粒含量80%細粒含量60%細粒含量40%細粒含量CDCUCDCUCDCUCDCU500.761.10.831.360.981.781.431.701000.641.00.631.160.741.271.431.602000.570.70.490.680.640.881.241.554000.44—0.42—0.52—1.03—

表7 試驗驗證λ值匯總表Tab.7 Summary table of λ

表8 試驗驗證κ值匯總表Tab.8 Summary table of κ

表9 試驗驗證μ值匯總表Tab.9 Summary table of μ

從上面驗證算結果與試驗結果的比較看出,偏應力吻合較好,呈現(xiàn)應變硬化的特征?？傮w來說,在較小的軸向應變階段,驗證的偏應力相對試驗值偏小,當軸向應變達到6%以后,驗證的偏應力與試驗值較接近。由于取得的參數(shù)偏重于模擬偏應力與軸向應變的關系,致使體應變驗證值與試驗值偏差較大,體應變驗證結果無體積膨脹出現(xiàn),即均表現(xiàn)為體縮。

5.4.2 CU試驗驗證

圖8 CU試驗驗證Fig.8 CU experimental test

從上面驗證結果與試驗結果的比較看出,驗證有效偏應力與試驗吻合較好,呈現(xiàn)應變硬化的特征。總體來說,在較小的軸向應變階段,驗證的有效偏應力相對試驗值偏小,偏差小于固結排水計算值,當軸向應變達到4%以后,驗證的有效偏應力與試驗值較接近,且驗證結果優(yōu)于CD驗證結果。同樣,孔隙水壓力驗證值與試驗值吻合較好,在較小軸向應變階段存在較小的偏差,當軸向應變達到2%以后,驗證的孔隙水壓力值與試驗值較接近。

6 結 論

1) 含礫黏性土在細粒含量低時,試樣主要表現(xiàn)礫石土的力學特性。礫石土中雖加入黏土顆粒,但黏土顆粒大多填充礫石之間的孔隙,表現(xiàn)出的黏聚作用甚微。

2) 隨著礫石含量的增加,試樣的排水性能先降低后增強。礫石含量較高時,試樣的排水性能明顯強于礫石含量低的試樣與黏性土試樣。從試樣的破壞型式看出,試樣均是鼓屈變形,無剪切帶出現(xiàn)。試樣的壓縮性與黏粒含量大致呈線性關系,隨著礫石含量的增加,試樣的壓縮特性明顯減弱,試樣的回彈特性相差不大。

3) 嘗試采用修正劍橋模型來驗證含礫黏性滑帶土的應力應變關系。不過認為修正劍橋模型適用于含礫黏性滑帶土的效果一般。三軸試驗所得到的應力路徑曲線,在確定修正劍橋模型的參數(shù)M時,直線不能很好的包絡應力路徑曲線,有一定的偏差。

4) 根據(jù)提取的修正劍橋模型的相關參數(shù),對試驗結果進行了驗證后得出,固結排水試驗主應力差驗證與試驗吻合較好,體應變驗證與試驗值偏差較大;固結不排水試驗主應力差驗證與試驗吻合較好,孔隙水壓力驗證與試驗吻合較好,在較小軸向應變階段存在著偏差。