瀘定大渡河橋冰磧土的結構及現場剪切試驗研究

程 強,郭喜峰

(1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041;2.長江科學院重慶分院，重慶 400026)

冰磧土是冰川搬運和堆積作用下，冰川融化后堆積的土體，多以碎石、塊石、砂礫為主。冰磧土屬于土石混合體，土石混合體的力學性質復雜，影響因素眾多，許多學者通過原位試驗、室內試驗、數值模擬等方法研究石質含量、石質形狀、巖性及應力狀態等對土體強度和變形特性的影響[1-5]。徐文杰等[2]基于數字圖像技術分析土體內部塊石形態，制備試驗樣品，得到了剪切帶特性及剪切強度參數與含石量的關系。張曉健等[3]通過推剪試驗研究分析了土石混合填料的剪切破壞特性。這些研究得出了石質含量、形態等與土體剪切性能之間的關系，為相關工程設計提供了參考依據。

冰磧土的力學特性與其它成因的土石混合體有一定相似性，也有所區別。對帕隆藏布流域冰磧土、川西高原某工程冰磧土、大渡河某冰磧土的研究表明冰磧土透水性差、膠結程度高，具有較好的力學性質和穩定性[6-9]。張永雙等[10]提出了基于膠結程度和粒度組成的我國西南地區冰川堆積物二級分類方案。何迎紅等[11]通過室內試驗，研究了瀑布溝冰磧土力學特性，得出了低圍壓和高圍壓下土體力學參數。上述研究表明冰磧土較其它土體膠結程度高，力學性質較好。但冰磧土的研究以室內試驗為主，較難反映原狀冰磧土體的結構特性，土體剪切強度特性與土體結構的關系還缺乏較為深入的分析。

為研究冰磧土的力學特性，分析研究冰磧土結構與剪切強度特性之間的關系，獲取力學參數，為特大型工程建設提供參考依據，本文結合作為特大跨懸索橋基礎持力層的某冰磧土，通過地質勘察、電鏡掃描、現場剪切試驗等研究土的結構及剪切變形與強度特征，分析剪切性能與土的結構之間的關系。

1 試驗場地概況及冰磧土的基本特征

瀘定大渡河橋是川藏高速公路四川省雅安至康定段控制性工程，橋梁跨越大渡河河谷，采用主跨1 100 m的懸索橋，橋梁康定岸主塔及重力錨均布設于巨厚層冰磧體上，該冰磧體屬山谷型冰川堆積物，圖1為冰磧體影像圖。由圖1可見冰磧體呈近似四邊形，橫向寬度約1 800 m，縱向長度約1 150 m，被溝谷分割成大小不等的三個部分，橋梁主塔及重力錨布設在冰磧體的北東側。圖2為橋梁軸線工程地質剖面圖，可見土體前緣為閃長巖體，巖土界面呈勺形，土體最大厚度187.1 m。根據鉆孔ZK3巖芯樣品ESR測年，26 m,57.7 m,68.10 m深度土的年齡分別為2.8±0.2萬年、4.0±0.4萬年、4.7±0.4萬年。

圖1 冰磧體影像圖(Google Earth 截圖)Fig.1 Image map of the moraine deposits area (Google screenshot)

圖2 典型工程地質剖面圖(圖1中A剖面)Fig.2 Typical geological section(Section A in fig.1)

場地冰磧土為碎石土，石質成分以閃長巖為主，少量花崗巖。冰磧土土體密實、含水率低、透水性差。土樣密度1.99～2.35 g/cm3，平均值為2.21 g/cm3；土樣含水率2.23%～9.59%，平均值為6.36%。地質鉆探巖芯分析表明冰磧土膠結程度較好，尤其是隨著深度的增加，逐漸呈現半成巖特征，測得其天然狀態單軸極限抗壓強度為3.0～4.02 MPa，平均值為3.46 MPa。在圖1中2條溝谷兩側冰磧土邊坡高度一般在50～110 m，坡度均在40°以上(部分65°以上)，邊坡穩定，表明堆積體穩定性較好。

2 冰磧土的結構特征

土的結構主要包括顆粒的大小及其組合、形狀和表面特征，顆粒間的排列和組合形式，顆粒間的連接關系和屬性，以及宏觀的結構面及其組合、整體結構等，包含了從宏觀到細觀、微觀等不同尺度的含義[12]。土的宏觀結構主要指不同的沉積環境條件下，形成的層狀、夾層狀等結構。土的細觀結構主要指顆粒及其組合體的排列和組合形式。微觀結構主要指土中礦物及其集合體的排列和組合形式。

冰磧土屬非重力分異沉積，土中巨粒、粗粒、細粒成分混雜無序堆積。宏觀結構上，顆粒分選程度差、磨圓程度低、無成層性，局部夾透鏡狀砂礫土富集帶、團塊狀風化帶、懸浮狀大塊石。

根據冰磧土顆粒組成、風化程度等，從細觀結構上冰磧土劃分為：①骨架懸浮密實結構：是最有代表性的結構類型(圖3a)，骨架顆粒呈中—微風化狀、強度高，懸浮狀骨架顆粒和砂礫雜基形成的土結構密實。②軟化骨架懸浮密實結構：因骨架顆粒的風化，而導致土骨架軟化、強度降低，圖3b可見土中的顆粒輪廓清晰，但部分土體顆粒呈全—強風化狀。③砂礫土富集結構：土體中較細的砂礫顆粒呈透鏡狀富集(圖3c)，厚度一般不大于20 cm，延伸長度一般不大于5 m，延伸方向雜亂無序。一般膠結程度好，并不構成軟弱帶。④大塊石包繞結構：冰磧土中大塊石呈“懸浮”狀，粒徑大者可達3 m(圖3d)。

圖3 冰磧土的典型圖片Fig.3 Typical soil mini-structure picture of the moraine soil

細觀結構尺度通常為室內外剪切試驗研究的尺度，本次室內外剪切試驗均避開冰磧土中的大塊石，代表性樣品顆粒分析結果見表1。由表1可見冰磧土以粗粒組(0.075～60 mm)和巨粒組(>60 mm)為主，細粒組(<0.075 mm)含量少，即使在砂礫土中(S1-2，S2-2)，細粒組含量仍不足7%。

表1 典型土樣顆粒分析結果Table 1 Results of particle-size analyses of the typical soil samples

備注：表中20～60表示20 mm≤粒徑≤60 mm。

圖4 冰磧土電鏡掃描照片Fig.4 SEM scanning photos of the moraine soil

為研究土的微觀結構特征，選取土樣中顆粒較細部分進行電鏡掃描(圖4)。圖4a和圖4b可見土顆粒呈懸浮狀、局部點接觸，粒間充填雜基；顆粒分選差、粗細混雜、磨圓差，顆粒邊緣形態主要有亞圓狀、次棱角狀、棱角磨損和尖棱角狀。圖4c清晰可見顆粒間充填的泥質雜基情況；圖4d可見泥質向蒙脫石轉化(其它圖片還可見向伊利石轉化及伊蒙混層)，伊利石和蒙脫石都起到一定的膠結作用。

電鏡掃描分析表明，冰磧土在微觀結構上與細觀結構表現出一致性，即不同大小的顆粒混雜、密實堆積，形成骨架懸浮密實結構。冰磧土的這種結構特性，是具有較好力學特性的決定因素。

3 冰磧土剪切試驗及分析

3.1 試驗方法及試驗點布置

試驗參照《水利水電工程粗粒土試驗規程》(DL/T5356-2006)相關規定進行，剪切面長邊尺寸與試樣中最大顆粒粒徑之比不小于5。現場剪切試驗主要針對骨架懸浮密實結構和軟化骨架懸浮密實結構的碎石土，制樣避開大塊石。室內剪切試驗采用鉆孔中的砂礫土樣品。共進行6組現場試驗，分別布置在地表試坑、試驗平洞、重力錨基坑內，試驗點布置見圖5，試驗點距離地表的最大深度為72 m。

3.2 抗剪強度參數

試驗獲得土的抗剪強度參數見表2，可見不同結構土的抗剪強度參數有較大的差異。試驗參數代表細觀結構尺度土的剪切強度參數，在研究邊坡穩定性的宏觀尺度上，土的抗剪強度還取決于邊坡工程范圍土的宏觀結構，例如土是否有成層性，是否有軟弱夾層等。根據對瀘定大渡河橋冰磧土的調查及勘探，冰磧土無成層性，其中的風化骨架和砂礫土富集帶呈透鏡狀、團塊狀無規律分布。因此在工程設計抗剪強度參數選取上，依據勘探揭示不同結構土的比例，按照加權平均的方法確定抗剪強度參數，建議工程設計用冰磧土天然狀態峰值內摩擦角取36.5°，黏聚力取50 kPa。

圖5 現場試驗點布置圖Fig.5 In-situ test point layout

表2 現場及室內剪切試驗參數匯總Table 2 Parameter summary of the field shear strength test and laboratory shear strength test

備注：S1-1～S1-4為160 mm×140 mm×150 mm的長方體試件，S2-1～S2-11為直徑61.8 mm的圓柱形試件。

圖6 典型剪切面照片Fig.6 Typical shear plane photograph

3.3 剪切破壞特征

冰磧土的現場剪切破壞面呈波狀起伏，起伏差最小40 mm，最大220 mm，各組試驗起伏差的平均值在102～138 mm。通過對6組現場剪切試驗的30個試樣的觀察分析(典型剪切面照片及剪切面示意圖如圖6所示)，冰磧土的剪切面主要有如下4種形態：

(1)剪切破碎帶：石質骨架在剪切荷載作用下翻滾、錯動，砂礫基質被壓碎，剪切帶呈散體狀(圖6a)。圖6b剪切面中部可見剪切破壞后呈定向排列的骨架顆粒。剪切破碎帶主要出現在骨架懸浮密實結構冰磧土中，T1組、T6組和T4組中的部分剪切面，呈現壓碎剪切特征。

(2)臺階狀剪切面：由于土體中大粒徑骨架的阻擋，剪切面呈臺階狀突變，土體中常見剪切裂縫(圖6b，c，e)。

(3)鋸齒狀剪切面：剪切面呈鋸齒狀，面上有少量翻轉的骨架和壓碎的基質(圖6d)。此類剪切面主要出現在膠結程度好的骨架懸浮密實結構冰磧土中，試樣翻開后基本呈整體狀。

(4)波狀剪切面：剪切面呈波狀起伏，擦痕明顯，可見剪切面切穿軟化骨架顆粒(圖6e)，此類剪切面主要出現在軟化骨架懸浮密實結構冰磧土中。

3.4 剪切變形特性分析

現場剪切試驗得到的典型剪應力-剪切位移關系曲線如圖7和圖8所示，由圖7和圖8可以看出：

(1)冰磧土剪切荷載作用下剪切剛度大、延性差，表現為脆性變形的特征。圖7可見土體初始屈服和應變硬化階段很短，有些直接由線性變形階段進入破壞階段，這表明冰磧土的剪切破壞具有突發性，工程應用中需要考慮適當的安全冗余。

(2)冰磧土現場剪切試驗的剪應力-水平位移關系曲線可以劃分為如下4個階段：① 線彈性階段。在這個階段內，土體的剪切變形主要表現為土體中骨架顆粒的剪切變形和砂礫基質的壓縮變形，沒有出現土體顆粒間的翻滾、錯動，剪切變形量小，曲線近于直線。②初始屈服階段。由圖7可見初始屈服階段不明顯，多由線性變形直接進入應變硬化或破壞階段。③應變硬化階段。隨著剪切荷載的增加，土中的骨架顆粒和砂礫基質產生變形，土的強度不斷增長。在骨架懸浮密實結構冰磧土中，由于砂礫基質壓碎破壞后骨架顆粒快速翻轉，剪切帶快速形成，因此表現為應變硬化階段較短，甚至直接進入破壞階段。而軟化骨架懸浮密實結構冰磧土，由于骨架強度低，剪切荷載作用下裂隙逐步擴展，表現出一定的強度緩慢增長過程。④破壞階段。土達到峰值強度后，變形快速發展而破壞。

圖7 典型冰磧土剪應力～水平位移曲線Fig.7 Relationship between shear stress and horizontal displacement of the typical marine soil

圖8 典型冰磧土剪應力～豎向位移曲線Fig.8 Relationship between shear stress and vertical displacement of the typical marine soil

(3)冰磧土剪切荷載作用下的法向變形一般表現出先剪縮、再剪脹的特征，圖8中法向位移負值表示膨脹，正值表示壓縮。由圖8可見在各級正應力下，豎向位移一般呈現先增大、后減小的趨勢(先剪縮、后剪脹)，一般在屈服點附近出現拐點，屈服后出現明顯的剪脹過程。而圖8a中部分樣品破壞后表現為剪縮，主要是剪切破壞后剪切破碎所致。冰磧土先剪縮、后剪脹的原因在于基質被壓碎以前，土中顆粒沒有發生錯動、翻滾，因此表現為剪縮或很小的剪脹變形，一旦顆粒壓碎，土中顆粒產生翻滾，相互擠壓錯動，則會表現出剪脹特征。

冰磧土剪切變形與破壞特征的分析表明，骨架懸浮密實結構土體線彈性階段明顯，剪切剛度大，應變硬化階段短，剪切面上表現為砂礫基質壓碎和骨架顆粒翻轉，呈現壓碎剪切和鋸齒狀剪切的破壞特征。而軟化骨架懸浮密實結構剪切剛度較低，應變強化階段明顯，剪切面切穿骨架顆粒，剪切破壞面呈相對平滑的波狀。

3.5 土的結構對剪切特性的影響分析

土的結構對冰磧土剪切特性有重要影響，可從強度參數、破壞模式和變形特征等方面進一步分析。

(1)強度參數：由表2試驗成果可見，不同結構土的抗剪強度參數差異較大，主要表現在骨架強度對抗剪強度參數的影響。正應力0.5～1.0 MPa時，天然狀態下軟化骨架懸浮密實結構土的峰值抗剪強度為骨架懸浮密實結構土的74.8%～77.6%。

(2)破環模式：骨架顆粒對土石混合體變形破壞有重要控制作用，很多學者研究認為[2,4-5]土石混合體的剪切變形在于土體顆粒的“推擠、翻轉、咬合”作用。本次進行的原狀冰磧土剪切試驗表明，土的結構對土的變形破壞有重要影響，冰磧土剪切破壞可歸納為剪切破碎帶、包繞大骨架邊界、鋸齒狀剪切、切穿軟化骨架顆粒等4種模式。

①剪切破碎帶。冰磧土呈“骨架懸浮密實結構”，“石質骨架”懸浮于更細小的“具有一定膠結的基質”中，因此在剪切荷載作用下，骨架顆粒與膠結基質的相互作用，呈現出“骨架擠壓—基質壓碎”的破壞模式。圖9a表示單個骨架顆粒的情況，剪切荷載作用下，骨架顆粒因轉動變形，在兩側形成受壓區，當壓應力超過基質抗壓強度時，基質被壓碎，顆粒轉動變形，土產生破壞。圖9b中，在顆粒轉動—基質壓碎作用下，包繞骨架邊界形成剪切帶，在剪切帶內，骨架顆粒轉動變形、基質壓碎，從而形成“壓碎剪切帶”。壓碎剪切帶一旦形成，則迅速破壞，因而表現出初始屈服和應變硬化階段短的特點。

圖9 骨架顆粒與基質相互作用示意圖Fig.9 Schematic diagram of interaction between skeleton and matrix

②包繞大骨架邊界。剪切荷載作用下很難造成大骨架顆粒翻轉，剪切面一般包繞塊石的邊界面，突起部分因骨架間摩擦而剪斷(圖6b)，有些大骨架前形成臺階，臺階周邊出現張裂縫(圖6c)。骨架顆粒的大小是相對試驗剪切面的尺度而言，現場剪切試驗統計表明，在骨架懸浮密實結構中，翻轉的顆粒粒徑一般在12 cm以下。而軟化骨架懸浮密實結構中，翻轉顆粒較少，最大粒徑一般在5 cm以下。在剪切試驗中，當剪切面剛好穿過骨架邊界面時，可能造成試驗強度偏低；當骨架阻擋剪切面形成臺階時，則會導致試驗強度偏高。在實際的剪切破壞中，土中的大骨架顆粒顯然有助于提高土體抗剪強度。

土中較大的骨架顆粒對剪脹性有較大的影響，當剪切面有較大骨架顆粒時，往往表現出明顯的剪脹性，如在圖8b和圖8c中，T4組試驗中σ=1.102 MPa樣品和T2組試驗中σ=1.168 MPa樣品因剪切面上較大塊石影響，臨近破壞時表現出較強的剪脹性。

③鋸齒狀剪切。T4組試驗位于基坑底部，埋深72 m。由于砂礫基質膠結程度高，基質壓碎比例低，土的破壞更多表現為砂礫基質的剪切錯斷破壞，剪切面上的骨架顆粒被錯斷或拔出，剪切面以鋸齒狀為主，土樣剪斷后基本保持完整狀態(圖6d)，形成“鋸齒狀剪切”破壞模式。

④切穿軟化骨架顆粒。當土中骨架強度較低時，顆粒的骨架作用變弱，導致其抗剪強度參數降低，延性增大。剪切面較為平滑，面上可見軟化石質骨架被剪斷(圖6e)，形成“切穿軟化骨架”破壞模式。

(3)剪切變形特征：張曉鍵等[3]、徐文杰等[13]通過頁巖-黏土混合料及斜坡碎石土的剪應力-剪切位移關系曲線分析，表明土體在彈性變形階段前有明顯的壓密階段。冰磧土結構密實，因此現場剪切試驗得到的剪應力-剪切位移關系曲線上沒有呈現明顯的壓密變形階段。

圖10為不同結構土的代表性剪應力-水平位移曲線對比，可見T2組試驗代表的軟化骨架懸浮密實結構土的剪切剛度較低，線彈性階段較短，表現出更明顯的應變硬化階段，剪切變形量大。T6和T4組試驗曲線代表的骨架懸浮密實結構冰磧土，曲線近似呈折線狀，表明土從初始破裂到最終破壞發展較快，尤其是膠結程度較好的T4組試驗，剪切剛度更大，破壞更突然。

圖10 不同結構土體剪切變形特性對比圖Fig.10 Contrast charts of shear deformation characteristics of soils with different structures

4 結論

(1)冰磧土顆粒以粗粒、巨粒粒組為主，土的骨架顆粒呈懸浮狀，混雜、無序堆積，骨架間充填雜基、無孔隙，形成骨架懸浮密實結構。

(2)顆粒骨架和具有一定膠結的雜基形成的懸浮密實結構，是土的強度與變形特性的內在控制因素。剪切荷載作用下，除骨架顆粒間的相互作用外，更多表現為骨架顆粒與膠結基質的相互作用，呈現出“骨架擠壓—基質壓碎”的破壞模式。剪切破壞時表現為基質的壓碎與骨架的翻轉，使冰磧土表現為剪切強度高、延性差、先剪縮后剪脹的特性。

(3)冰磧土剪切破壞模式主要有剪切破碎帶、包繞大骨架邊界、鋸齒狀剪切、切穿軟化骨架等4種模式。骨架顆粒強度、大骨架顆粒分布、基質膠結程度等都對冰磧土強度和變形特性構成一定的影響。土的抗剪強度、剪切剛度和剪脹性隨骨架強度和基質膠結程度的提高而增大，而延性隨之變差。

(4)研究表明冰磧土的結構密實、剪切強度參數較高，根據冰磧土的結構分析和現場剪切試驗，堆積體和重力錨基坑穩定性計算用的剪切強度參數取值為c=50 kPa，φ=36.5°。