孫永帥,胡瑞林

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083; 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)

土石混合體滑坡是一種常見且嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,給人類的生命財(cái)產(chǎn)帶來了重大的威脅.由于土石混合體大多由崩塌堆積體、滑坡體、殘坡積物、沖洪積物、泥石流堆積體等形成,堆積體與下覆基巖均以面-面接觸為主,與下覆基巖有清晰的分離界面,即為基覆面.基覆面是制約土石混合體斜坡整體穩(wěn)定性的一個(gè)重要因子.因此研究基覆面對(duì)土石混合體滑坡的變形破壞過程具有重要意義.

在以往的研究中,文獻(xiàn)[1]最早采用直剪型儀器研究不同的土料與不同結(jié)構(gòu)形成接觸面的力學(xué)特性;文獻(xiàn)[2]通過數(shù)字濾波擬合的方法,開展了結(jié)構(gòu)面起伏度的定量研究,對(duì)結(jié)構(gòu)面的幾何特征進(jìn)行了描述;文獻(xiàn)[3]指出,堆積體邊坡的穩(wěn)定性受控于基覆面和內(nèi)部潛在剪裂面,并以堆積體邊坡的空間工程效益為切入點(diǎn),運(yùn)用地質(zhì)工程分析、數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)等多種手段,提出了堆積體變形失穩(wěn)的空間特征和控制途徑;文獻(xiàn)[4]對(duì)土石混合體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)土石混合體邊坡的剪切面并非單一滑面,是由多個(gè)分叉滑面構(gòu)成;文獻(xiàn)[5]指出斜坡內(nèi)部滑面隨含石量增加而更加曲折,進(jìn)而提高了斜坡的穩(wěn)定性;文獻(xiàn)[6]基于極限平衡理論,提出了地震荷載作用下加筋土邊坡滑裂面確定的水平條分法,研究結(jié)果表明,邊坡坡角越大,水平條分法與現(xiàn)有方法獲得的邊坡潛在滑裂面越接近;文獻(xiàn)[7]利用蘆山地震觸發(fā)滑坡數(shù)據(jù),對(duì)蘆山地震觸發(fā)滑坡的優(yōu)勢(shì)方向的控制因素進(jìn)行了研究,對(duì)比分析了滑坡數(shù)的優(yōu)勢(shì)方向與研究區(qū)自然坡體的優(yōu)勢(shì)坡向;文獻(xiàn)[8]通過建渣土工袋擋土墻室內(nèi)模型試驗(yàn),對(duì)坡體的破壞模式進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,建渣土工袋擋土墻后土體的滑裂面從圓弧形向折線形變化,滑裂面前緣高度均位于距墻底1/3～1/2高度處;文獻(xiàn)[9-10]利用接觸面三維試驗(yàn)設(shè)備(CCDSSI)進(jìn)行了砂和鋼板的接觸面力學(xué)特性研究,結(jié)果表明接觸面的最大啟動(dòng)摩擦因數(shù)與應(yīng)力路徑無關(guān),在循環(huán)荷載作用下,接觸面強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加有所降低;文獻(xiàn)[11]通過直剪和單剪兩種類型的黏性土與鋼板的接觸面試驗(yàn),提出存在一個(gè)臨界粗糙度,鋼板粗糙度小于臨界粗糙度時(shí),接觸面強(qiáng)度較黏土低,當(dāng)大于臨界粗糙度時(shí),在黏土中發(fā)生破壞,強(qiáng)度等于黏土的強(qiáng)度;文獻(xiàn)[12]開展一系列不同的含水率、含石量及剪切速率的室內(nèi)大型直剪試驗(yàn),探討了不同試驗(yàn)條件下抗滑樁與土石混合體接觸面力學(xué)特性的變化特征和規(guī)律;文獻(xiàn)[13]根據(jù)白衣庵滑坡地區(qū)滑帶附近三級(jí)階地的上部和殘坡積層的3個(gè)野外大面積水平推剪試驗(yàn),得出了土石混合體的變形特點(diǎn)和相關(guān)的抗剪強(qiáng)度參數(shù);文獻(xiàn)[14]研究了土石混合體在不同含水狀態(tài)下直剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律,得出了不同碎石含量下黏聚力、內(nèi)摩擦角值隨著含水率變化的弱化公式.

多位學(xué)者對(duì)土石混合體的接觸面以及含石量方面進(jìn)行了研究工作,均取得了重要成果,但是由于直剪試驗(yàn)對(duì)土石混合體斜坡的破壞面進(jìn)行了限制,沒有體現(xiàn)出土石混合體材料組成的多相性和結(jié)構(gòu)的不均一性對(duì)剪切面形態(tài)和剪應(yīng)力變化曲線的影響,無法真正研究土石混合體在預(yù)設(shè)的基覆面情況下的變形破壞情況.推剪試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于土石混合體會(huì)沿最軟弱面破壞,沒有預(yù)設(shè)的破裂面,剪切面的位置不會(huì)受人為限制,通過推剪試驗(yàn)可以研究在預(yù)設(shè)的基覆面情況下,土石混合體的破裂面是如何形成以及形成什么樣的形狀.因此,利用大型推剪試驗(yàn)可以研究不同含石量情況下土石混合體變形破壞的基覆面效應(yīng),揭示土石混合體的外在破壞現(xiàn)象以及內(nèi)部變化機(jī)理.

基于上述研究,本文采用了大型推剪試驗(yàn),通過設(shè)置基覆面的產(chǎn)狀,構(gòu)建了不同含石量情況下土石混合體變形破壞的物理模型,分析了不同含石量情況下最大剪應(yīng)力、孔隙水壓力變化值、土壓力變化值的變化規(guī)律.

1　試驗(yàn)裝置及模型

1.1　試驗(yàn)裝置

按照規(guī)范要求[15],試驗(yàn)在長(zhǎng)1.0 m,寬0.8 m,高0.35 m的模型內(nèi)進(jìn)行.為了便于觀察模型內(nèi)部土石混合體的運(yùn)移情況,模型兩側(cè)采用12 mm厚的鋼化玻璃,為了便于對(duì)比監(jiān)測(cè)土石混合體的破壞發(fā)展過程,正面采用8 mm厚的鋼板,如圖1.

1.2　模型制作、儀器布置和土體性質(zhì)

步驟1利用混凝土制作基覆面,如圖2,在試樣的正面安裝鋼板,然后在鋼板外側(cè)放置枕木和施加推力的千斤頂,同時(shí)安裝測(cè)量用的大量程千分表和油壓表等測(cè)試設(shè)備.

步驟2準(zhǔn)備土石混合體試驗(yàn)試樣,如圖3,利用篩分好的石塊和土樣進(jìn)行拌勻,在模型箱內(nèi)部利用分層填筑法填筑土石混合體試樣,并且鋪設(shè)1～2 cm厚的石灰線用于觀測(cè)土石混合體的變形,并對(duì)一定量的石塊用紅漆染成紅色,并布置在玻璃內(nèi)側(cè)用于觀測(cè)推剪試驗(yàn)的過程中石塊的運(yùn)移情況.

步驟3利用直剪試驗(yàn)測(cè)得初始土樣的有效黏聚力和內(nèi)摩擦角以及其它土體參數(shù),如表1.所用石塊粒徑為1～3 cm.

圖1　土石混合體水平推剪試驗(yàn)裝置Fig.1　Schematic diagram of shear teat of soil and rock mixtures

圖2　制作完成的基覆面Fig.2　The bedrock surface

圖3　塊石試樣Fig.3　Sample diagram of stone

步驟4待準(zhǔn)備完畢后,開始搖動(dòng)壓力泵分級(jí)施加水平推力,并控制加荷速率使每15～20 s內(nèi)的水平位移在2 mm左右,并記錄千分表及壓力表讀數(shù).將壓力表的讀數(shù)乘以千斤頂與鋼板的接觸面積再除以鋼板的面積計(jì)算得到剪應(yīng)力.當(dāng)壓力表讀數(shù)達(dá)到最大值時(shí),若再繼續(xù)加壓,壓力表讀數(shù)不會(huì)增加反而降低時(shí),記錄該最大水平推力Pmax.

表1　粉土的初始物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1　Initial physical and mechanical properties of silty clay

由于模型尺寸較小,為盡量減小坡內(nèi)傳感器埋設(shè)對(duì)模型的影響,采用分層不同位置埋設(shè).坡內(nèi)布設(shè)5組土壓力計(jì)及5組微型滲壓計(jì),以模型箱左下角的點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),往右方向代表x軸,向里為y軸,向上為z軸,如圖1.

土壓力計(jì)的埋設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)為:1(0.70,0.25,0.06),2(0.82,0.25,0.18),5(0.94,0.25,0.30),4(0.76,0.25,0.12),3(0.88,0.25,0.24);

滲壓計(jì)的埋設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)為:1(0.70,0.50,0.06),2(0.82,0.50,0.18),5(0.94,0.50,0.30),4(0.76,0.50,0.12),3(0.88,0.50,0.24),單位為m.

由于試驗(yàn)過程中出現(xiàn)部分滲壓計(jì)和土壓力計(jì)損壞的情況,因此在部分試驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)滲壓計(jì)和土壓力計(jì)數(shù)量不足的現(xiàn)象.

2　試驗(yàn)過程與測(cè)試結(jié)果分析

針對(duì)不同含石量情況下基覆面的效應(yīng)開展試驗(yàn)研究,飽和度設(shè)置為50%,含石量設(shè)置為10%、30%、50%,基覆面設(shè)置為平直狀基覆面,基覆面角度為45°.

2.1　模型側(cè)面石灰及標(biāo)志點(diǎn)變化特征

圖4～6為飽和度為50%情況下含石量為10%、30%、50%時(shí)的推剪試驗(yàn)結(jié)果.

(b) 試驗(yàn)剪切破壞狀態(tài)圖4　含石量10%情況下的推剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.4　 Result of push shear test under 10%percent rock

(b) 試驗(yàn)剪切破壞狀態(tài)圖5　含石量30%情況下的推剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Result of push shear test under 30% percent rock

(b) 試驗(yàn)剪切破壞狀態(tài)圖6　含石量50%情況下的推剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.6　Result of push shear test under 50% percent rock

由圖4可知:通過對(duì)模型試驗(yàn)的過程進(jìn)行分析,石塊經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后最終會(huì)朝向剪切帶的方向;位于剪切帶的石灰線在彎曲方向與規(guī)律上呈現(xiàn)一致性;石灰線的彎曲程度從下部到土石混合體上部整體呈現(xiàn)由大到小,再變大的趨勢(shì);當(dāng)位于模型下部的土石混合體首先處于壓密狀態(tài),石灰線會(huì)發(fā)生彎曲,位于模型中部的土石混合體由于推力在傳遞的過程中會(huì)減弱,使得位于模型中部的土石混合體的壓密程度會(huì)減弱,石灰線的彎曲程度會(huì)變小;位于模型上部的土石混合體由于上部為臨空面,土石混合體上部不受擠壓,使得土石混合體相對(duì)更容易被擠壓變形,土石混合體上部的石灰線的彎曲程度又會(huì)增大.

由圖5可知,在剪切的過程中石塊會(huì)發(fā)生一系列的翻滾旋轉(zhuǎn),石塊最終會(huì)朝向剪切破裂帶的方向,位于土石混合體下部的石灰線處于斷開的狀態(tài),說明此處土石混合體受擠壓程度較中部的土石混合體受擠壓程度大.

由圖6可知:隨著推剪位移的增加,石塊的翻滾旋轉(zhuǎn)與石灰線的彎曲形狀以及趨勢(shì)具有一定的一致性;位于土石混合體上部明顯剪切破裂帶的石塊最終會(huì)朝向剪切破裂帶的方向;位于剪切破裂帶內(nèi)部的石塊在推剪的過程中會(huì)發(fā)生翻滾旋轉(zhuǎn),沒有發(fā)生被剪斷的現(xiàn)象.

土石混合體在剪切過程中的剪切面與基覆面夾角隨含石量的變化情況如圖7所示,含石量10%情況下的剪切面(5°)表示含石量為10%情況下時(shí)剪切面與基覆面夾角為5°.

圖7　基覆面與剪切面Fig.7　Diagram of bedrock surface and shearing surface

由圖7可知:當(dāng)含石量為10%時(shí),剪切面與基覆面的夾角最小,剪切面與基覆面的距離最近;當(dāng)含石量為50%時(shí),剪切面與基覆面的夾角最大,剪切面與基覆面的距離最遠(yuǎn).

當(dāng)土石混合體的含石量較大時(shí),土石混合體的整體強(qiáng)度也會(huì)較大,使得在推剪的過程中土石混合體難以被破壞,土石混合體變形破壞所形成的內(nèi)摩擦角會(huì)較大,剪切面的角度、剪切面與基覆面的夾角就會(huì)越大,剪切面與基覆面的距離會(huì)較遠(yuǎn);當(dāng)土石混合體的含石量較小時(shí),土石混合體的整體強(qiáng)度會(huì)較小,使得在推剪的過程中土石混合體容易被破壞,土石混合體變形破壞所形成的內(nèi)摩擦角會(huì)較小,剪切面的角度、剪切面與基覆面的夾角就會(huì)越小,剪切面與基覆面的距離會(huì)較近.

2.2　不同含石量情況下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線變化特征

圖8為不同含石量情況下剪應(yīng)力隨剪切位移的變化曲線.

由圖8可知:剪應(yīng)力隨剪切位移的變化呈先上升后下降最后趨于平緩的趨勢(shì);當(dāng)含石量為10%,剪切位移達(dá)到6.1 cm時(shí),剪應(yīng)力達(dá)到最大,此時(shí)土石混合體發(fā)生整體的剪切破壞;當(dāng)含石量為30%,剪切位移達(dá)到2.7 cm時(shí),剪應(yīng)力達(dá)到最大,土石混合體發(fā)生整體的剪切破壞,隨之剪應(yīng)力會(huì)有一定程度的降低并最終趨于平緩;當(dāng)含石量為50%,剪切位移在0～2 cm之間時(shí),土石混合體處于不斷壓密的狀態(tài),屬于彈性變形階段;當(dāng)剪切位移在2～4 cm 時(shí),剪應(yīng)力變化曲線仍然處于上升階段,但上升的趨勢(shì)變緩;當(dāng)剪切位移達(dá)到4 cm時(shí),剪應(yīng)力達(dá)到最大值即峰值強(qiáng)度,土石混合體達(dá)到屈服點(diǎn),開始產(chǎn)生塑性破壞,此時(shí)土石混合體形成貫通的剪切破裂帶,發(fā)生整體的剪切破壞;當(dāng)剪切位移大于4 cm時(shí),土石混合體的變形開始快速增加,剪應(yīng)力隨剪切位移變化呈現(xiàn)下降最終趨于平緩的趨勢(shì)當(dāng)含石量較大時(shí),土石混合體的剪應(yīng)力隨剪切位移的變化值要比含石量低的情況下大,含石量越高,抗剪強(qiáng)度越大,剪切破壞所需的剪應(yīng)力也越大;在推剪的過程中,出現(xiàn)高低起伏的不規(guī)則變化段,曲線會(huì)發(fā)生起伏跳躍,這是由于土體與塊石的相互作用造成的,這一點(diǎn)與一般的巖土體材料具有明顯的不同.

圖9為最大剪應(yīng)力隨不同含石量的變化趨勢(shì).

圖8　不同含石量情況下剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.8　Shear stress-shear displacement curve under different percentage of rock

圖9　最大剪應(yīng)力隨含石量變化示意圖Fig.9　Diagram of maximum shear stress under different percentage of rock

由圖9可以看出,隨著含石量的增加,最大剪應(yīng)力即峰值強(qiáng)度會(huì)增加.經(jīng)分析,當(dāng)含石量較小時(shí),土石混合體的變形破壞主要受土的力學(xué)性質(zhì)影響.隨著土石混合體含石量的增加,土石混合體的變形破壞受塊石的影響增加,土石混合體的強(qiáng)度也會(huì)有明顯的提高,土石混合體的內(nèi)摩擦角也會(huì)增加,土石混合體變形破壞所需的剪應(yīng)力也會(huì)增加.

2.3　孔隙水壓力和土壓力變化特征

圖10為不同含石量情況下孔隙水壓力變化值、土壓力變化值隨時(shí)間變化情況.

圖10(a)為含石量在10%情況下,孔隙水壓力變化值、土壓力變化值隨時(shí)間變化情況,孔隙水壓力變化值和土壓力變化值分別在1 470、1 450 s時(shí)達(dá)到最大值,孔隙水壓力變化與土壓力變化值隨時(shí)間整體呈先上升后下降的變化趨勢(shì).

圖10(b)為含石量在30%情況下,孔隙水壓力變化值、土壓力變化值隨時(shí)間變化情況,孔隙水壓力的變化值和土壓力變化值分別在2 290、2 260 s 時(shí)達(dá)到最大值,此時(shí)土石混合體發(fā)生整體的剪切破壞.

(c) 含石量50%圖10　孔隙水壓力變化值、土壓力變化值Fig.10　Pore water pressure change value,earth pressure change value

圖10(c)為含石量在50%情況下,孔隙水壓力變化值、土壓力變化值隨時(shí)間變化情況,孔隙水壓力變化值和土壓力變化值分別在2 630、2 610 s時(shí)達(dá)到最大值,此時(shí)土石混合體發(fā)生了整體的剪切破壞.

圖11為孔隙水壓力變化值、土壓力變化值達(dá)到最大值的時(shí)間隨不同含石量的變化趨勢(shì).

由圖11可知:不同含石量情況下,局部變化的孔隙水壓力和土壓力曲線存在差異,但整體呈先增加后減小的趨勢(shì);當(dāng)含石量為10%時(shí),土石混合體的抗剪強(qiáng)度相對(duì)較低,較早發(fā)生整體的剪切破壞,水分會(huì)較早地發(fā)生匯集與消散,土壓力隨整體剪切破裂帶的形成也會(huì)發(fā)生應(yīng)力釋放,因此孔隙水壓力變化值與土壓力變化值會(huì)較早地達(dá)到最大值;當(dāng)含石量為50%時(shí),隨著含石量的增加,土石混合體材料的力學(xué)性質(zhì)越來越接近巖石的力學(xué)性質(zhì),土體僅作為石塊中間的填充物存在,土石混合體的整體抗剪強(qiáng)度會(huì)增加,更難被破壞,因此土石混合體內(nèi)部的水分發(fā)生匯集與消散的時(shí)間會(huì)更晚,孔隙水壓力變化值與土壓力變化值達(dá)到最大值所需的時(shí)間也最長(zhǎng),由于形成整體的剪切破裂帶之后剪切破裂帶會(huì)有一定程度的閉合,因此水分會(huì)有一定程度的匯集,接著孔隙水壓力變化值與土壓力變化值會(huì)有一定程度的上升.

圖11　不同含石量情況下孔隙水壓力、土壓力變化值達(dá)到最大值時(shí)間圖Fig.11　The time of Pore water pressure, earth pressure change value reaching to the maximum under different percentage of rock

3　結(jié)　論

(1) 隨著含石量的增加,最大剪應(yīng)力即峰值強(qiáng)度會(huì)增加.當(dāng)含石量較大時(shí),剪應(yīng)力隨剪切位移的變化值整體要比含石量低的情況下土石混合體的剪應(yīng)力值要大.

(2) 隨著含石量的增加,剪切面與基覆面的夾角會(huì)增加,剪切面與基覆面的距離會(huì)增加.

(3) 隨著含石量的增加,孔隙水壓力變化值與土壓力變化值達(dá)到最大值所需的時(shí)間會(huì)增加.

(4) 在大型推剪試驗(yàn)過程中,位于剪切破裂帶的石塊會(huì)隨著剪切帶的移動(dòng)會(huì)發(fā)生翻滾旋轉(zhuǎn),石塊沒有發(fā)生被剪斷的現(xiàn)象,石塊最終指向土石混合體剪切破壞的方向.

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