三峽庫區滑坡土石混合體剪切強度試驗研究

宋 岳 崔 超 李江龍

(1. 三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌 443002； 2. 湖北省荊門市水文水資源勘測局， 湖北 荊門 448000)

三峽庫區土石混合體組成的庫岸邊坡頻頻發生坍塌、滑坡等自然災害，給下游人民的生活造成嚴重影響．土石混合堆積體在三峽庫區廣泛分布，同時在全國乃至世界各地均有大量的存在．在具體工程建設中，土石混合體邊坡是經常遇到且須妥善處理的地質問題，因此，有必要對三峽庫區土石混合體進行力學研究．

目前國內外學者在土石混合體方面已有不少研究成果．韓世蓮[1]采用壓縮蠕變試驗得到了碎石土的蠕變規律同時分析了材料粘彈性模型的各項參數數據．王宇等[2-4]通過概括土石混合體細觀的結構特征、模型以及力學特性的目前成果，指出研究不同尺寸土石混合體的局部變形特征以及建立相關細觀損傷演化方程和本構方程是未來的研究方向．油新華[5-7]根據滑帶附近的土石混合體試樣進行水平推剪試驗，得出了試樣的變形特點和相關的抗剪強度參數，為類似滑坡的穩定性分析提供一定的依據．胡峰[8-9]等在土石混合體剪切過程中考慮3個主要結構控制因素，得出了試樣在不同的含石量下內部骨架結構及其強度的演變過程，對土石混合體滑坡的防災減災具有重要意義．趙金鳳等[10-11]利用離散元軟件對土石混合體進行剪切數值模擬，分別從含石量、顆粒粘結強度、試樣尺度等不同角度對試樣的力學性質展開研究，進一步揭示土石混合體細觀層次的抗剪強度特性規律．陳立等[12-13]通過建立一套較精細的細觀計算模型并模擬土石混合體細觀破壞的物理機制，深入的闡明了土石混合的細觀損傷開裂機制，擴大了描述裂紋發展規律的方法手段．

上述系列研究對于正確認識和理解土石混合體提供了很好的基礎和參照，但綜合考慮利用現場原位試驗圍繞土石混合體的變形破壞特點等力學特性進行探索方面的研究成果較少，本文重點通過沿滑坡處由上至下選取試驗點，更為全面的研究土石混合體的力學特性和相應的影響參數．

1 試驗設計

1.1 試驗點選取及設備

樹坪滑坡位于三峽庫區長江干流南岸岸坡，距沙鎮溪集鎮約5 km，距三峽工程大壩壩址約47 km，位于鄂西山地間的秭歸盆地的滑坡地質，屬侵蝕構造中、低山地貌類型．滑坡區為單斜地層，地表覆蓋第四系崩坡積層．滑坡區巖層總體產狀為165°～120°∠10°～35°，走向與岸坡總體走向近于平行，屬逆向結構岸坡，為了研究的全面性，在沿著滑坡方向選取試驗點，進行了天然狀態下的野外原位剪切試驗．

本試驗所采用試樣是取自三峽庫區樹坪岸邊坡的土石混合體，為全面反映滑坡處試樣的力學剪切特性，對削坡治理后的樹坪滑坡根據高程由上至下依次開挖4組試驗點，每組試驗有3個試樣．每組試驗點編號為SPX1、SPX2、SPX3、SPX4，其中SPX1、SPX2、SPX3試驗點分別選擇在一、二、三級開挖平臺上，組號SPX1試樣相對原滑坡表面埋深較大，SPX4試驗點選擇在坡腳處，高程約比消落帶高15 m．如圖1所示，滑體土制備試樣時，先清除覆蓋層，然后四周開挖溝槽并在挖坑的過程中預留出試件土體，試樣加工成型尺寸為400 mm×400 mm×500 mm．

如圖2所示，現場試驗系統所包括的設備有：①帶有壓力表的千斤頂：用于對試樣施加垂直壓力和水平力，千斤頂出力滿足預估的試驗壓力，壓力表顯示出千斤頂施加力的大小．②百分表：用于量測試樣的切向移動距離和試樣在垂直壓力下的變形，每個試樣布置4個測點，其中2個測量水平位移，2個測量法向位移．③磁性支座：用于架立百分表．④剪力盒：用于制備試樣，由上盒、下盒兩部分組成，通過軸承連接以減小摩擦，上盒與下盒之間為剪切破壞面，剪切盒為正方形，邊長為40 cm，高度為50 cm(上盒、下盒各25 cm)．⑤垂直壓力加載鋼架：根據現場條件，采用地錨提供垂直壓力反力．

圖1 原位剪切試樣 圖2 野外剪切設備

1.2 試驗方案

根據《原位剪切試驗》(SL237-043-1999)的規定，原位剪切試驗采用平推法，即水平力的作用線通過滑動面，剪切方向與滑動方向一致，具體的加載試驗步驟為：

施加法向荷載．在每組試樣上，分別施加不同的垂直荷載，對每個試體分4～5級施加其垂直壓力．采用施加控制加載方式，每5min進行加載一次，每次加載后立即讀數，5 min后第二次讀數，然后施加下一級荷載．當達到預定荷載后，仍需每隔5min讀數一次，當連續兩次垂直變形差值小于0.01 mm時，即可認為加載為穩定，即可施加水平應力．

施加水平力．按時間控制：開始按照最大的剪切荷載的10%分級施加水平力．每1 min進行加載一次，施加每級荷載前后需要測讀變形一次．當水平力引起的水平變形大于前一級的1.5～2倍時，水平力減至按照5%施加，直到剪斷，剪斷發生前，同時密切觀察和記錄壓力變化情況及相應的水平變形，在整個剪切過程中，看到的讀數應始終為常數．

根據以上步驟對另外兩個試樣在不同垂直荷載作用下進行剪切試驗．每個試樣試驗完成后，取相應土樣并帶回試驗室測定試驗后土樣的天然含水率及重度，得出不同組次、不同試樣的抗剪強度參數，進一步分析試件的抗剪強度劣化規律．

2 試驗結果及分析

2.1 剪切應力-應變曲線分析

圖3(a)～(d)為4組試樣不同正應力下剪切力與剪切位移關系曲線，每組試樣天然密度見表1，現場剪切試驗剪切強度統計見表2，結合圖表，天然密度試驗結果表明不同試驗點不同試樣的天然密度有較小的差距，但變化范圍較小，對土石混合體的抗剪強度影響也較小．

表1 每組試樣的天然密度 (單位：g·cm-3)

表2 現場剪切試驗剪切強度統計表

圖3 不同正應力下剪切力與剪切位移關系曲線

1)試件峰值強度隨垂直應力的提高而增大，試樣剪切破壞最早在剪切位移2 cm處發生，大部分峰值強度在5 cm左右出現；正應力相同的情況下，SPX1試樣表現出較高的峰值強度，這是由于SPX1試樣相對原滑坡表面埋深較大，風化程度較弱產生的影響．

2)4組試件曲線均表現出剪切力前期增長較快，后期增長減緩，曲線斜率(剪切剛度)由大變小呈現連續變化過程，有峰值強度但不是特別明顯．SPX1、SPX2、SPX3、SPX4組，隨著正應力的增加，曲線的彈性階段變長，彈性模量增大．其中在SPX2組中的一個試樣比另外兩個試件表現出較低的峰值強度和彈性模量，由于風化程度較為嚴重，所以造成了其強度與其它試樣相比有大幅度的降低．

3)4組試驗的土石混合體剪切試驗的尺寸是相同的，從總體來看，4組試件應力-應變曲線總體規律一致，但也存在差異性．其中SPX1組試件彈性階段增加前期表現出差異性，而SPX2、SPX3、SPX4組在彈性階段后期和屈服階段產生差異，應變速度隨著應力的增大明顯增大，破裂迅速傳播，本階段應力值只有較小增大，而應變增幅較大，最終使得試樣在峰值位置發生破壞．

2.2 試件抗剪強度劣化分析

根據剪切試驗得到試件的力學試驗結果，以抗剪強度為縱坐標，正壓力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力曲線如圖4(a)～(d)所示．根據圖上各點，由回歸分析得到二者的關系曲線，相關系數R2在0.9左右，擬合效果較好，其中直線的傾角為內摩擦角φ，直線在縱坐標上的截距為土的黏聚力c，見表3．由表可知：

1)SPX1、SPX2、SPX3、SPX4四組土石混合體原位剪切試驗得到的內摩擦角隨著高程的降低逐漸減小，而黏聚力隨著高程的降低逐漸變大．這是因為降雨滲流作用將滑坡高處土石混合體里的粘粒成分帶到滑坡坡腳處，即坡頂至坡腳，含石量隨著高程的降低逐漸變小，含石量高，咬合力大，內摩擦角大，黏聚力小．

2)該滑坡土石混合體的原位剪切試驗得到的黏聚力在11.23～21.32 kPa之間，內摩擦角在14.71°～34.03°之間．

表3 原位剪切強度參數值

圖4 剪切強度與正應力的關系曲線

2.3 土石混合體抗剪強度影響參數研究

分別根據規范《含水率試驗》(SL237-003-1999)和《顆粒分析試驗》(SL237-006-1999)測出不同試樣的含水率和顆粒級配，如表4，圖5所示．不同試點顆粒質量百分含量見表5．結合圖6～7粒徑顆粒質量百分含量對內摩擦角和粘聚力的影響關系圖，結果表明：

1)4組試樣的含水率變化范圍較小，均在18.14%～18.42%之間，對土石混合體的抗剪強度影響較小．

2)4組試樣的顆粒級配總體分布一致．粒徑大于2 mm顆粒質量百分含量在25.10～29.47，粒徑分布均勻，其中，SPX4粒徑大于2 mm顆粒質量百分含量最小；而粒徑小于0.5 mm的含量4組試件表現為坡頂和坡腳兩組處偏大，中間兩組含量偏小．

表4 不同試驗點試樣的含水率

表5 不同試驗點顆粒質量百分含量 (單位：%)

圖5 不同試驗點土石混合體顆粒級配曲線

圖6 粒徑大于2 mm顆粒質量百分含量和內摩擦角的關系

圖7 粒徑小于0.5 mm顆粒質量百分含量和黏聚力的關系

通過圖6對比不同組號粒徑大于2 mm顆粒質量百分含量和內摩擦角的關系，表明樹坪滑坡土石混合體內摩擦角隨著粒徑大于2 mm顆粒質量百分含量變大而變大．通過圖7對比不同組號粒徑小于0.5 mm顆粒質量百分含量和黏聚力的關系，結果表明樹坪滑坡土石混合體黏聚力隨著粒徑小于0.5 mm顆粒質量百分含量變大而變大．

3 結 論

本文以樹坪滑坡處的土石混合體為研究對象，通過對試樣進行水平推剪切試驗，得出以下結論：

1)本試驗對削坡治理后的樹坪滑坡土石混合體進行了大型的水平剪切試驗，得到試區的土石混合體沿滑坡由上至下的抗剪強度參考值，粘聚力c在11.23～21.32 kPa之間，內摩擦角φ在14.71°～34.03°之間，為類似庫岸滑坡穩定性研究，提供了借鑒意見．

2)不同正應力下應力-應變曲線呈現明顯的非線性特征，隨著正應力越大，應力-應變曲線越陡，試件彈性模量變大，應力-應變曲線的硬化特性越明顯，峰值強度也越大．正應力的大小對達到峰值強度時的應變影響較大．正壓力越大，顆粒破壞使產生的摩擦阻力增大，達到峰值強度時的應變值越大，應力-應變曲線多為應變硬化型．試件峰值強度隨垂直應力的提高而增大，試樣剪切破壞最少在剪切位移2 cm后發生，大部分峰值強度在5 cm左右出現．

3)土石混合體內摩擦角隨著粒徑大于2 mm顆粒質量百分含量變大而變大，黏聚力隨著粒徑小于0.5 mm顆粒質量百分含量變大而變大；粒徑較大時，試樣表現出巖性特征，粒徑較小時，試驗表現出土性特征．

4)由于原位剪切試驗對土體的擾動小，獲取的參數精確度高，更能反映土的真實強度，是滑坡勘察中獲取土體強度參數的一種重要及有效的方法，但由于受到試驗條件、試驗點較少等的限制，試驗存在一定的局限性．如試樣的含水率范圍較小，不能反映出對抗剪強度的影響．因此有必要擴大試驗區的范圍和試件數量，進一步細化因含水率的差異對土石混合體的強度指標影響大小，在此基礎上，更為全面的研究土石混合體的力學特性．