黃宜勝 方鼎元 李建林 王彥海 李新哲

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

土石混合體是指第四紀(jì)以來形成的一種介于均質(zhì)土體和裂隙巖體之間，由具有一定工程尺度的強度較高巖塊和強度相對較低的細粒土體及相應(yīng)的孔隙等組成的極端不均勻的松散巖土介質(zhì)系統(tǒng)[1]．在我國廣泛存在由土石混合體組成的滑坡和邊坡，據(jù)統(tǒng)計，僅長江上游地區(qū)100 km2范圍內(nèi)就有1 736處滑坡，總體積為133.9億m3，其中90%為土石混合體滑坡[2]．同時三峽庫區(qū)還存在著前緣高程低于175 m，總面積達135.9 km2的崩塌體，約占水庫總面積的12.5%[3]．這些邊坡及滑坡的穩(wěn)定性是區(qū)域工程地質(zhì)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，也與庫區(qū)人民的生活生產(chǎn)及安全密切相關(guān)．因此，研究土石混合體的力學(xué)性質(zhì)，特別是在剪切狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)是非常有必要的．

土石混合體的高度離散性特征決定了土石混合體變形破壞和內(nèi)部細觀機理的特殊性，也決定了其研究方法與傳統(tǒng)巖土力學(xué)方法存在著重大差異．土石混合體含有不同大小、不同種類、不同數(shù)量的礫石塊體，具有典型的非均質(zhì)、非連續(xù)性，很難在現(xiàn)場采集到原狀樣來進行室內(nèi)試驗，而室外大尺度原位試驗可以直接對原位樣進行測試，簡單易行、費用低、結(jié)果可靠，因此室外原位試驗已成為研究土石混合體力學(xué)特性的一種有效手段．油新華、李曉、徐文杰等通過大量室外原位試驗，詳細介紹了土石混合體分布特點、地質(zhì)成因、結(jié)構(gòu)特征及其變形破壞特性，為室內(nèi)試驗的開展奠定了良好的基礎(chǔ)[4-6]．室外原位試驗多以獲取土石混合體宏觀力學(xué)參數(shù)為目的，難以深入揭示土石混合體變形破壞的本質(zhì)規(guī)律、內(nèi)在機理和決定性因素．因此，室內(nèi)試驗成為揭示土石混合體力學(xué)響應(yīng)及變形破壞機理的重要途徑．鄧華鋒、趙明華、胡峰等基于大量的室內(nèi)直剪試驗，研究了不同組成結(jié)構(gòu)特性如含石量、粒度組成與分布、含水率等對土石混合體的剪切強度和變形破壞的影響[7-9]．可是常規(guī)的土石混合體室內(nèi)試驗均為小試樣試驗，其結(jié)果不可避免地受到尺寸效應(yīng)的影響，而且原狀樣在取樣和運輸工程中會對試樣有一定損傷作用，其結(jié)構(gòu)性發(fā)生了變化，導(dǎo)致其強度參數(shù)也會發(fā)生變化．

上述研究成果一般是單方面進行室外原位試驗或者室內(nèi)原狀樣試驗，這就勢必提出這樣一個問題，原位試驗與室內(nèi)試驗所得指標(biāo)是否一致？為解決上述問題，本文以三峽庫區(qū)具有代表性的藕塘滑坡為例，對滑坡體上的土石混合體采用室外原位與室內(nèi)原狀樣直剪試驗相結(jié)合的研究方法，綜合分析，互相驗證，初步獲得了土石混合體更加準(zhǔn)確而全面的力學(xué)特性及其相應(yīng)的強度參數(shù)研究方法．

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗點選取

試驗地點為三峽庫區(qū)代表性滑坡藕塘滑坡，其位于重慶市奉節(jié)縣安坪鎮(zhèn)長江右岸，藕塘滑坡為古滑坡，面積約1.78 km2．滑坡區(qū)上層巖性主要為第四系覆蓋層，試驗點巖土體類別主要由粉質(zhì)粘土夾砂巖、粉砂巖及粘土巖碎塊石組成，顏色為黃褐色，粉質(zhì)粘土呈可塑、可硬塑狀，塊石塊徑1～70 cm，多呈棱角狀或次棱角狀，塊石含量一般為40%～80%．

根據(jù)高程由下至上在滑坡上依次選取4組試驗點，每組試驗點開挖3個試樣，為了保證每個試樣土石混合體的結(jié)構(gòu)及組成的相似性，每組的3個試樣以臨近位置為主．室外試驗點編號根據(jù)高程由下至上分別為YW1、YW2、YW3、YW4．為保證室外原位樣與室內(nèi)原狀樣力學(xué)特性的可比性，在每組室外原位試驗結(jié)束后原地采集4個原狀樣，每組室內(nèi)原狀樣編號與室外原位樣一一對應(yīng)，4組室內(nèi)原狀樣編號分別為YZY1、YZY2、YZY3、YZY4，共計16個原狀樣運回實驗室開展室內(nèi)直剪試驗．

1.2 直剪試驗法向應(yīng)力選取

藕塘滑坡滑體厚度一般為40～70 m，平均厚度約為50.8 m[10]．經(jīng)室內(nèi)稱重，室外原位4個試驗點土石混合體平均密度約為1.916 g/cm3，由此可以得出主滑帶處平均法向應(yīng)力約為50.8×1.916×10=973.328 kPa．綜合考慮藕塘滑坡三級滑帶深度的差異性及室內(nèi)外試驗設(shè)備加載能力的限制，室外原位直剪試驗3級法向應(yīng)力定為50.86、76.30、101.73 kPa，室內(nèi)原狀樣直剪試驗4級法向應(yīng)力定為100、200、300、400 kPa．

1.3 室外原位直剪試驗方案

1.3.1 試驗設(shè)備

室外原位試驗所包括的設(shè)備有：①剪切盒：用于制備試樣，試樣尺寸為500 mm×500 mm×300 mm；②位移計：在剪切盒前后各安放一個位移計，用于測量土石混合體試樣在剪切過程中的位移變化，試驗完成后取兩個位移計讀數(shù)的平均值為剪切位移；③千斤頂：用于對土石混合體試樣施加法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力；④反力裝置：運用地錨提供垂直壓力反力，以達到直剪結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力平衡．如圖1所示．

圖1 室外原位直剪試驗設(shè)備

1.3.2 試驗步驟

對室外原位每組3個原位樣分別施加3級法向應(yīng)力，3級法向應(yīng)力分別為50.86、76.30、101.73 kPa．室外原位直剪試驗采用平推法，在不同的法向應(yīng)力下，施加水平剪力使其破壞，記錄試樣剪切過程中的剪切應(yīng)力和剪切位移，繪制出土石混合體試樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，從而得出每組試驗點土石混合體的抗剪強度．

1.4 室內(nèi)原狀樣直剪試驗方案

1.4.1 試驗設(shè)備

室內(nèi)原狀樣試驗所包括的設(shè)備有：①PVC管：采用外徑250 mm內(nèi)徑240 mm，高200 mm的PVC管運輸及保存原狀樣，同時室內(nèi)原狀樣采用直徑240 mm，高200 mm的圓柱體進行直剪；②直剪儀：為了更加準(zhǔn)確獲得土石混合體的強度特性，選用YZW1000型應(yīng)力式直剪儀對原狀樣進行剪切．如圖2所示．

圖2 室內(nèi)原狀樣直剪試驗設(shè)備

1.4.2 實驗步驟

對每個室外原位試驗點現(xiàn)場所采集的4個原狀樣分別施加4級法向應(yīng)力，4級法向應(yīng)力分別為100、200、300、400 kPa．將原狀樣置于直剪儀中，采用不固結(jié)不排水剪切方式，并設(shè)置直剪儀剪切參數(shù)，其中水平剪切荷載加載速率為1.0 mm/min，最大剪切位移36 mm．直剪試驗完成后，導(dǎo)出直剪儀自動生成的數(shù)據(jù)，繪制室內(nèi)原狀樣的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線．

2 粒度組成分析

根據(jù)室外原位各試驗點的分布，分別對YW1、YW2、YW3、YW4試驗點的土石混合體采用室內(nèi)篩分法進行了粒徑分析，同時采用室內(nèi)烘干法進行了含水率的測量．通過標(biāo)準(zhǔn)篩可得原位每組試驗點土石混合體的級配曲線(如圖3所示)及粒徑分布直方圖(如圖4所示)．在圖4中，組別1：大于60 mm；組別2：40～60 mm；組別3：20～40 mm；組別4：10～20 mm；組別5：5～10 mm；組別6：2～5 mm；組別7：1～2 mm；組別8：0.5～1 mm；組別9：0.25～0.5 mm；組別10：0.075～0.25 mm；組別11：小于0.075 mm．經(jīng)統(tǒng)計，不同試驗點含水率、含石量、不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)見表1．

圖3 原位每組試驗點級配曲線圖

圖4 原位每組試驗點粒徑分布直方圖

試驗點W/%R/%CcCuYW116.6128.724.970.33YW215.6732.326.770.93YW315.3935.848.570.67YW415.1536.227.420.87

通過對上述圖表的分析，可以得出：

1)滑坡不同位置上土石混合體粒徑分布差異明顯，含石量各不相同(粒徑大于5 mm)，離散性較大，這也在一定程度上反映出土石混合體研究的困難性．但是從粒徑分布整體上來看，又有一定的共性．該土石混合體滑坡每組試驗點粒徑組別的質(zhì)量百分含量最高的均為第六組，也就是該滑坡2～5 mm的粒徑含量最高，同時從圖4可以看出粒徑的大小基本上符合對數(shù)正態(tài)分布，呈現(xiàn)偏正態(tài)，這也說明自然界土石混合體的粒徑分布具有一定的規(guī)律可循．

2)通過級配曲線，采用內(nèi)插法計算出每組室外原位試驗點的不均勻系數(shù)(Cu)和曲率系數(shù)(Cc)，如表1所示．從表中綜合分析，該土石混合體滑坡各粒徑分布極度不均勻，離散程度較大，不均勻系數(shù)(Cu)均大于24，最大甚至達到48.57，但曲率系數(shù)(Cc)較小，且都不過1，說明該滑坡粒徑組成在d30與d60范圍內(nèi)有臺階，這一范圍內(nèi)缺失某大小粒徑，該土石混合體滑坡級配不良．

3)通過比較各試驗點含水率及含石量情況，可以看出越靠近庫岸，其含水率越高，但相應(yīng)的含石量卻越低．

3 室外原位與室內(nèi)原狀樣直剪試驗結(jié)果對比

3.1 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線結(jié)果分析

圖5、圖6分別為每組室外原位樣與每組室內(nèi)原狀樣在不同法向應(yīng)力下剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，兩種試驗方式抗剪強度統(tǒng)計表分別見表2、表3．

圖5 室外原位直剪試驗剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖6 室內(nèi)原狀樣直剪試驗剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

表2 室外原位直剪試驗抗剪強度統(tǒng)計表(單位：kPa)

表3 室內(nèi)原狀樣直剪試驗抗剪強度統(tǒng)計表(單位：kPa)

分析上述曲線及數(shù)據(jù)，可知：

1)室內(nèi)原狀樣與室外原位直剪過程基本上表現(xiàn)為全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，變化特征表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力屈服及塑形變形．兩種試驗曲線總體規(guī)律一致．

2)室外原位試驗和室內(nèi)原狀樣試驗的峰值強度均隨法向應(yīng)力的增大而增大，且曲線初始線彈性變形階段也隨之變長，且更陡，彈性模量因此更大．剪切過程有峰值強度，但不顯著，所有試樣的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線在峰值強度前后很大的范圍內(nèi)幾乎呈現(xiàn)水平狀發(fā)展，這也說明土石混合體這種材料具有較高的承載能力和大變形性特征．

3.2 直剪試驗抗剪強度參數(shù)誤差分析

根據(jù)直剪試驗做出抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線，根據(jù)曲線中的回歸直線方程可得出土石混合體的內(nèi)摩擦角φ及粘聚力c．圖7、圖8分別是室外與室內(nèi)直剪試驗抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線，相關(guān)系數(shù)基本在95%以上，擬合效果較好．相比于室內(nèi)原狀樣直剪試驗，做出室外原位直剪試驗抗剪強度參數(shù)的變化率統(tǒng)計表，增大為正，減小為負，見表4．

圖7 室外原位試驗抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線

圖8 室內(nèi)原狀樣試驗抗剪強度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線

組號室外試驗強度參數(shù)φ/° c/kPa室內(nèi)試驗強度參數(shù)φ/° c/kPa參數(shù)變化率φ/° c/kPa128.8169.9327.0266.25-6.21-5.26234.0265.0630.0559.48-11.67-8.58338.6560.5433.4853.15-13.38-12.21439.5260.4134.2752.67-13.28-12.81

分析上述曲線及數(shù)據(jù)，可知：

1)室外原位試驗和室內(nèi)原狀樣試驗抗剪強度參數(shù)在整體變化趨勢上是一致的，僅僅是數(shù)值上有點變化，這也說明在一定誤差范圍內(nèi)，室內(nèi)原狀樣試驗?zāi)苷鎸嵎从吵鍪彝庠辉囼炋匦缘淖兓厔荩?/p>

2)從室外原位直剪試驗結(jié)果來看，土石混合體的抗剪強度的c、φ值明顯大于室內(nèi)原狀樣試驗結(jié)果，c值降幅在5.26%～12.81%，φ值降幅在6.21%～13.38%之間，且φ值下降的程度略大于c值．室內(nèi)原狀樣在取樣、運輸、貯存過程中會對試樣有一定的擾動和應(yīng)力釋放，內(nèi)部的原始粘聚力遭到破壞而降低．同時室外原位土含有大量風(fēng)化不完全的膨脹巖塊，在震動情況下，會導(dǎo)致其一定程度上的破碎，表現(xiàn)為尺寸的變小和外輪廓由粗糙變得相對規(guī)則，內(nèi)摩擦角因此降低．綜上，土石混合體的結(jié)構(gòu)性發(fā)生了改變，變得相對不穩(wěn)定，表現(xiàn)出抗剪強度的降低．

3)室外原位樣YW1抗剪強度參數(shù)降低的幅度最小，φ值降低了6.21%，c值降低了5.26%，其他3個試驗點降幅均超過10%．由于YW1試驗點處在滑坡坡腳消落帶上，長期的庫水作用早已經(jīng)對土石混合體剪切強度造成了很大的劣化作用，削弱了其原始粘聚力．此外由于庫水的潤滑作用，粒間摩擦系數(shù)也會減?。虼?，YW1試驗點試樣強度已經(jīng)降低了很大程度，結(jié)構(gòu)早已改變．即使取樣、運輸?shù)冗^程會進一步削弱其強度，但是影響程度由于庫水作用會比其他原位試驗點低，表現(xiàn)為降低幅度低．

4 結(jié) 論

1)土石混合體滑坡不同位置粒徑分布差異明顯，含石量各不相同，但在研究范圍內(nèi)從整體性上分析粒徑分布又有一定的共性與相似性．

2)通過綜合分析室外原位直剪試驗和室內(nèi)原狀樣直剪試驗結(jié)果，土石混合體在剪切過程中變化特征均表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力屈服及塑形變形，這說明土石混合體這種材料具有較高的承載能力和大變形特征．

3)在兩種試驗方式下可以看出，反映在土石混合體的變化規(guī)律及力學(xué)特性基本是一致的，這為今后開展的土石混合體室內(nèi)試驗的準(zhǔn)確性提供了一定的理論支撐．