江強強 徐楊青 王 浩

(①中煤科工集團武漢設(shè)計研究院有限公司，武漢 430064，中國)(②中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071，中國)

0 引 言

土石混合體是指由土體與塊石隨機混合的一種介于均質(zhì)土體和碎裂巖體之間的極端不均勻巖土松散介質(zhì)(徐文杰等，2009；鐘祖良等，2016)。自然界中土石混合體分布廣泛，在三峽庫區(qū)，兩岸就分布諸多由殘積層、坡積層、崩滑堆積等組成的松散土石混合體滑坡(鄧清祿等，2000；李曉等，2008)。這類滑坡體結(jié)構(gòu)松散、強度剛度較低，在自重及外力作用下，容易產(chǎn)生塑性變形，呈現(xiàn)局部應(yīng)力-應(yīng)變集中區(qū)，進而演化形成剪切滑移面，使滑坡的復(fù)活形式趨于多樣化，即不僅有沿土石混合體與基巖接觸面的整體滑動，亦不乏在滑體內(nèi)孕育新的次級滑面而滑移失穩(wěn)(張永雙等，2018)。為此，探究土石混合體的強度和變形特性，對開展土石混合體滑坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)機制研究具有重要意義。

近些年，隨著土石混合體這一概念被廣泛認同后，圍繞其結(jié)構(gòu)要素(含水量、含石量、塊石尺寸、塊石形狀等)與物理力學(xué)特性方面開展了一系列研究。徐文杰等(2006)對金沙江虎跳峽地區(qū)分布的土石混合體進行了大量的原位水平推剪試驗，對比了土石混合體在天然和浸水狀態(tài)下的強度特征。廖秋林等(2010)開展不同含石量土石混合體室內(nèi)單軸試驗，研究彈性模量和抗壓強度與含石量的關(guān)系。歐陽振華等(2010)基于室內(nèi)試驗探討了含石量、塊石排列、塊石尺寸對土石混合體力學(xué)性能的影響，指出就土石混合體抗剪強度而言，其影響順序塊石尺寸>含石量>塊石排列。唐建一等(2018)利用土石混合體單剪試驗探究了含石量和土石混合體結(jié)構(gòu)形式對強度指標的影響，指出土石混合體結(jié)構(gòu)特征的的變化是造成了其抗剪強度改變的本質(zhì)原因。楊忠平等(2020)基于離散元數(shù)值模擬方法研究了土石混合體的剪切特性，初步揭示了土石混合體宏觀強度和變形特征的細觀機理。胡瑞林等(2020)利用多尺度的宏-微觀試驗及模擬開展了土石混合體的結(jié)構(gòu)控制機理研究，系統(tǒng)闡明了含石量、塊石形狀、基質(zhì)組分、土-石級配等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子對土石混合體強度、變形、滲透特性的影響規(guī)律。

在開展土石混合體強度特性方面研究的同時，其變形破壞特征也受到廣泛關(guān)注。鄭博寧等(2019)基于CT掃描圖像技術(shù)建立了反映塊石真實形態(tài)的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型，研究了三軸剪切過程中土-石的變形及運動特征。王宇等(2015)介紹了土石混合體重塑樣的制備工藝，利用室內(nèi)試驗結(jié)合CT掃描研究了土石混合體單軸受壓下應(yīng)力-應(yīng)變特征及試樣裂紋開裂、擴展、聚集和貫通破壞的全過程，認為土-石彈性不匹配及界面差異性滑移是引起裂紋產(chǎn)生的根本原因。夏加國等(2017)采用特制的大型三軸剪切試驗儀，研究了含超徑顆粒土石混合體的剪脹效應(yīng)與含石量的關(guān)系。劉新榮等(2017)利用三維激光掃描技術(shù)分析了塊石對土石混合體的剪切面三維形態(tài)影響，發(fā)現(xiàn)隨含石量增加，土石混合體剪切破壞起伏程度增大。

以上研究在一定程度上揭示了土石混合體強度和變形特性，但限于試樣內(nèi)部變形觀測手段的不足，對土石混合體剪切變形行為，特別是塊石轉(zhuǎn)動、運移及剪切變形帶形成演化過程等卻研究較少?；诖?，本文以含石量為主要控制因素，擬開展土石混合體室內(nèi)大型直剪試驗，通過打孔-插絲-灌砂的方法監(jiān)測土石混合體剪切過程中的變形破壞特征，以期進一步深化土石混合體剪切變形行為及強度產(chǎn)生機制的認識。

1 土石混合體大型直剪試驗

1.1 試驗設(shè)備

本試驗采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所THE-1000型室內(nèi)大型直剪試驗機如圖1所示。該直剪試驗設(shè)備主要包括承載框架、剛性剪切盒、水平剪切加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)量測系統(tǒng)等五大組成部分，其中：上、下剪切盒內(nèi)部尺寸均為500imm×500imm×200imm(長×寬×高)，加載系統(tǒng)最大輸出荷載為1000ikN，最大剪切位移為150imm，試驗過程中加載系統(tǒng)可以采用應(yīng)力或位移控制實現(xiàn)上、下盒對推剪切，能夠滿足較大范圍粗顆粒土剪切試驗要求。此外，該試驗機還裝有垂直位移傳感器，可自動采集剪切過程中試樣的垂直位移變化。

圖1 室內(nèi)大型直剪試驗儀

1.2 試驗材料

試樣取自三峽庫區(qū)某大型堆積層滑坡前緣，埋深1.0～2.0im，主要由粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)泥巖碎石組成，為典型的土石混合體。試樣運回實驗室后，采用烘干法測得天然含水率為10.6%，干密度1.66 g·cm-3，篩分后的顆粒級配曲線如圖2所示。天然狀態(tài)土石混合體中<2imm的細粒含量占48.4%，按照《土工試驗規(guī)程》中關(guān)于土的工程分類的規(guī)定，可初步定名為粗粒土。

圖2 土石混合體的顆粒級配曲線

對于土石混合體而言，土和石的劃分閾值目前尚無明確規(guī)定，但多數(shù)文獻建議采用5imm作為土石混合體中的土和石的粒徑界限，本次試驗遂取土石閾值為5imm，即認為小于5imm的顆粒為“土”，大于5imm的顆粒為“石”。因此，現(xiàn)場取回的試樣含石量約為41.4%，含石量相對較高。

為盡量減小粗粒土剪切試驗的尺寸效應(yīng)，試驗規(guī)程規(guī)定剪切盒尺寸與試樣最大粒徑間需滿足：H/dmax為4～8，D/dmax為8～12(H為直剪盒的高度，D為直剪盒的長度，dmax為試樣最大顆粒粒徑)，本次直剪試驗機剪切盒尺寸為500imm×500imm×410imm，為此試樣在所有試驗中控制土樣顆粒的最大粒徑為60imm，篩分后的各粒組如圖3所示。

圖3 試驗材料

1.3 試樣制備及測試過程

由于含有數(shù)量眾多、尺度不一且隨機分布的塊石，土石混合體在細觀層次上呈現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)性特征，而含石量是土石混合體結(jié)構(gòu)性最直接的表現(xiàn)指標之一。為此，本文擬在試驗中主要考慮含石量的影響。根據(jù)含石量的不同，試驗分為6個小組，試樣均由過5imm篩的“細粒土”和粉砂質(zhì)泥巖礫石混合而成，其含石量分別為0%，20%，41.4%，60%，80%，100%，相應(yīng)的設(shè)計級配曲線如圖4所示，其中41.4%為天然含石量。

圖4 不同含石量試樣的顆粒級配曲線

為進一步研究剪切試驗過程中試樣內(nèi)部剪切變形特征及剪切帶形成演化規(guī)律，本試驗采用在試樣頂部打孔-埋線-灌砂的方法(胡峰等，2018)，以實現(xiàn)在封閉剪切條件下獲取剪切帶范圍及變形演化過程。該方法是在試樣裝填完成后，在頂部垂直打入鋼筋成孔，貫穿至下盒試樣底部，隨后在孔內(nèi)插入直徑為1imm的柔軟銅絲并灌石英粉砂充填，其實施過程如圖5所示。因此，通過銅絲與粉砂的變形特征，可以獲取剪切帶附近土、石顆粒的滑移特征及剪切帶厚度等信息，并可間接反映剪切變形帶的形成發(fā)展過程。

圖5 監(jiān)測方法示意圖(單位：mm)

試驗開始時，先施加較小的法向壓力使各部件緊密接觸，然后再施加法向壓力(本次試驗法向壓力分別設(shè)定為100ikPa、200ikPa、400ikPa、800ikPa)，達到預(yù)定值后進行快剪，剪切速率為2imm·min-1，當上下盒相對水平位移達到100imm左右時剪切完成。試驗終止后，在預(yù)埋銅絲位置處開挖豎直剖面，觀察、測量監(jiān)測孔及銅絲變形情況等。

2 試驗成果分析

2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移特征

不同含石量的6組試驗剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖6所示。由圖可知，當含石量較低時(0～20%)，隨剪切位移的增大，剪應(yīng)力不斷增長，表現(xiàn)應(yīng)變硬化特性，達到塑性屈服之后，變形表現(xiàn)為塑性流動，應(yīng)力基本保持不變，剪應(yīng)力-剪切位移曲線無明顯峰值剪應(yīng)力，表現(xiàn)為塑性應(yīng)變破壞模式。高含石量時(≥41.4%)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線主要經(jīng)歷應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化和殘余變形3個階段，存在明顯的峰值剪應(yīng)力，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化破壞模式。

圖6 不同含石量試樣剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

從圖中還可以看出，無論含石量和垂直壓力多大，剪切過程中剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線均存在一定程度的“跳躍”現(xiàn)象，特別是在試樣屈服和破壞階段更加顯著。究其原因除了加載系統(tǒng)伺服控制特點外，主要還是剪切過程中粗顆粒破碎、錯動和翻轉(zhuǎn)引起的。初始階段，試樣剪切變形主要為壓密和連續(xù)體變形，顆粒之間相互作用力較小尚不足以使足夠多的顆粒破碎、錯動和翻轉(zhuǎn)，剪應(yīng)力和剪切位移都以較穩(wěn)定的趨勢增長；隨著剪切位移的增大，顆粒間的咬合力因剪密而不斷增大，達到一定程度后可能引起顆粒破碎、錯動或翻轉(zhuǎn)，顆粒間因咬合而儲存的應(yīng)變能急劇釋放，剪應(yīng)力降低，隨后顆粒再次被咬合，剪應(yīng)力回升，導(dǎo)致剪應(yīng)力一定范圍內(nèi)波動，如此反復(fù)直至剪切面貫通，從而使剪應(yīng)力-剪切位移呈現(xiàn)一系列的“跳躍”現(xiàn)象。

2.2 剪脹性

不同含石量試樣剪切位移-垂直位移關(guān)系如圖7所示，總體而言，在垂直壓力σ≤200ikPa時，試樣均發(fā)生剪脹；在垂直壓力σ≥400ikPa時，試樣則表現(xiàn)為剪縮，且剪縮量隨垂直壓力增加而增加，符合粗粒料低壓剪脹、高壓剪縮的特性。不同含石量試樣的剪脹差異主要體現(xiàn)在最大剪脹量或剪縮量，具體見表1，表現(xiàn)為隨含石量增加，最大剪脹量逐漸增大，而最大剪縮量趨于降低，即含石量越大其剪脹特性越明顯；結(jié)合剪應(yīng)力-剪切位移曲線，試樣剪切過程中的應(yīng)變軟化現(xiàn)象也更顯著。

圖7 不同含石量試樣剪切位移-垂直位移關(guān)系

表1 不同含石量試樣的最大剪縮(mm)及剪脹量(mm)

盡管在低垂直壓力下(σ≤200ikPa)，試樣均表現(xiàn)剪脹特性，但剪脹并不是從一開始就產(chǎn)生的，而是先發(fā)生剪縮，待剪縮到一定程度后，剪脹才開始發(fā)生。相同含石量、不同垂直壓力時，剪縮轉(zhuǎn)化為剪脹的剪切位移隨垂直壓力增加而增加，如100%含石量時，垂直壓力100ikPa剪縮轉(zhuǎn)化為剪脹的剪切位移約為1.35imm，垂直壓力200ikPa時的剪切位移約為9.79imm，垂直壓力400ikPa時的剪切位移約為61.18imm，表明垂直壓力增強了土石混合體試樣的剪縮特性。而另一方面，隨含石量的增加，剪縮轉(zhuǎn)化為剪脹的剪切位移逐漸減小，以垂直壓力100kPa為例，含石量20%、41.4%、60%、80%、100%時的剪縮轉(zhuǎn)化為剪脹的剪切位移分別為5.92imm、5.5imm、3.29imm、2.38imm、1.35imm，說明隨含石量增加，剪縮越容易轉(zhuǎn)為剪脹，即進一步驗證了含石量的增加使其剪脹特性得到增強。

2.3 剪切變形特性

通過前述打孔-埋線-灌砂監(jiān)測試樣剪切過程中內(nèi)部變形情況，試樣剪切完成后的典型剖面如圖8所示。針對監(jiān)測孔及銅絲變形特征，定義水平位移S與剪切帶厚度D兩個特征參量，其中水平位移S為鉆孔上、下起彎點水平間距，剪切帶厚度D為上、下起彎點豎向間距。

圖8 典型剖面剪切變形示意圖

圖9、圖10分別為不同含石量下1#、2#、3#監(jiān)測孔水平位移及剪切帶厚度變化圖。試驗剪切位移約為11icm，監(jiān)測孔水平位移S為7～11icm，且表現(xiàn)為2#監(jiān)測孔小于1#、3#監(jiān)測孔的特點，即剪切盒內(nèi)試樣中部的剪切水平位移小于前后兩端，表明剪切變形由兩端逐漸向中間傳遞的特性。監(jiān)測孔處剪切帶厚度D為6～12.5icm，且表現(xiàn)為2#監(jiān)測孔大于1#、3#監(jiān)測孔的特點，即剪切盒內(nèi)試樣中部的剪切帶厚度大于前后兩端，表明試樣并非簡單地沿著剪切縫平直剪切，而具有更為復(fù)雜的剪切形態(tài)。為進一步揭示剪切過程中試樣內(nèi)部剪切形態(tài)，將試樣的不同監(jiān)測孔起彎點空間位置繪于圖11。

圖9 不同位置處水平位移圖

圖11 不同含石量試樣監(jiān)測孔起彎點位置圖

根據(jù)監(jiān)測孔變形特征可知，上、下起彎點圍成的范圍即為試樣剪切過程中變形影響區(qū)域。從圖11可以看出，低含石量時(≤20%)，剪切面空間上與上下盒剪切縫成一定夾角，且上下盒較為對稱，形態(tài)平直；隨著含石量增加(20%～80%)，上剪切面逐漸呈“凸形”，下剪切面逐漸呈“凹形”，且剪切帶厚度增加；含石量進一步增加(80%～100%)，盡管剪切面上仍呈“上凸下凹”形態(tài)，但凹凸趨勢減小。根據(jù)鉆孔起彎點反映的試樣剪切面形態(tài)，可以將其試樣剪切變形概化為“錯動式”和“啃掘式”兩種類型，分別如圖12a、圖12b所示。低含石量時，塊石間未有有效接觸而近似懸浮于細顆粒土內(nèi)，土石混合體試樣細顆粒土占主導(dǎo)作用，剪切過程中表現(xiàn)為細顆粒間錯動式的剪切變形；隨含石量增加，塊石開始接觸并逐漸形成骨架結(jié)構(gòu)，加之細顆粒土的嵌合作用，塊石間咬合效應(yīng)增加，剪切過程中表現(xiàn)為混合體間啃掘式的剪切變形；當含石量大于80%時，試樣內(nèi)塊石占主導(dǎo)作用，但由于細顆粒較少，塊石間的骨架結(jié)構(gòu)存在較多空隙，塊石間咬合效應(yīng)反而有所降低，剪切過程中混合體間啃掘式的剪切變形強度逐漸降低。

圖12 試樣剪切變形模式

2.4 抗剪強度特性

不同含石量下土石混合體試樣的抗剪強度如圖13所示?？梢钥吹酵潦旌象w抗剪強度隨著含石量的變化規(guī)律基本一致，總體趨勢是隨著含石量的增加，土石混合體的抗剪強度是先增大后減小的。結(jié)合前述試樣剪切變形特征可知，抗剪強度的變化主要是由含石量所引起的土石混合體結(jié)構(gòu)特征及剪切變形模式改變所造成的。隨含石量增加，試樣內(nèi)部形成骨架結(jié)構(gòu)，塊石間的嵌固咬合作用增強，使試樣由細顆粒間的錯動式剪切變形發(fā)展為混合體間的啃掘式剪切變形，并帶動更大范圍內(nèi)顆粒受力變形，試樣抗剪強度增長；當含石量大于80%時，由于細顆粒較少，塊石間的骨架結(jié)構(gòu)存在較多空隙，塊石間咬合效應(yīng)反而有所降低，剪切過程中混合體間啃掘式的剪切變形作用強度減弱，試樣抗剪強度降低。

圖13 不同含石量試樣抗剪強度變化

4 結(jié) 論

通過開展室內(nèi)大型直剪試驗，對土石混合體剪切變形特性進行初步研究，可知：

(1)土石混合體具有低壓剪脹、高壓剪縮的特性，且隨含石量增加，試樣最大剪脹量逐漸增大，而最大剪縮量趨于降低，即含石量的增加使土石混合體剪脹特性得到增強。

(2)隨含石量增加，試樣剪切應(yīng)力-位移曲線“跳躍”現(xiàn)象顯著且具有明顯的峰值強度特征，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，認為是含石量增加引起的試樣顆粒破碎和剪脹共同作用導(dǎo)致了軟化現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(4)不同含石量直剪試驗揭示，抗剪強度變化與土石混合體結(jié)構(gòu)特征及剪切變形模式密切相關(guān)。隨含石量增加，試樣內(nèi)部形成骨架結(jié)構(gòu)，使試樣由細顆粒間的“錯動式”剪切變形發(fā)展為混合體間的“啃掘式”剪切變形，并形成更大范圍的剪切影響帶，試樣抗剪強度增長；當含石量大于80%時，由于細顆粒較少，塊石間的骨架結(jié)構(gòu)存在較多空隙，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，剪切過程中混合體間啃掘式的剪切變形作用強度減弱，試樣抗剪強度降低。