抗剪強度參數(shù)對庫岸堆積碎石土邊坡穩(wěn)定性影響的實驗研究

夏長城

(鄱陽縣水利電力勘測設(shè)計室，江西 鄱陽 333100)

1 研究背景

堆積碎石土是一種特殊形態(tài)的土石混合體，是在風(fēng)化卸荷、殘坡積以及沖洪積等各種復(fù)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(xué)界并沒有統(tǒng)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(zhì)環(huán)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(shè)中還存在大量的人工碎石土邊坡。這類邊坡的成因比較復(fù)雜，主要有人工填土、風(fēng)化殘積、崩塌堆積以及滑坡堆積等多種形式。由于物質(zhì)的組成十分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)分布上又具有不規(guī)則性，給工程力學(xué)性質(zhì)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(shè)和運行期間，一旦發(fā)生碎石土滑坡，必將給工程建設(shè)和運行造成十分顯著的不利影響[4]。相關(guān)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(fā)生較大的變形，而結(jié)構(gòu)疏松的碎石土抗剪強度小，在荷載作用下往往會產(chǎn)生較大的變形[5]。因此，抗剪強度對碎石土邊坡的穩(wěn)定性存在顯著影響。基于此，本次研究通過實驗室模擬實驗的方式，展開抗剪強度參數(shù)對庫岸堆積碎石土邊坡穩(wěn)定性影響的試驗研究，以便為相關(guān)工程設(shè)計和建設(shè)提供必要的支持。

2 實驗設(shè)計

2.1 碎石土的制備

根據(jù)相關(guān)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(xué)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(nèi)部顆粒之間的黏聚力和摩擦力存在比較明顯的差別[6]。因此，研究中設(shè)計了5種不同級配的碎石土進行試驗，具體的級配設(shè)計見表1。

表1 實驗用碎石土級配表 單位：%

2.2 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[7]。制作的流程按照SL237—1999《土工試驗規(guī)程》中的相關(guān)要求進行。根據(jù)實驗中乘膜筒的大小，采用2.5kg的擊實桿分2層對試件進行擊實，每層的擊打次數(shù)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，然后再套上一層完整的橡膠模。為了防止實驗中出現(xiàn)意外情況，每種級配的試件需要多做一個備用件。

2.2 實驗方法

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實驗，并記錄實驗過程中的各項指標參數(shù)，研究試件抗剪強度的變化規(guī)律，并進一步獲取抗剪強度參數(shù)對庫岸堆積碎石土邊坡穩(wěn)定性影響，為碎石土邊坡的穩(wěn)定性預(yù)測和治理工程措施的選擇提供必要的參考。實驗中設(shè)計的了100、200、300kPa三種不同的圍壓，剪切速率設(shè)定為1.2mm/min，振幅和振動次數(shù)分別設(shè)計為2mm和30次。在不固結(jié)、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實驗[8]。實驗采用SDT- 20型實驗機進行，具體的實驗步驟如下：首先檢查實驗儀器設(shè)備，并做好必要的調(diào)適；在指定位置安裝好碎石土試件；關(guān)閉上下孔壓閥門，并在電腦界面上觀察各個參數(shù)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(nèi)注水；在電腦界面點擊開始按鈕并開始實驗。最后，根據(jù)實驗過程中記錄的數(shù)據(jù)，利用莫爾-庫倫公式進行整理和計算，獲得主應(yīng)力和軸向應(yīng)變之間的關(guān)系，最終獲得黏聚力和內(nèi)摩擦角2個抗剪強度參數(shù)的結(jié)果和關(guān)系曲線[9- 12]。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 抗剪強度參數(shù)變化規(guī)律

對設(shè)計的A、B、C、D、E 5種不同顆粒級配的試件按照上述實驗方法進行三軸試驗，根據(jù)實驗結(jié)果計算和整理出不同級配條件下的碎石土黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果見表2。為了進一步對比變化規(guī)律，根據(jù)計算結(jié)果繪制出兩者之間的對比曲線，結(jié)果如圖1所示。由實驗結(jié)果可知，黏聚力數(shù)值最大的是試樣B，黏聚力最小的是試樣C。根據(jù)試樣的顆粒級配設(shè)計可知，碎石土的黏聚力隨著碎石含量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的特點。內(nèi)摩擦角最大的是試樣C，內(nèi)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(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出逐漸遞增的特征，同時適當?shù)膿缴傲繉μ岣咚槭恋膬?nèi)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(jié)能夠有效提升碎石土內(nèi)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(dǎo)致內(nèi)部黏結(jié)性的降低，并表現(xiàn)為黏聚力的下降；對內(nèi)摩擦角而言，碎石含量的增加會造成碎石土內(nèi)大小不同的顆粒不斷擠壓和鑲嵌，造成土體結(jié)構(gòu)的重新排列，使碎石土呈現(xiàn)出土和石的雙重特征，使土體的抗剪強度提高[13- 15]。

表2 黏聚力和內(nèi)摩擦角實驗成果

圖1 黏聚力和內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

3.2 抗剪強度參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響

研究中以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用概率論中的相關(guān)理論，利用方差對數(shù)據(jù)的離散程度進行度量，并估計碎石土邊坡產(chǎn)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(jié)果為基礎(chǔ)，分析黏聚力和內(nèi)摩擦角2個主要抗剪強度參數(shù)對碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響，以便對碎石土邊坡的穩(wěn)定性研究以及具體整治措施的選擇提供支持。

3.2.1黏聚力的影響

利用上文提出的方法，將黏聚力視為變量，在其余參數(shù)值保持不變的情況下對試樣的安全系數(shù)進行計算，結(jié)果見表3。由表中的計算結(jié)果可知，5組試樣的穩(wěn)定性系數(shù)和試樣的黏聚力之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，也就是試樣的黏聚力越大，試樣的穩(wěn)定性就越高。其中，安全系數(shù)最大的為試樣B，安全系數(shù)值為1.698；安全系數(shù)最小的為試樣C，安全系數(shù)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，黏結(jié)作用十分明顯。由此可見，黏聚力的變化會對試樣的穩(wěn)定性存在顯著影響，兩者之間呈現(xiàn)出近似的正比關(guān)系。

表3 不同黏聚力的試樣安全系數(shù)

3.2.2內(nèi)摩擦角的影響

利用上文提出的方法，將內(nèi)摩擦角視為變量，在其余參數(shù)值保持不變的情況下對試樣的安全系數(shù)進行計算，結(jié)果見表4。由表中的計算結(jié)果可知，5組試樣的穩(wěn)定性和試樣的內(nèi)摩擦角之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，也就是試樣的內(nèi)摩擦角越大，試樣的穩(wěn)定性就越高。其中，中穩(wěn)定性系數(shù)最大的為試樣C，穩(wěn)定性系數(shù)為1.951，安全系數(shù)最小的為試樣A，安全系數(shù)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(nèi)摩擦角的變化會對試樣的穩(wěn)定性存在顯著影響，兩者之間呈現(xiàn)出近似的正比關(guān)系。

表4 不同黏聚力的試樣安全系數(shù)

4 結(jié)論

本次研究通過實驗室實驗的方法，研究了黏聚力和內(nèi)摩擦角量2個抗剪強度參數(shù)對碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響，并獲得如下主要結(jié)論。

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

(2)黏聚力的變化會對碎石土邊坡的穩(wěn)定性存在顯著影響，兩者之間呈現(xiàn)出近似的正比關(guān)系。內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)出相似的特征，其變化會對碎石土邊坡的穩(wěn)定性存在顯著影響，兩者之間也呈現(xiàn)出近似的正比關(guān)系。