土石混合體變形破壞的基覆面效應研究

孫永帥,胡瑞林

(1.中國農業大學水利與土木工程學院,北京 100083; 2.中國科學院地質與地球物理研究所中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室,北京 100029)

土石混合體滑坡是一種常見且嚴重的地質災害,給人類的生命財產帶來了重大的威脅.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定性的一個重要因子.因此研究基覆面對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[1]最早采用直剪型儀器研究不同的土料與不同結構形成接觸面的力學特性;文獻[2]通過數字濾波擬合的方法,開展了結構面起伏度的定量研究,對結構面的幾何特征進行了描述;文獻[3]指出,堆積體邊坡的穩定性受控于基覆面和內部潛在剪裂面,并以堆積體邊坡的空間工程效益為切入點,運用地質工程分析、數值模擬和物理試驗等多種手段,提出了堆積體變形失穩的空間特征和控制途徑;文獻[4]對土石混合體邊坡穩定性進行了數值模擬,發現土石混合體邊坡的剪切面并非單一滑面,是由多個分叉滑面構成;文獻[5]指出斜坡內部滑面隨含石量增加而更加曲折,進而提高了斜坡的穩定性;文獻[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,研究結果表明,邊坡坡角越大,水平條分法與現有方法獲得的邊坡潛在滑裂面越接近;文獻[7]利用蘆山地震觸發滑坡數據,對蘆山地震觸發滑坡的優勢方向的控制因素進行了研究,對比分析了滑坡數的優勢方向與研究區自然坡體的優勢坡向;文獻[8]通過建渣土工袋擋土墻室內模型試驗,對坡體的破壞模式進行了研究,結果表明,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[9-10]利用接觸面三維試驗設備(CCDSSI)進行了砂和鋼板的接觸面力學特性研究,結果表明接觸面的最大啟動摩擦因數與應力路徑無關,在循環荷載作用下,接觸面強度隨循環次數的增加有所降低;文獻[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,提出存在一個臨界粗糙度,鋼板粗糙度小于臨界粗糙度時,接觸面強度較黏土低,當大于臨界粗糙度時,在黏土中發生破壞,強度等于黏土的強度;文獻[12]開展一系列不同的含水率、含石量及剪切速率的室內大型直剪試驗,探討了不同試驗條件下抗滑樁與土石混合體接觸面力學特性的變化特征和規律;文獻[13]根據白衣庵滑坡地區滑帶附近三級階地的上部和殘坡積層的3個野外大面積水平推剪試驗,得出了土石混合體的變形特點和相關的抗剪強度參數;文獻[14]研究了土石混合體在不同含水狀態下直剪強度參數的變化規律,得出了不同碎石含量下黏聚力、內摩擦角值隨著含水率變化的弱化公式.

多位學者對土石混合體的接觸面以及含石量方面進行了研究工作,均取得了重要成果,但是由于直剪試驗對土石混合體斜坡的破壞面進行了限制,沒有體現出土石混合體材料組成的多相性和結構的不均一性對剪切面形態和剪應力變化曲線的影響,無法真正研究土石混合體在預設的基覆面情況下的變形破壞情況.推剪試驗的優勢在于土石混合體會沿最軟弱面破壞,沒有預設的破裂面,剪切面的位置不會受人為限制,通過推剪試驗可以研究在預設的基覆面情況下,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,揭示土石混合體的外在破壞現象以及內部變化機理.

基于上述研究,本文采用了大型推剪試驗,通過設置基覆面的產狀,構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力、孔隙水壓力變化值、土壓力變化值的變化規律.

1　試驗裝置及模型

1.1　試驗裝置

按照規范要求[15],試驗在長1.0 m,寬0.8 m,高0.35 m的模型內進行.為了便于觀察模型內部土石混合體的運移情況,模型兩側采用12 mm厚的鋼化玻璃,為了便于對比監測土石混合體的破壞發展過程,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

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,然后在鋼板外側放置枕木和施加推力的千斤頂,同時安裝測量用的大量程千分表和油壓表等測試設備.

步驟2準備土石混合體試驗試樣,如圖3,利用篩分好的石塊和土樣進行拌勻,在模型箱內部利用分層填筑法填筑土石混合體試樣,并且鋪設1～2 cm厚的石灰線用于觀測土石混合體的變形,并對一定量的石塊用紅漆染成紅色,并布置在玻璃內側用于觀測推剪試驗的過程中石塊的運移情況.

步驟3利用直剪試驗測得初始土樣的有效黏聚力和內摩擦角以及其它土體參數,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待準備完畢后,開始搖動壓力泵分級施加水平推力,并控制加荷速率使每15～20 s內的水平位移在2 mm左右,并記錄千分表及壓力表讀數.將壓力表的讀數乘以千斤頂與鋼板的接觸面積再除以鋼板的面積計算得到剪應力.當壓力表讀數達到最大值時,若再繼續加壓,壓力表讀數不會增加反而降低時,記錄該最大水平推力Pmax.

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

由于模型尺寸較小,為盡量減小坡內傳感器埋設對模型的影響,采用分層不同位置埋設.坡內布設5組土壓力計及5組微型滲壓計,以模型箱左下角的點為坐標原點,往右方向代表x軸,向里為y軸,向上為z軸,如圖1.

土壓力計的埋設點坐標為: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);

滲壓計的埋設點坐標為: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.

由于試驗過程中出現部分滲壓計和土壓力計損壞的情況,因此在部分試驗中會出現滲壓計和土壓力計數量不足的現象.

2　試驗過程與測試結果分析

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

2.1　模型側面石灰及標志點變化特征

圖4～6為飽和度為50%情況下含石量為10%、30%、50%時的推剪試驗結果.

(b) 試驗剪切破壞狀態圖4　含石量10%情況下的推剪試驗結果Fig.4　 Result of push shear test under 10%percent rock

(b) 試驗剪切破壞狀態圖5　含石量30%情況下的推剪試驗結果Fig.5　Result of push shear test under 30% percent rock

(b) 試驗剪切破壞狀態圖6　含石量50%情況下的推剪試驗結果Fig.6　Result of push shear test under 50% percent rock

由圖4可知:通過對模型試驗的過程進行分析,石塊經過旋轉后最終會朝向剪切帶的方向;位于剪切帶的石灰線在彎曲方向與規律上呈現一致性;石灰線的彎曲程度從下部到土石混合體上部整體呈現由大到小,再變大的趨勢;當位于模型下部的土石混合體首先處于壓密狀態,石灰線會發生彎曲,位于模型中部的土石混合體由于推力在傳遞的過程中會減弱,使得位于模型中部的土石混合體的壓密程度會減弱,石灰線的彎曲程度會變小;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增大.

由圖5可知,在剪切的過程中石塊會發生一系列的翻滾旋轉,石塊最終會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,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,石塊的翻滾旋轉與石灰線的彎曲形狀以及趨勢具有一定的一致性;位于土石混合體上部明顯剪切破裂帶的石塊最終會朝向剪切破裂帶的方向;位于剪切破裂帶內部的石塊在推剪的過程中會發生翻滾旋轉,沒有發生被剪斷的現象.

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:當含石量為10%時,剪切面與基覆面的夾角最小,剪切面與基覆面的距離最近;當含石量為50%時,剪切面與基覆面的夾角最大,剪切面與基覆面的距離最遠.

當土石混合體的含石量較大時,土石混合體的整體強度也會較大,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摩擦角會較大,剪切面的角度、剪切面與基覆面的夾角就會越大,剪切面與基覆面的距離會較遠;當土石混合體的含石量較小時,土石混合體的整體強度會較小,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摩擦角會較小,剪切面的角度、剪切面與基覆面的夾角就會越小,剪切面與基覆面的距離會較近.

2.2　不同含石量情況下的剪應力-剪切位移曲線變化特征

圖8為不同含石量情況下剪應力隨剪切位移的變化曲線.

由圖8可知:剪應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;當含石量為10%,剪切位移達到6.1 cm時,剪應力達到最大,此時土石混合體發生整體的剪切破壞;當含石量為30%,剪切位移達到2.7 cm時,剪應力達到最大,土石混合體發生整體的剪切破壞,隨之剪應力會有一定程度的降低并最終趨于平緩;當含石量為50%,剪切位移在0～2 cm之間時,土石混合體處于不斷壓密的狀態,屬于彈性變形階段;當剪切位移在2～4 cm 時,剪應力變化曲線仍然處于上升階段,但上升的趨勢變緩;當剪切位移達到4 cm時,剪應力達到最大值即峰值強度,土石混合體達到屈服點,開始產生塑性破壞,此時土石混合體形成貫通的剪切破裂帶,發生整體的剪切破壞;當剪切位移大于4 cm時,土石混合體的變形開始快速增加,剪應力隨剪切位移變化呈現下降最終趨于平緩的趨勢當含石量較大時,土石混合體的剪應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,抗剪強度越大,剪切破壞所需的剪應力也越大;在推剪的過程中,出現高低起伏的不規則變化段,曲線會發生起伏跳躍,這是由于土體與塊石的相互作用造成的,這一點與一般的巖土體材料具有明顯的不同.

圖9為最大剪應力隨不同含石量的變化趨勢.

圖8　不同含石量情況下剪應力-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,最大剪應力即峰值強度會增加.經分析,當含石量較小時,土石混合體的變形破壞主要受土的力學性質影響.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,土石混合體的強度也會有明顯的提高,土石混合體的內摩擦角也會增加,土石混合體變形破壞所需的剪應力也會增加.

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時達到最大值,孔隙水壓力變化與土壓力變化值隨時間整體呈先上升后下降的變化趨勢.

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 時達到最大值,此時土石混合體發生整體的剪切破壞.

(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時達到最大值,此時土石混合體發生了整體的剪切破壞.

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

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;當含石量為10%時,土石混合體的抗剪強度相對較低,較早發生整體的剪切破壞,水分會較早地發生匯集與消散,土壓力隨整體剪切破裂帶的形成也會發生應力釋放,因此孔隙水壓力變化值與土壓力變化值會較早地達到最大值;當含石量為50%時,隨著含石量的增加,土石混合體材料的力學性質越來越接近巖石的力學性質,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度會增加,更難被破壞,因此土石混合體內部的水分發生匯集與消散的時間會更晚,孔隙水壓力變化值與土壓力變化值達到最大值所需的時間也最長,由于形成整體的剪切破裂帶之后剪切破裂帶會有一定程度的閉合,因此水分會有一定程度的匯集,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、土壓力變化值達到最大值時間圖Fig.11　The time of Pore water pressure, earth pressure change value reaching to the maximum under different percentage of rock

3　結　論

(1) 隨著含石量的增加,最大剪應力即峰值強度會增加.當含石量較大時,剪應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力值要大.

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

(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到最大值所需的時間會增加.

(4) 在大型推剪試驗過程中,位于剪切破裂帶的石塊會隨著剪切帶的移動會發生翻滾旋轉,石塊沒有發生被剪斷的現象,石塊最終指向土石混合體剪切破壞的方向.

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