微潮狀態下細砂土坡體的破壞試驗

唐海波

（新疆葉城公路總段，新疆 葉城 830002）

1 物理模型試驗

細砂堆積穩定性和顆粒本身的物理特性、顆粒在空間的分布堆積方式以及由此產生的顆粒間相互作用、顆粒孔隙比、質量、體積、密實度等因素有關。

1.1 試驗概況

本次試驗采用的模型槽尺寸為30cm×30cm×30cm，底板及周圍三邊為玻璃板。松散狀態試驗，細砂靠重力堆積成散粒狀態。中密狀態試驗或密實狀態試驗，先將土體分層壓實，填滿玻璃槽。細砂的破壞過程是動態變化過程，為了解其瞬時變化狀況，細砂破壞過程采用攝像機拍攝。

1.2 細砂試樣孔隙比及密實度

細砂屬于一種無粘性粗粒土，其受力特性除與它本身的物理性質有關外，還會因外界條件的改變而發生變化。《巖土工程勘察規范》（GB50021─94），規定細砂的密實度按其孔隙比 e 分為松散（e>0.9）、中密（0.75≤e≤0.9）、密實（e<0.75）三種。孔隙比不能直接測得，可間接用細砂粒相對密度、重度、含水量推導得到。測定細砂粒相對密度較多用比重瓶煮沸法。比重瓶煮沸法測得的細砂粒比重也隨著土體礦物成分的不同而有所差別，且其實驗過程繁雜。

試驗目的是研究細破壞形式，采用重力密度大小區分密實度，可滿足試驗要求及試驗目的。所以本次試驗采用重力密度區分密實度。本次試驗具體參數見表1。

表1 微潮細砂試驗參數

1.3 微潮細砂級配分布曲線圖及其分析

細砂粒組成不同時，性能差別甚大。評價粒徑組成情況，通常用粒徑分布曲線表示，圖1 是由試驗計算得到的粒徑分布曲線圖。從圖1 上可知，兩種狀態粒徑分布曲線分布基本相同，0.0375mm～1mm 土樣曲線陡峻，該范圍粒徑比較均勻，1mm～2.5mm 圖樣曲線呈弧形，土樣曲線坡度較平緩，表明該范圍粒徑顆粒均勻性不如前一階段好，但該范圍的粒徑顆粒不短缺。2.5mm～5mm之間土樣曲線坡度較平緩，幾乎是呈平坡，表明該范圍粒徑的顆粒短缺，且不均勻，顆粒變化范圍不大。由本次細砂試驗計算得到的不均勻系數和曲率系數可知，粒徑分布均勻，顆粒差別不大，級配良好，較大顆粒間的空隙可有較小土粒填充。

2 物理模型試驗結果及其分析

2.1 第一狀態試驗結果

根據試驗獲得的細砂在不同時刻的破壞圖片，繪出細砂破壞過程圖（如圖2所示）。

從圖2 可看出細砂在不同時刻的破壞形態，每間隔0.2秒下沉量基本相同，土體坍塌趨于穩定狀態時，細砂的破壞最高點在10cm～15cm處。計算得到等高線圖如圖3所示，可知，槽內等高線向x 軸正方向有微小彎曲，分布均勻。槽外等高線，呈扇形均勻分布，沒有明顯的凹凸、密集現象。

從級配曲線圖中可以看出，細砂中大顆粒占重要比例，單粒結構是組成細砂的基本結構類型，細砂顆粒較粗大，比表面積小，顆粒之間是點接觸，幾乎沒有連結，顆粒間相互作用的影響較之重力作用的影響可忽略不計。抽開擋板瞬間，由于失去了支撐力，細砂在自重應力作用下倒塌，沒有出現裂縫或貫通的裂面。

2.2 第二狀態試驗結果

根據試驗獲得的細砂在不同時刻的破壞圖片，繪出細砂破壞過程圖（如圖4所示）。從圖4可知細砂在不同時刻的破壞狀態，土體坍塌趨于穩定狀態時，細砂的破壞最高點在20cm～25cm處。計算得到等高線圖如圖5所示，可知，槽內線條在x 軸上20cm～25cm處密集，且有明顯的彎曲，分布不均勻，槽外等高線呈扇形均勻分布。本次試驗中細砂受到較大的壓力作用，顆粒受荷后發生位移，相互填充并擠緊，增大了土體密度。所以細砂粒與細砂粒之間的空隙減小，土體更加密實，顆粒間的摩阻力有了增加。細砂的結構，雖然還是單粒結構，但是顆粒間有了微小的聯結力，這是外力作用克服顆粒間摩阻力的結果。擋抽開擋板時，雖然顆粒間的聯結力比顆粒自身的重力來說很小，不足以阻止顆粒滑落，所以靠近擋板附近的細砂粒滑落下來，但是愈接近槽內的細砂粒支撐的力越多，包括來自不同方向的顆粒支撐力。在多種作用力的支撐下顆粒有可能變成穩定狀態。

2.3 微潮細砂破壞形式分析

本次試驗中細砂的坍塌沉落是多種破壞形式的綜合體。下面具體分析其破壞形式：a.剪裂破壞：在抽開檔板瞬間，由于失去了支撐力，細砂在自重應力作用下，使細砂層受到壓縮或向旁擠出，引起細砂粒下沉。此下沉量雖很大，但是沒有出現裂縫或貫通的裂面，從圖拍攝的圖片上看，砂粒與砂粒之間幾乎都是單獨滑落的，（這可能是由于上層細砂粒性質不均勻造成的）這種破壞屬于剪壞形式。b.剝落：對于出現在陡坡坡底處的碎石堆是相當熟悉的。這些碎石通常都是些小石塊，由于受風化作用的影響，它們從巖體上分離下來，并呈單個小石塊墜落成堆。從試驗圖片過程中可以看出，細砂在下沉過程中，部分顆粒是這種破壞形式。c.傾倒破壞：現在來討論一個置于斜面上的巖塊，如圖所示。在這種情況下，巖塊的高度為h 和底邊長為b，并且假定阻止巖塊向下運動的力只是由于摩擦作用而產生的，也即c=0。代表巖塊重力W 的矢量落于底邊b 之內時，如果斜面傾角φ大于摩擦角準，巖塊將產生滑動。但是，如果巖塊高而細（h>b），重力矢量W 可能落在底邊b 之外，此時巖塊將傾倒，也即繞其最低的接觸邊棱而旋轉。對于單一的巖塊而言，滑動與傾倒的條件示于圖中。圖中的四個區段是這樣規定的：區段一：φ<準以及b/h＞tanφ，巖塊是穩定的，不滑動也不傾倒。區段二：φ＞準以及 b/h＞tanφ，巖塊將滑動，但是不傾倒。區段三：φ＜準 以及 b/h＜tanφ，巖塊將傾倒，但不滑動。區段四：φ＞準以及b/h＜tanφ，巖塊能夠同時滑動和傾倒。d.崩落：崩塌是指斜坡上的巖體受重力的影響，突然脫離坡體崩落的現象。此種破壞形態在圖片中最明顯，幾乎靠近擋板部分的顆粒都是這種破壞形式，它們在抽開擋板的瞬間，翻滾、跳躍、互相撞擊，當然由于顆粒微小、僅僅是在自重應力作用下沉落，沒有外力的作用，不至于破碎。當最后達到能量平衡后堆積在坡腳。

3 結論

通過對細砂顆粒的破壞形式試驗分析，可得到如下結論：大部分微潮細砂顆粒的破壞形式與土體的密實度有關。土體的坍塌量，隨著密實度的增大，變的越來越小。微潮細砂等高線圖，由第一狀態至第二狀態，槽內等高線分布越來越不均勻。隨密實度的增大，出現彎曲、密集現象，密集區間隨著密實度的增大，向x 軸的正方向推延。顆粒礦物成分、顆粒形狀和級配，是影響細砂破壞形式的重要因素。如細砂的礦物成分對強度的影響，主要來自礦物表面摩擦力，顆粒形狀和級配對強度的影響也很明顯，如多棱角的顆粒和級配良好的顆粒，會增加顆粒之間的咬合作用，從而能提高細砂的內摩擦角。

[1]劉成宇，土力學[M]北京：中國鐵道出版社，2001.

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