冰磧物工程性質(zhì)研究

昌都-林芝地區(qū)廣泛分布著寬級(jí)配的冰磧物，而冰磧物的物理力學(xué)性質(zhì)常常是工程處治的難題。基于此，文章在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查和取樣，利用Image-Pro Plus和室內(nèi)大型直剪儀，對(duì)冰磧物進(jìn)行粒徑分析和大型直剪試驗(yàn)，并開(kāi)展了不同粒徑條件下冰磧物的剪切變形特性試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：當(dāng)試樣為單一粒組2～5 mm和2 mm以下，強(qiáng)度主要依賴(lài)于細(xì)粒土的強(qiáng)度，導(dǎo)致重塑冰磧土抗剪強(qiáng)度過(guò)低；當(dāng)試樣為土石混合的冰磧物時(shí)，冰磧物的抗剪強(qiáng)度主要由塊石形成的骨架結(jié)構(gòu)提供，細(xì)顆粒則充填內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)咬合力，試樣在剪切過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象；當(dāng)試樣為單一粒組5～20 mm，20～60 mm和60 mm以上時(shí)，試樣內(nèi)部全為塊石，塊石形成的骨架結(jié)構(gòu)存在較多的空隙，導(dǎo)致試樣的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和強(qiáng)度有所弱化。

冰磧物； Image-Pro Plus； 大型直剪試驗(yàn)； 不同粒徑

U213.1+4 A

［定稿日期］2022-01-11

［作者簡(jiǎn)介］王超（1997—），男，碩士，研究方向?yàn)閹r土體穩(wěn)定性分析。

冰磧物因其具有無(wú)分選、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、架空現(xiàn)象普遍、力學(xué)特征差異大等特征，對(duì)川藏鐵路的建設(shè)威脅大而受到廣大學(xué)者的關(guān)注。其強(qiáng)度特征和變形特性一直是地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

馬澤平［1］（2013）對(duì)川藏交通走廊地區(qū)分布的冰磧物進(jìn)行了大量的直剪試驗(yàn)，指出了粒徑的大小是影響粗顆粒土抗剪強(qiáng)度的重要因素。李驊錦等［2］（2015）對(duì)岷江上游干暖河谷區(qū)域的冰磧堆積體進(jìn)行調(diào)查研究，基于室內(nèi)力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)和SWCC試驗(yàn)探討不同含水率情況下對(duì)冰磧物水敏特征的影響，指出了在飽和度介于10%～70%時(shí)，其力學(xué)強(qiáng)度特性發(fā)生顯著變化。馮俊德等［3］（2008）對(duì)冰磧物進(jìn)行了大量的直剪試驗(yàn)，對(duì)比了原狀冰磧土和重塑冰磧土的強(qiáng)度特征。楊東旭等［4］（2020）選取帕隆藏布流域32處典型冰磧物為研究對(duì)象，利用原位試驗(yàn)和室內(nèi)測(cè)試，總結(jié)了冰磧物的分布與沉積特征和物理力學(xué)參數(shù)特征。徐鼎平等［5］（2008）開(kāi)發(fā)了生成冰磧土仿真試樣的模擬程序，并利用FLAC3d對(duì)生成的試樣進(jìn)行三軸數(shù)值模擬試驗(yàn)，得到冰磧土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。江強(qiáng)強(qiáng)等［6］（2020）以土石混合體為研究對(duì)象，利用大型直剪儀進(jìn)行剪切變形和強(qiáng)度特性的研究，得出了含石量占據(jù)主導(dǎo)作用的結(jié)論。

在開(kāi)展冰磧物強(qiáng)度特性方面研究的同時(shí)，其變形特性也受到廣泛關(guān)注。程強(qiáng)等［7］（2019）對(duì)瀘定大渡河橋地區(qū)分布的冰磧土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)剪切蠕變?cè)囼?yàn)，初步揭示了冰磧土的剪切蠕變特性。蒙進(jìn)等［8］（1989）選取四川瀑布溝黑馬料場(chǎng)的冰磧土為研究對(duì)象，利用固結(jié)排水加卸荷試驗(yàn)，得出冰磧土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，其總體趨勢(shì)是從低壓下的弱應(yīng)變軟化變?yōu)楦邏合碌膹?qiáng)應(yīng)變軟化，體變剪脹變?yōu)榧艨s。屈智炯等［9］（1992）采用高壓三軸儀，對(duì)比了不同級(jí)配下冰磧土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。張斌等［10］（1991）開(kāi)展了不同圍壓下冰磧土的三軸試驗(yàn)，研究應(yīng)力應(yīng)變與圍壓的關(guān)系，指出了在圍壓較低時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為軟化性，在圍壓較高時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為硬化性。

目前關(guān)于冰磧物的研究主要集中在冰磧物的形態(tài)分析、抗剪強(qiáng)度和變形特性方面。基于此，本文對(duì)冰磧物進(jìn)行粒徑分析和大型直剪試驗(yàn)，以冰磧物粒徑大小為主要研究因素，擬展開(kāi)冰磧物室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)冰磧物粒徑，并繪制冰磧物在剪切過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以期進(jìn)一步深化冰磧物剪切變形行為及強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

1 冰磧物的粒徑分析

1.1 Image-Pro Plus 冰磧物粒徑圖像分析

在現(xiàn)場(chǎng)拍攝到冰磧物的圖像后，為減小后期的分析難度和提高軟件統(tǒng)計(jì)粒徑的準(zhǔn)確度，首先應(yīng)對(duì)照片進(jìn)行處理，包括清除圖片中的干擾區(qū)域部分，然后增加圖像對(duì)比度，灰度圖像以及二值化，最后采用Image-Pro Plus獲取圖片信息。圖片處理過(guò)程如圖1所示。

1.2 冰磧物粒徑統(tǒng)計(jì)

西藏高原地區(qū)淺表層均被冰雪覆蓋，該地區(qū)的冰磧物是由塊石、礫石、砂土、粉土等堆積而成，具有無(wú)分選、無(wú)層理、粒徑差異大等特征。對(duì)冰磧物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，如圖2所示。

在現(xiàn)場(chǎng)選取了6個(gè)區(qū)域進(jìn)行粒徑統(tǒng)計(jì)，并利用Image-Pro Plus對(duì)冰磧物進(jìn)行粒徑分析， 為了更直觀顯示各區(qū)域不同粒徑等級(jí)所占比例情況，分別作出了各區(qū)域0～5 cm、5～20 cm、20～60 cm、60 cm以上顆粒所占比例柱狀圖，如圖3所示。

2 冰磧物大型直剪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用ZY50-2G大型直剪儀見(jiàn)圖4。

該儀器主體分為3個(gè)部分：剪切裝置、油源啟動(dòng)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。剪切裝置又由垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、上下剪切盒、量測(cè)系統(tǒng)組成，剪切盒的凈空兒何尺寸為：直徑×高=504.6 mm×400 mm。儀器可施加的最大垂直載荷為500 kN，最大水平推力500 kN，最大水平位移可達(dá)100 mm，可對(duì)最大粒徑不大于100 mm的試樣進(jìn)行剪切，剪切縫寬度固定為10 mm。

2.2 試樣材料

試樣取自西藏高原地區(qū)未擾動(dòng)邊坡，主要由塊石、礫石、粉土組成，為土石混合體。目前，對(duì)于土和石的劃分閾值沒(méi)有規(guī)定，本文參照多數(shù)文獻(xiàn)，取粒徑小于5 mm顆粒為土，大于5 mm顆粒為石。

對(duì)冰磧物進(jìn)行粒徑劃分，篩選了5個(gè)單一粒組，分別為2 mm以下、2～5 mm、5～20 mm、20～60 mm、60 mm以上，見(jiàn)圖5。

2.3 試樣制備及其測(cè)試過(guò)程

由于冰磧物具有無(wú)分選，粒級(jí)差異大，塊石含量大等特征，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而粒徑大小是冰磧物結(jié)構(gòu)性最直接的表現(xiàn)指標(biāo)之一。為此，本文擬在試驗(yàn)中考慮粒徑大小對(duì)冰磧物抗剪強(qiáng)度的影響。

試驗(yàn)開(kāi)始前，先施加法向壓力使剪切盒中冰磧物緊密接觸，然后繼續(xù)施加法向壓力達(dá)到預(yù)定值（本次試驗(yàn)的法向壓力分別設(shè)定為250 kPa、500 kPa、750 kPa、1 000 kPa），試驗(yàn)中的剪切速率為1 mm/min，當(dāng)剪切位移達(dá)到50 mm左右時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)分為10個(gè)小組，前5組為土石混合級(jí)配，級(jí)配曲線如圖6所示；試驗(yàn)的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖 7所示。

由圖7可知，當(dāng)試樣為土石混合時(shí)，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線主要經(jīng)歷3個(gè)階段，為應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化以及殘余變形，有明顯的峰值強(qiáng)度。

后5組為單一粒組，粒徑區(qū)間為2 mm以下，2～5 mm，5～20 mm，20～60 mm，60 mm以上。

由于擾動(dòng)過(guò)的冰磧土抗剪強(qiáng)度過(guò)小，采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀對(duì)粒徑為2～5 mm和2 mm以下的2個(gè)粒組進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

試驗(yàn)的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線如圖 8所示。

當(dāng)試樣全為石塊時(shí)，剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后不變的趨勢(shì)，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特性，峰值強(qiáng)度不明顯。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 剪切應(yīng)力-剪切位移特征

從剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線可以看到，在剪切初期，不同粒徑的冰磧物在較小的剪切位移下迅速增長(zhǎng)，法向應(yīng)力越大剪切應(yīng)力的增長(zhǎng)速度越快；無(wú)論含石量和垂直壓力有多大，在剪切過(guò)程中，可以看到曲線有“跳躍”現(xiàn)象，究其原因是剪切面上冰磧塊石的破碎，翻轉(zhuǎn)和錯(cuò)動(dòng)，因此每組試驗(yàn)中都出現(xiàn)剪應(yīng)力下降的現(xiàn)象。

3.2 抗剪強(qiáng)度特性

冰磧物的抗剪強(qiáng)度如圖9所示。可以看到粒徑大小是影響冰磧物抗剪強(qiáng)度的重要因素，冰磧物的抗剪強(qiáng)度變化的總趨勢(shì)為隨含石量的增大而增大；當(dāng)全為粗顆粒時(shí)，抗剪強(qiáng)度基本都大于土石混合冰磧物。

冰磧物的抗剪強(qiáng)度主要是有粗顆粒形成的骨架作用提供，骨架間的咬合力隨著粒徑的增大而增大；細(xì)顆粒則充填內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)咬合力。粒徑在20～60 mm時(shí)，冰磧物的抗剪強(qiáng)度最大，其次為粒徑大于60 mm，究其原因是當(dāng)粒徑全為60 mm以上時(shí)，試樣內(nèi)部沒(méi)有細(xì)顆粒，塊石組成的骨架結(jié)構(gòu)中空隙較多，造成試樣抗剪強(qiáng)度降低的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過(guò)冰磧物的粒徑分析和開(kāi)展室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，對(duì)冰磧物的工程性質(zhì)進(jìn)行了研究，可知：

（1）冰磧物的分選性極差，粒徑差異大，大到巨礫、角礫、礫石，小到砂、粉砂和黏土，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，冰磧物粒徑小到幾毫米，大到十幾米。

（2）從剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線中，可以看到冰磧物在垂直壓力作用下，具有明顯的峰值強(qiáng)度特征；曲線中看到“跳躍”現(xiàn)象——剪應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而降低，是由于剪切過(guò)程中試樣的破碎，最終出現(xiàn)了應(yīng)變軟化特性。

（3）從大型直剪試驗(yàn)可以看出，抗剪強(qiáng)度的變化與冰磧物組成結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。隨著含石量的增加，試樣內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)逐漸形成，剪切影響帶的范圍逐漸擴(kuò)大，冰磧物的抗剪強(qiáng)度也逐漸增長(zhǎng)。

（4）由試驗(yàn)結(jié)果可知，冰磧物的抗剪強(qiáng)度主要是由粗顆粒形成的骨架作用提供。當(dāng)粒徑為2 mm以下和2～5 mm時(shí)，冰磧土的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于含有塊石的冰磧物；當(dāng)粒徑全為20～60 mm時(shí)，冰磧物的抗剪強(qiáng)度最大；當(dāng)粒徑全為60 mm以上的冰磧物時(shí)，試樣中不存在細(xì)顆粒，所形成的骨架結(jié)構(gòu)空隙較多，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低。

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