抗剪強度參數對庫岸堆積碎石土邊坡穩定性影響的試驗研究

摘要：影響滑坡的主要因素是粘聚力和內摩擦角兩個抗剪強度參數。文章通過實驗室模擬實驗的方式，研究了不同級配碎石土的粘聚力和內摩擦角變化規律，并進一步探討了這兩個抗剪強度參數對碎石土邊坡穩定性的影響，結論對碎石土邊坡的穩定性評價和施工設計具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：碎石土;安全系數;粘聚力;內摩擦角

一、研究背景

堆積碎石土是一種特殊形態的土石混合體，是在風化卸荷、殘坡積以及沖洪積等各種復雜成因作用下形成的石塊和土混合體[1]。對于堆積碎石土，目前學界并沒有統一的定義，通常認為是2mm以上粒徑的顆粒含量在50%以上的土石混合體[2]。受到地質環境和作用的影響，我國存在比較廣泛的天然碎石土邊坡，同時在部分水利工程建設中還存在大量的人工碎石土邊坡。這類邊坡的成因比較復雜，主要有人工填土、風化殘積、崩塌堆積以及滑坡堆積等多種形式。由于物質的組成十分復雜，其結構分布上又具有不規則性，給其工程力學性質研究帶來了較大困難[3]。同時，碎石土邊坡滑坡又是我國最常見的滑坡類型。在水利工程建設和運行期間，一旦發生碎石土滑坡，必將給工程建設和運行造成十分顯著的不利影響[4]。相關研究顯示，顆粒接觸緊密的碎石土，一般抗剪強度較大，在荷載的干擾下一般不會發生較大的變形，而結構疏松的碎石土抗剪強度小，在荷載作用下往往會產生較大的變形[5]。因此，抗剪強度對碎石土邊坡的穩定性存在顯著影響。基于此，本次研究通過實驗室模擬試驗的方式，展開抗剪強度參數對庫岸堆積碎石土邊坡穩定性影響的試驗研究，以便為相關工程設計和建設提供必要的支持。

二、試驗設計

（一）碎石土的制備

根據相關研究成果，顆粒級配對碎石土的抗剪強度存在比較顯著的影響，甚至可以認為顆粒級配對碎石土的物理力學性能存在決定性的影響。另一方面，顆粒組成方面的差異也會造成碎石土內部顆粒之間的粘聚力和摩擦力存在比較明顯的差別。因此，研究中設計了五種不同級配的碎石土進行試驗，具體的級配設計如表1所示。

（二）試件制作

在試件制作過程中，采用散體材料擊實的方式進行碎石土試件的制作。制作的流程按照《土工試驗規程》SL237-1999中的相關要求進行。根據試驗中乘膜筒的大小，采用2.5kg的擊實桿分兩層對試件進行擊實，每層的擊打次數為5次，在試件擊打完畢之后，平整好上表面，并放入透水石以及吸水紙，然后在套上一層完整的橡膠模。為了防止試驗中出現意外情況，每種級配的試件需要多做一個備用件。

（三）試驗方法

研究中對不同級配的碎石土試樣在不同圍壓條件下進行三軸試驗，并記錄試驗過程中的各項指標參數，研究試件抗剪強度的變化規律，并進一步獲取抗剪強度參數對庫岸堆積碎石土邊坡穩定性影響，為碎石土邊坡的穩定性預測和治理工程措施的選擇提供必要的參考。試驗中設計的了100kPa、200kPa和300kPa三種不同的圍壓，剪切速率設定為1.2mm/min，振幅和振動次數分別設計為2mm和30次。在不固結、不排水方式下分別對不同級配的碎石土試樣進行靜力三軸試驗。試驗采用SDT-20型試驗機進行，具體的試驗步驟如下：首先檢查試驗儀器設備，并做好必要的調適;在指定位置安裝好碎石土試件;關閉上下孔壓閥門，并在電腦界面上觀察各個參數是否歸零;通過電腦操控上升底座，排除試件和橡皮膜之間的空氣;手動放下壓力罩;打開閥門向壓力室內注水;在電腦界面點擊開始按鈕并開始試驗。最后，根據試驗過程中記錄的數據，利用莫爾-庫倫公式進行整理和計算，獲得主應力和軸向應變之間的關系，最終獲得粘聚力和內摩擦角兩個抗剪強度參數的結果和關系曲線。

三、試驗結果分析

（一）抗剪強度參數變化規律

對設計的A、B、C、D、E五種不同顆粒級配的試件按照上述試驗方法進行三軸試驗， 根據試驗結果計算和整理出不同級配條件下的碎石土粘聚力和內摩擦角，結果如表2所示。由試驗結果可知，粘聚力數值最大的是試樣B，粘聚力最小的是試樣C。根據試樣的顆粒級配設計可知，碎石土的粘聚力隨著碎石含量的增加呈現出先增加后減小的特點。內摩擦角最大的是試樣C，內摩擦角最小的是試樣A。由此可見，隨著碎石土中碎石含量的增加，內摩擦角呈現出逐漸遞增的特征，同時適當的摻砂量對提高碎石土的內摩擦角也有一定的作用。究其原因，主要是砂、土和碎石之間的有效黏結能夠有效提升碎石土內部的嵌合力，從而使碎石土的整體明顯提升。因此，隨著碎石量的不斷增加，碎石土試樣的抗剪強度也不斷增大。但是，當碎石含量超過某一定值的情況下，細顆粒的減少會導致內部黏結性的降低，并表現為粘聚力的下降;對內摩擦角而言，碎石含量的增加會造成碎石土內大小不同的顆粒不斷擠壓和鑲嵌，造成土體結構的重新排列，使碎石土呈現出土和石的雙重特征，使土體的抗剪強度提高。

（二）抗剪強度參數對邊坡穩定性的影響

研究中以試驗數據為依據，利用概率論中的相關理論，利用方差對數據的離散程度進行度量，并估計碎石土邊坡產生滑坡的概率。同時，研究中選用瑞典條分法進行計算，并以計算結果為基礎，分析粘聚力和內摩擦角兩個主要抗剪強度參數對碎石土邊坡穩定性的影響，以便對碎石土邊坡的穩定性研究以及具體整治措施的選擇提供支持。

（1）粘聚力的影響

利用上文提出的方法，將粘聚力視為變量，在其余參數值保持不變的情況下對試樣的安全系數進行計算，結果如表3所示。由表中的計算結果可知，五組試樣的穩定性系數和試樣的粘聚力之間存在顯著的正相關關系，也就是試樣的粘聚力越大，試樣的穩定性就越高。其中，中安全系數最大的為試樣B，安全系數為1.698，安全系數最小的為試樣C，安全系數值為1.625。究其原因，主要是試樣B中土的含量要明顯多于試樣C，由于土顆粒較細，粘結作用十分明顯。由此可見，粘聚力的變化會對試樣的穩定性存在顯著影響，兩者之間呈現出近似的正比關系。

（2）內摩擦角的影響

利用上文提出的方法，將內摩擦角視為變量，在其余參數值保持不變的情況下對試樣的安全系數進行計算，結果如表4所示。由表中的計算結果可知，五組試樣的穩定性和試樣的內摩擦角之間存在顯著的正相關關系，也就是試樣的內摩擦角越大，試樣的穩定性就越高。其中，中穩定性系數最大的為試樣C，穩定性系數為1.951，安全系數最小的為試樣A，安全系數值為1.158。究其原因，主要是試樣C的級配較為理想，顆粒之間具有較強的咬合作用，因此抗剪強度也較高。由此可見，內摩擦角的變化會對試樣的穩定性存在顯著影響，兩者之間呈現出近似的正比關系。

四、結論

本次研究通過實驗室試驗的方法，研究了粘聚力和內摩擦角量兩個抗剪強度參數對碎石土邊坡穩定性的影響，并獲得如下主要結論：

（1）隨著碎石含量的增加，碎石土的粘聚力呈現出先增加后減小的特點，內摩擦角則呈現出逐漸遞增的特征。

（2）粘聚力的變化會對碎石土邊坡的穩定性存在顯著影響，兩者之間呈現出近似的正比關系。內摩擦角也呈現出相似的特征，其變化會對碎石土邊坡的穩定性存在顯著影響，兩者之間也呈現出近似的正比關系。

參考文獻：

[1]黃小敏.基于修正的碎石土直剪數據測試[J].吉林水利，2019（11）：25-29.

[2]蘇立君，梁雙慶，王洋.震后降雨型碎石土斜坡穩定性的試驗研究[J].工程科學與技術，2019，51（04）：12-20.

[3]黃宇軒，趙其華，劉斌，劉俊鵬.碎石土密實度對地基水平承載力影響研究[J].人民長江，2019，50（05）：180-184+204.

[4]劉占濤.膠結碎石土在黏土心墻壩中的應用[J].水利技術監督，2018（03）：167-169.

[5]徐少星.基于水利項目中碎石土滲透性的研究[J].水利建設與管理，2018，38（01）：31-33+72.

作者簡介：

秦于單（1994.1-），四川內江人，漢族，碩士，助理工程師，主要從事水工結構設計方面的工作。