粗粒含量對(duì)含粗?；瑤良羟刑匦杂绊懷芯俊?/h1>
2019-03-22 08:06:04李鴻釗李澤闖袁安泰趙金炎蘇新成
山西建筑 2019年8期
李鴻釗 李澤闖 袁安泰 趙金炎 蘇新成
(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)
0 引言
滑坡出現(xiàn)，對(duì)人民生活、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失，滑坡滑帶土存在于多數(shù)滑坡的滑床與滑體之間，成為滑坡中力學(xué)強(qiáng)度最低的軟弱帶。大量滑坡的滑帶土勘察數(shù)據(jù)表明，土質(zhì)滑坡的滑帶土多為含粗粒土，即根據(jù)SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程，試樣中粗粒組質(zhì)量為總質(zhì)量的25%～50%的土。對(duì)含粗?；瑤恋难芯坑泻芏鄦?wèn)題。首先，現(xiàn)在對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的研究沒(méi)有好的方法；除此之外，力學(xué)參數(shù)取值是一個(gè)備受討論的話(huà)題，很少研究不同粗顆粒含量和其他因素作用下參數(shù)變化情況。
含粗粒土的粗粒含量是決定其變形破壞的關(guān)鍵因素，對(duì)其力學(xué)性能有著重要的影響。Shakoor等[1]對(duì)含粗粒土進(jìn)行過(guò)直接剪切試驗(yàn)，得到含石率增加，含粗?；瑤猎嚇拥臒o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降[2]。提出了一種基于加利福尼亞弗朗西斯卡地區(qū)滑坡現(xiàn)場(chǎng)分析的反演方法，可用于評(píng)測(cè)不同巖土體的力學(xué)特性。Vallejo等[3，4]探討了粗粒含量對(duì)含粗?；瑤量辜魪?qiáng)度及其內(nèi)部孔隙比的影響。方慶軍等[5]利用光學(xué)測(cè)試技術(shù)，獲取試樣觀測(cè)面在荷載作用下連續(xù)變化的數(shù)字圖像，并結(jié)合數(shù)字相關(guān)法，進(jìn)行試樣表面相對(duì)位移場(chǎng)的測(cè)量，以確定剪切帶通過(guò)的區(qū)域，進(jìn)而確定剪切帶細(xì)觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)區(qū)域。
本項(xiàng)研究利用室內(nèi)直剪儀，借助有機(jī)鋼化玻璃對(duì)剪切盒進(jìn)行可視化改造，在鋼化玻璃前放置高清數(shù)字視頻錄制設(shè)備，錄攝剪切盒中含粗粒土試樣中的土顆粒的變化情況，研究滑坡滑帶土的力學(xué)行為特性。首先進(jìn)行滑帶土野外取樣，通過(guò)調(diào)整滑帶土的粗粒含量得到不同類(lèi)別的滑帶土重塑試樣，利用室內(nèi)剪切試驗(yàn)得到滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。通過(guò)這些研究，希望能對(duì)今后滑坡滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的選取提供參考。我們把含粗?；瑤恋暮暧^的力學(xué)特征與細(xì)觀參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，完善滑帶土受力后的宏、細(xì)觀機(jī)理。
1 試驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是滑帶土力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)，這方面的研究一直是巖土工程專(zhuān)家學(xué)者的熱點(diǎn)，直剪試驗(yàn)由于其操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣而應(yīng)用最為普遍。直剪試驗(yàn)儀器雖在近年得到了發(fā)展，但仍存在不足，由于傳統(tǒng)剪切盒均是由不透明的鋼板制作而成，很難直接觀測(cè)到試樣在剪切過(guò)程中粗顆粒錯(cuò)動(dòng)、剪碎、翻滾等細(xì)觀參數(shù)的變化情況。
傳統(tǒng)的直剪試驗(yàn)只能得出土體的強(qiáng)度參數(shù)，而無(wú)法探究含粗粒土在受剪時(shí)的土顆粒的運(yùn)動(dòng)變形過(guò)程，為了測(cè)出含粗粒土在受剪時(shí)的變形狀態(tài)，需要對(duì)剪切盒進(jìn)行可視化改造。本項(xiàng)研究將上剪切盒由完全透明的有機(jī)鋼化玻璃制成，上剪切盒主體為83 mm×83 mm×25 mm的長(zhǎng)方體(見(jiàn)圖1)?？芍苯佑^測(cè)含粗粒土的變形破壞情況。通過(guò)觀察顆粒運(yùn)動(dòng)及土體變形，能更加深刻的了解含粗粒土剪切破壞情況及理解直剪試驗(yàn)的原理，從而更好地理解含粗粒土的受力情況和剪切帶的發(fā)育過(guò)程。
利用高清數(shù)字視頻錄制設(shè)備通過(guò)透明的有機(jī)玻璃錄攝剪切盒中土顆粒變化情況，由數(shù)字圖像細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析軟件，統(tǒng)計(jì)分析含粗?；瑤令w粒長(zhǎng)軸定向等細(xì)觀組構(gòu)參量的變化規(guī)律。
試驗(yàn)其他方面可按照直剪試驗(yàn)要求操作，首先配置試樣，測(cè)定原狀土的成分，并使用一組不同孔徑大小的標(biāo)準(zhǔn)土壤篩分離一定量的對(duì)應(yīng)于篩孔尺寸的土粒，通過(guò)稱(chēng)重得到各組的質(zhì)量，即可得到各粒組相對(duì)含量。此試驗(yàn)的含粗粒土重塑樣細(xì)粒組含量與原狀樣相同，不斷增加粗粒含量部分，粒徑為2 mm～0.5 mm，0.5 mm～0.25 mm和0.25 mm～0.075 mm間顆粒質(zhì)量相同程度增加。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算粗粒干土和水的質(zhì)量。將分層的土放入置于電子秤上的容器中，慢慢將水噴入其中，防止加水過(guò)量。
本次試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀，所需環(huán)刀尺寸為直徑61.8 mm，高度20 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，得出不同垂直壓應(yīng)力P(100 kPa,200 kPa,300 kPa, 400 kPa)對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度τ，τ和P符合庫(kù)侖方程，繪制τ—P關(guān)系曲線(xiàn)，得出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角Φ和粘聚力C。
直剪試驗(yàn)過(guò)程中，剪切面附近上剪切盒中顆粒會(huì)因受力而運(yùn)動(dòng)，可視化剪切盒可以使直剪試驗(yàn)中土顆粒的受剪過(guò)程直觀的展現(xiàn)出來(lái)，利用高清數(shù)碼攝錄裝置記錄下來(lái)，并利用圖像處理軟件進(jìn)行分析處理(見(jiàn)圖2)。
2 試驗(yàn)結(jié)果
直剪試驗(yàn)研究表明：粗粒含量的變化會(huì)引起滑動(dòng)帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，從而對(duì)滑動(dòng)帶抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響。當(dāng)含粗粒土中粗粒含量大于25%并小于30%時(shí)，抗剪強(qiáng)度基本上決定于細(xì)粒土；粗粒含量在30%～50%時(shí)，粗細(xì)粒的組合一起決定抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度隨著粗粒含量的上升而迅速增大。
本項(xiàng)研究嘗試運(yùn)用數(shù)字圖像分析軟件，對(duì)滑動(dòng)帶滑動(dòng)過(guò)程細(xì)觀圖像進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)：含粗粒滑帶土試樣的粗粒含量大于25%并小于30%時(shí)，粗顆粒懸浮于細(xì)顆粒中，可定義為“懸浮結(jié)構(gòu)”；當(dāng)粗顆粒含量在30%～50%時(shí)，由于粗顆粒所占比重多，形成骨架，其在受力時(shí)起主要作用。開(kāi)始剪切試驗(yàn)后，隨著剪位移的增加，剪切盒內(nèi)粗顆粒產(chǎn)生平移、擠壓、轉(zhuǎn)動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)，滑動(dòng)帶中孔隙率逐漸降低。
3 試驗(yàn)結(jié)論
本項(xiàng)目通過(guò)調(diào)整滑帶土粗粒含量得到不同類(lèi)別的滑帶土重塑試樣，利用直剪試驗(yàn)得到滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。常規(guī)的直剪試驗(yàn)無(wú)法直接觀察直剪過(guò)程中內(nèi)部土樣的變化過(guò)程，本項(xiàng)研究利用有機(jī)鋼化。玻璃對(duì)直剪試驗(yàn)儀的剪切盒進(jìn)行可視化改造，借助高清數(shù)碼攝錄裝置觀察含粗?；瑤良羟羞^(guò)程中粗顆粒翻轉(zhuǎn)等細(xì)觀情況。所得結(jié)論如下：
1)含粗粒土的抗剪強(qiáng)度特性，當(dāng)粗粒含量在25%～30%范圍時(shí)，基本上細(xì)粒土決定含粗粒土的抗剪強(qiáng)度，粗粒含量的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響很小；粗粒含量在30%～50%時(shí)，粗細(xì)粒的組合一起決定抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度隨著粗粒含量的上升而迅速增大。粗粒含量是決定抗剪強(qiáng)度的主要因素。
2)含粗粒土，由粗粒和細(xì)粒共同組成，當(dāng)含粗粒土中粗粒含量不同時(shí)，試樣中粗粒和細(xì)粒的分布狀態(tài)不同，其接觸受力狀態(tài)也不同，當(dāng)粗粒含量在25%～30%范圍時(shí)，含粗粒土中粗顆粒所占比例較低，粗顆粒懸浮于細(xì)顆粒中，其工程性質(zhì)與力學(xué)性能的特點(diǎn)類(lèi)似于細(xì)粒土。其強(qiáng)度主要由細(xì)粒土決定，此時(shí)可定義為“懸浮結(jié)構(gòu)”。當(dāng)粗顆粒含量在30%～50%時(shí)，由于粗顆粒所占比重多，形成骨架，其在受力時(shí)起主要作用，細(xì)顆粒存在于粗顆粒的空隙中。含粗粒土強(qiáng)度由粗顆粒間的嵌鎖和細(xì)粒的膠結(jié)作用構(gòu)成。
3)可視化直剪初期，位移和應(yīng)變分布不均勻，只有部分顆粒表現(xiàn)出較大的位移和剪應(yīng)變，隨著剪切運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，試樣中粗顆粒產(chǎn)生平移、擠壓、錯(cuò)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒接觸不斷調(diào)整。
李鴻釗 李澤闖 袁安泰 趙金炎 蘇新成
(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)
0 引言
滑坡出現(xiàn)，對(duì)人民生活、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失，滑坡滑帶土存在于多數(shù)滑坡的滑床與滑體之間，成為滑坡中力學(xué)強(qiáng)度最低的軟弱帶。大量滑坡的滑帶土勘察數(shù)據(jù)表明，土質(zhì)滑坡的滑帶土多為含粗粒土，即根據(jù)SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程，試樣中粗粒組質(zhì)量為總質(zhì)量的25%～50%的土。對(duì)含粗?；瑤恋难芯坑泻芏鄦?wèn)題。首先，現(xiàn)在對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的研究沒(méi)有好的方法；除此之外，力學(xué)參數(shù)取值是一個(gè)備受討論的話(huà)題，很少研究不同粗顆粒含量和其他因素作用下參數(shù)變化情況。
含粗粒土的粗粒含量是決定其變形破壞的關(guān)鍵因素，對(duì)其力學(xué)性能有著重要的影響。Shakoor等[1]對(duì)含粗粒土進(jìn)行過(guò)直接剪切試驗(yàn)，得到含石率增加，含粗?；瑤猎嚇拥臒o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降[2]。提出了一種基于加利福尼亞弗朗西斯卡地區(qū)滑坡現(xiàn)場(chǎng)分析的反演方法，可用于評(píng)測(cè)不同巖土體的力學(xué)特性。Vallejo等[3，4]探討了粗粒含量對(duì)含粗?；瑤量辜魪?qiáng)度及其內(nèi)部孔隙比的影響。方慶軍等[5]利用光學(xué)測(cè)試技術(shù)，獲取試樣觀測(cè)面在荷載作用下連續(xù)變化的數(shù)字圖像，并結(jié)合數(shù)字相關(guān)法，進(jìn)行試樣表面相對(duì)位移場(chǎng)的測(cè)量，以確定剪切帶通過(guò)的區(qū)域，進(jìn)而確定剪切帶細(xì)觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)區(qū)域。
本項(xiàng)研究利用室內(nèi)直剪儀，借助有機(jī)鋼化玻璃對(duì)剪切盒進(jìn)行可視化改造，在鋼化玻璃前放置高清數(shù)字視頻錄制設(shè)備，錄攝剪切盒中含粗粒土試樣中的土顆粒的變化情況，研究滑坡滑帶土的力學(xué)行為特性。首先進(jìn)行滑帶土野外取樣，通過(guò)調(diào)整滑帶土的粗粒含量得到不同類(lèi)別的滑帶土重塑試樣，利用室內(nèi)剪切試驗(yàn)得到滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。通過(guò)這些研究，希望能對(duì)今后滑坡滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的選取提供參考。我們把含粗?；瑤恋暮暧^的力學(xué)特征與細(xì)觀參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，完善滑帶土受力后的宏、細(xì)觀機(jī)理。
1 試驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是滑帶土力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)，這方面的研究一直是巖土工程專(zhuān)家學(xué)者的熱點(diǎn)，直剪試驗(yàn)由于其操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣而應(yīng)用最為普遍。直剪試驗(yàn)儀器雖在近年得到了發(fā)展，但仍存在不足，由于傳統(tǒng)剪切盒均是由不透明的鋼板制作而成，很難直接觀測(cè)到試樣在剪切過(guò)程中粗顆粒錯(cuò)動(dòng)、剪碎、翻滾等細(xì)觀參數(shù)的變化情況。
傳統(tǒng)的直剪試驗(yàn)只能得出土體的強(qiáng)度參數(shù)，而無(wú)法探究含粗粒土在受剪時(shí)的土顆粒的運(yùn)動(dòng)變形過(guò)程，為了測(cè)出含粗粒土在受剪時(shí)的變形狀態(tài)，需要對(duì)剪切盒進(jìn)行可視化改造。本項(xiàng)研究將上剪切盒由完全透明的有機(jī)鋼化玻璃制成，上剪切盒主體為83 mm×83 mm×25 mm的長(zhǎng)方體(見(jiàn)圖1)?？芍苯佑^測(cè)含粗粒土的變形破壞情況。通過(guò)觀察顆粒運(yùn)動(dòng)及土體變形，能更加深刻的了解含粗粒土剪切破壞情況及理解直剪試驗(yàn)的原理，從而更好地理解含粗粒土的受力情況和剪切帶的發(fā)育過(guò)程。
利用高清數(shù)字視頻錄制設(shè)備通過(guò)透明的有機(jī)玻璃錄攝剪切盒中土顆粒變化情況，由數(shù)字圖像細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析軟件，統(tǒng)計(jì)分析含粗?；瑤令w粒長(zhǎng)軸定向等細(xì)觀組構(gòu)參量的變化規(guī)律。
試驗(yàn)其他方面可按照直剪試驗(yàn)要求操作，首先配置試樣，測(cè)定原狀土的成分，并使用一組不同孔徑大小的標(biāo)準(zhǔn)土壤篩分離一定量的對(duì)應(yīng)于篩孔尺寸的土粒，通過(guò)稱(chēng)重得到各組的質(zhì)量，即可得到各粒組相對(duì)含量。此試驗(yàn)的含粗粒土重塑樣細(xì)粒組含量與原狀樣相同，不斷增加粗粒含量部分，粒徑為2 mm～0.5 mm，0.5 mm～0.25 mm和0.25 mm～0.075 mm間顆粒質(zhì)量相同程度增加。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算粗粒干土和水的質(zhì)量。將分層的土放入置于電子秤上的容器中，慢慢將水噴入其中，防止加水過(guò)量。
本次試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀，所需環(huán)刀尺寸為直徑61.8 mm，高度20 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，得出不同垂直壓應(yīng)力P(100 kPa,200 kPa,300 kPa, 400 kPa)對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度τ，τ和P符合庫(kù)侖方程，繪制τ—P關(guān)系曲線(xiàn)，得出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角Φ和粘聚力C。
直剪試驗(yàn)過(guò)程中，剪切面附近上剪切盒中顆粒會(huì)因受力而運(yùn)動(dòng)，可視化剪切盒可以使直剪試驗(yàn)中土顆粒的受剪過(guò)程直觀的展現(xiàn)出來(lái)，利用高清數(shù)碼攝錄裝置記錄下來(lái)，并利用圖像處理軟件進(jìn)行分析處理(見(jiàn)圖2)。
2 試驗(yàn)結(jié)果
直剪試驗(yàn)研究表明：粗粒含量的變化會(huì)引起滑動(dòng)帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，從而對(duì)滑動(dòng)帶抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響。當(dāng)含粗粒土中粗粒含量大于25%并小于30%時(shí)，抗剪強(qiáng)度基本上決定于細(xì)粒土；粗粒含量在30%～50%時(shí)，粗細(xì)粒的組合一起決定抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度隨著粗粒含量的上升而迅速增大。
本項(xiàng)研究嘗試運(yùn)用數(shù)字圖像分析軟件，對(duì)滑動(dòng)帶滑動(dòng)過(guò)程細(xì)觀圖像進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)：含粗粒滑帶土試樣的粗粒含量大于25%并小于30%時(shí)，粗顆粒懸浮于細(xì)顆粒中，可定義為“懸浮結(jié)構(gòu)”；當(dāng)粗顆粒含量在30%～50%時(shí)，由于粗顆粒所占比重多，形成骨架，其在受力時(shí)起主要作用。開(kāi)始剪切試驗(yàn)后，隨著剪位移的增加，剪切盒內(nèi)粗顆粒產(chǎn)生平移、擠壓、轉(zhuǎn)動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)，滑動(dòng)帶中孔隙率逐漸降低。
3 試驗(yàn)結(jié)論
本項(xiàng)目通過(guò)調(diào)整滑帶土粗粒含量得到不同類(lèi)別的滑帶土重塑試樣，利用直剪試驗(yàn)得到滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。常規(guī)的直剪試驗(yàn)無(wú)法直接觀察直剪過(guò)程中內(nèi)部土樣的變化過(guò)程，本項(xiàng)研究利用有機(jī)鋼化。玻璃對(duì)直剪試驗(yàn)儀的剪切盒進(jìn)行可視化改造，借助高清數(shù)碼攝錄裝置觀察含粗?；瑤良羟羞^(guò)程中粗顆粒翻轉(zhuǎn)等細(xì)觀情況。所得結(jié)論如下：
1)含粗粒土的抗剪強(qiáng)度特性，當(dāng)粗粒含量在25%～30%范圍時(shí)，基本上細(xì)粒土決定含粗粒土的抗剪強(qiáng)度，粗粒含量的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響很小；粗粒含量在30%～50%時(shí)，粗細(xì)粒的組合一起決定抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度隨著粗粒含量的上升而迅速增大。粗粒含量是決定抗剪強(qiáng)度的主要因素。
2)含粗粒土，由粗粒和細(xì)粒共同組成，當(dāng)含粗粒土中粗粒含量不同時(shí)，試樣中粗粒和細(xì)粒的分布狀態(tài)不同，其接觸受力狀態(tài)也不同，當(dāng)粗粒含量在25%～30%范圍時(shí)，含粗粒土中粗顆粒所占比例較低，粗顆粒懸浮于細(xì)顆粒中，其工程性質(zhì)與力學(xué)性能的特點(diǎn)類(lèi)似于細(xì)粒土。其強(qiáng)度主要由細(xì)粒土決定，此時(shí)可定義為“懸浮結(jié)構(gòu)”。當(dāng)粗顆粒含量在30%～50%時(shí)，由于粗顆粒所占比重多，形成骨架，其在受力時(shí)起主要作用，細(xì)顆粒存在于粗顆粒的空隙中。含粗粒土強(qiáng)度由粗顆粒間的嵌鎖和細(xì)粒的膠結(jié)作用構(gòu)成。
3)可視化直剪初期，位移和應(yīng)變分布不均勻，只有部分顆粒表現(xiàn)出較大的位移和剪應(yīng)變，隨著剪切運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，試樣中粗顆粒產(chǎn)生平移、擠壓、錯(cuò)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒接觸不斷調(diào)整。
