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        冰磧物工程性質(zhì)研究

        2023-06-29 13:41:46王超
        四川建筑 2023年1期
        關(guān)鍵詞:冰磧塊石抗剪

        昌都-林芝地區(qū)廣泛分布著寬級配的冰磧物,而冰磧物的物理力學(xué)性質(zhì)常常是工程處治的難題?;诖耍恼略诂F(xiàn)場進行調(diào)查和取樣,利用Image-Pro Plus和室內(nèi)大型直剪儀,對冰磧物進行粒徑分析和大型直剪試驗,并開展了不同粒徑條件下冰磧物的剪切變形特性試驗研究。研究結(jié)果表明:當(dāng)試樣為單一粒組2~5 mm和2 mm以下,強度主要依賴于細粒土的強度,導(dǎo)致重塑冰磧土抗剪強度過低;當(dāng)試樣為土石混合的冰磧物時,冰磧物的抗剪強度主要由塊石形成的骨架結(jié)構(gòu)提供,細顆粒則充填內(nèi)部孔隙,增強咬合力,試樣在剪切過程中出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象;當(dāng)試樣為單一粒組5~20 mm,20~60 mm和60 mm以上時,試樣內(nèi)部全為塊石,塊石形成的骨架結(jié)構(gòu)存在較多的空隙,導(dǎo)致試樣的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和強度有所弱化。

        冰磧物; Image-Pro Plus; 大型直剪試驗; 不同粒徑

        U213.1+4 A

        [定稿日期]2022-01-11

        [作者簡介]王超(1997—),男,碩士,研究方向為巖土體穩(wěn)定性分析。

        冰磧物因其具有無分選、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、架空現(xiàn)象普遍、力學(xué)特征差異大等特征,對川藏鐵路的建設(shè)威脅大而受到廣大學(xué)者的關(guān)注。其強度特征和變形特性一直是地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域研究的熱點和難點。

        馬澤平[1](2013)對川藏交通走廊地區(qū)分布的冰磧物進行了大量的直剪試驗,指出了粒徑的大小是影響粗顆粒土抗剪強度的重要因素。李驊錦等[2](2015)對岷江上游干暖河谷區(qū)域的冰磧堆積體進行調(diào)查研究,基于室內(nèi)力學(xué)強度試驗和SWCC試驗探討不同含水率情況下對冰磧物水敏特征的影響,指出了在飽和度介于10%~70%時,其力學(xué)強度特性發(fā)生顯著變化。馮俊德等[3](2008)對冰磧物進行了大量的直剪試驗,對比了原狀冰磧土和重塑冰磧土的強度特征。楊東旭等[4](2020)選取帕隆藏布流域32處典型冰磧物為研究對象,利用原位試驗和室內(nèi)測試,總結(jié)了冰磧物的分布與沉積特征和物理力學(xué)參數(shù)特征。徐鼎平等[5](2008)開發(fā)了生成冰磧土仿真試樣的模擬程序,并利用FLAC3d對生成的試樣進行三軸數(shù)值模擬試驗,得到冰磧土的抗剪強度參數(shù)。江強強等[6](2020)以土石混合體為研究對象,利用大型直剪儀進行剪切變形和強度特性的研究,得出了含石量占據(jù)主導(dǎo)作用的結(jié)論。

        在開展冰磧物強度特性方面研究的同時,其變形特性也受到廣泛關(guān)注。程強等[7](2019)對瀘定大渡河橋地區(qū)分布的冰磧土進行現(xiàn)場剪切蠕變試驗,初步揭示了冰磧土的剪切蠕變特性。蒙進等[8](1989)選取四川瀑布溝黑馬料場的冰磧土為研究對象,利用固結(jié)排水加卸荷試驗,得出冰磧土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,其總體趨勢是從低壓下的弱應(yīng)變軟化變?yōu)楦邏合碌膹姂?yīng)變軟化,體變剪脹變?yōu)榧艨s。屈智炯等[9](1992)采用高壓三軸儀,對比了不同級配下冰磧土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。張斌等[10](1991)開展了不同圍壓下冰磧土的三軸試驗,研究應(yīng)力應(yīng)變與圍壓的關(guān)系,指出了在圍壓較低時,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為軟化性,在圍壓較高時,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為硬化性。

        目前關(guān)于冰磧物的研究主要集中在冰磧物的形態(tài)分析、抗剪強度和變形特性方面?;诖耍疚膶Ρ兾镞M行粒徑分析和大型直剪試驗,以冰磧物粒徑大小為主要研究因素,擬展開冰磧物室內(nèi)大型直剪試驗和統(tǒng)計冰磧物粒徑,并繪制冰磧物在剪切過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,以期進一步深化冰磧物剪切變形行為及強度產(chǎn)生機制的認識。

        1 冰磧物的粒徑分析

        1.1 Image-Pro Plus 冰磧物粒徑圖像分析

        在現(xiàn)場拍攝到冰磧物的圖像后,為減小后期的分析難度和提高軟件統(tǒng)計粒徑的準(zhǔn)確度,首先應(yīng)對照片進行處理,包括清除圖片中的干擾區(qū)域部分,然后增加圖像對比度,灰度圖像以及二值化,最后采用Image-Pro Plus獲取圖片信息。圖片處理過程如圖1所示。

        1.2 冰磧物粒徑統(tǒng)計

        西藏高原地區(qū)淺表層均被冰雪覆蓋,該地區(qū)的冰磧物是由塊石、礫石、砂土、粉土等堆積而成,具有無分選、無層理、粒徑差異大等特征。對冰磧物進行現(xiàn)場測量,如圖2所示。

        在現(xiàn)場選取了6個區(qū)域進行粒徑統(tǒng)計,并利用Image-Pro Plus對冰磧物進行粒徑分析, 為了更直觀顯示各區(qū)域不同粒徑等級所占比例情況,分別作出了各區(qū)域0~5 cm、5~20 cm、20~60 cm、60 cm以上顆粒所占比例柱狀圖,如圖3所示。

        2 冰磧物大型直剪試驗

        2.1 試驗設(shè)備

        本文采用ZY50-2G大型直剪儀見圖4。

        該儀器主體分為3個部分:剪切裝置、油源啟動裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。剪切裝置又由垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、上下剪切盒、量測系統(tǒng)組成,剪切盒的凈空兒何尺寸為:直徑×高=504.6 mm×400 mm。儀器可施加的最大垂直載荷為500 kN,最大水平推力500 kN,最大水平位移可達100 mm,可對最大粒徑不大于100 mm的試樣進行剪切,剪切縫寬度固定為10 mm。

        2.2 試樣材料

        試樣取自西藏高原地區(qū)未擾動邊坡,主要由塊石、礫石、粉土組成,為土石混合體。目前,對于土和石的劃分閾值沒有規(guī)定,本文參照多數(shù)文獻,取粒徑小于5 mm顆粒為土,大于5 mm顆粒為石。

        對冰磧物進行粒徑劃分,篩選了5個單一粒組,分別為2 mm以下、2~5 mm、5~20 mm、20~60 mm、60 mm以上,見圖5。

        2.3 試樣制備及其測試過程

        由于冰磧物具有無分選,粒級差異大,塊石含量大等特征,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而粒徑大小是冰磧物結(jié)構(gòu)性最直接的表現(xiàn)指標(biāo)之一。為此,本文擬在試驗中考慮粒徑大小對冰磧物抗剪強度的影響。

        試驗開始前,先施加法向壓力使剪切盒中冰磧物緊密接觸,然后繼續(xù)施加法向壓力達到預(yù)定值(本次試驗的法向壓力分別設(shè)定為250 kPa、500 kPa、750 kPa、1 000 kPa),試驗中的剪切速率為1 mm/min,當(dāng)剪切位移達到50 mm左右時,試驗結(jié)束。

        試驗分為10個小組,前5組為土石混合級配,級配曲線如圖6所示;試驗的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖 7所示。

        由圖7可知,當(dāng)試樣為土石混合時,隨著剪切位移的增加,剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,剪應(yīng)力-剪切位移曲線主要經(jīng)歷3個階段,為應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化以及殘余變形,有明顯的峰值強度。

        后5組為單一粒組,粒徑區(qū)間為2 mm以下,2~5 mm,5~20 mm,20~60 mm,60 mm以上。

        由于擾動過的冰磧土抗剪強度過小,采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀對粒徑為2~5 mm和2 mm以下的2個粒組進行直剪試驗,試驗結(jié)果見表1、表2。

        試驗的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖 8所示。

        當(dāng)試樣全為石塊時,剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后不變的趨勢,表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特性,峰值強度不明顯。

        3 試驗成果分析

        3.1 剪切應(yīng)力-剪切位移特征

        從剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線可以看到,在剪切初期,不同粒徑的冰磧物在較小的剪切位移下迅速增長,法向應(yīng)力越大剪切應(yīng)力的增長速度越快;無論含石量和垂直壓力有多大,在剪切過程中,可以看到曲線有“跳躍”現(xiàn)象,究其原因是剪切面上冰磧塊石的破碎,翻轉(zhuǎn)和錯動,因此每組試驗中都出現(xiàn)剪應(yīng)力下降的現(xiàn)象。

        3.2 抗剪強度特性

        冰磧物的抗剪強度如圖9所示??梢钥吹搅酱笮∈怯绊懕兾锟辜魪姸鹊闹匾蛩兀兾锏目辜魪姸茸兓目傏厔轂殡S含石量的增大而增大;當(dāng)全為粗顆粒時,抗剪強度基本都大于土石混合冰磧物。

        冰磧物的抗剪強度主要是有粗顆粒形成的骨架作用提供,骨架間的咬合力隨著粒徑的增大而增大;細顆粒則充填內(nèi)部孔隙,增強咬合力。粒徑在20~60 mm時,冰磧物的抗剪強度最大,其次為粒徑大于60 mm,究其原因是當(dāng)粒徑全為60 mm以上時,試樣內(nèi)部沒有細顆粒,塊石組成的骨架結(jié)構(gòu)中空隙較多,造成試樣抗剪強度降低的結(jié)果。

        4 結(jié)論

        通過冰磧物的粒徑分析和開展室內(nèi)大型直剪試驗,對冰磧物的工程性質(zhì)進行了研究,可知:

        (1)冰磧物的分選性極差,粒徑差異大,大到巨礫、角礫、礫石,小到砂、粉砂和黏土,通過現(xiàn)場測量,冰磧物粒徑小到幾毫米,大到十幾米。

        (2)從剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線中,可以看到冰磧物在垂直壓力作用下,具有明顯的峰值強度特征;曲線中看到“跳躍”現(xiàn)象——剪應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而降低,是由于剪切過程中試樣的破碎,最終出現(xiàn)了應(yīng)變軟化特性。

        (3)從大型直剪試驗可以看出,抗剪強度的變化與冰磧物組成結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。隨著含石量的增加,試樣內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)逐漸形成,剪切影響帶的范圍逐漸擴大,冰磧物的抗剪強度也逐漸增長。

        (4)由試驗結(jié)果可知,冰磧物的抗剪強度主要是由粗顆粒形成的骨架作用提供。當(dāng)粒徑為2 mm以下和2~5 mm時,冰磧土的抗剪強度遠小于含有塊石的冰磧物;當(dāng)粒徑全為20~60 mm時,冰磧物的抗剪強度最大;當(dāng)粒徑全為60 mm以上的冰磧物時,試樣中不存在細顆粒,所形成的骨架結(jié)構(gòu)空隙較多,結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,導(dǎo)致抗剪強度降低。

        參考文獻

        [1] 馬澤平. 川藏交通廊道冰磧物工程性質(zhì)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2013.

        [2] 李驊錦,馮文凱,許強,等.四川理縣小歧村冰磧物角礫土抗剪強度特性研究[J].人民長江,2015,46(12):37-41.

        [3] 馮俊德,李建國,汪稔,等.云南某鐵路冰磧土大型直剪強度特性試驗研究[J].巖土力學(xué),2008,29(12):3205-3210.

        [4] 楊東旭,游勇,王軍朝,等.藏東南帕隆藏布流域冰磧物典型特征及工程效應(yīng)[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2020,40(6):841-851.

        [5] 徐鼎平,汪斌,江龍劍,等.冰磧土三軸數(shù)值模擬試驗方法探討[J].巖土力學(xué),2008,29(12):3466-3470.

        [6] 江強強,徐楊青,王浩.不同含石量條件下土石混合體剪切變形特征的試驗研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2020,28(5):951-958.

        [7]? 程強,郭喜峰,楊瑩輝.瀘定大渡河橋冰磧土剪切蠕變特性試驗研究[J].工程科學(xué)與技術(shù),2019,51(3):26-35.

        [8] 蒙進,屈智炯.高壓下冰磧土的顆粒破碎及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[J].成都科技大學(xué)學(xué)報,1989(1):17-22+56.

        [9]? 屈智炯,劉雙光,劉開明,等.冰磧土作高土石壩防滲體材料的試驗研究[J].成都科技大學(xué)學(xué)報,1989(1):1-8.

        [10] 張斌,屈智炯.冰磧土的應(yīng)力-應(yīng)變-強度特性的研究[J].成都科技大學(xué)學(xué)報,1991(3):29-34.

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