水庫滑坡體不同工況下的抗剪強度參數取值探討

葛明明，盧羽平

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

滑坡是一種嚴重的自然災害，水庫滑坡可致庫容淤堵，水工建筑物受損，嚴重時可能導致人民生命財產的重大損失。

按滑坡產生的力學機理，滑坡是斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發生的滑移現象，是某一滑移面上剪應力超過了該面的抗剪強度所致。

有松散土層、碎石土、風化殼和半成巖土層的斜坡抗剪強度低，容易產生變形面下滑；堅硬巖石中由于巖石的抗剪強度較大，能夠經受較大的剪切力而不變形滑動。但是如果巖體中存在著滑動面，特別是在暴雨或浸水(蓄水)之后，由于滑動面受水浸泡，抗剪強度大幅度下降而易滑動。

滑體一般歸結為粘性粗粒土的范圍，故其實驗過程中要充分考慮樣品的飽和程度和固結過程對試驗成果的影響。應當指出，凝聚力c值包含細料的粘聚強度和粗料的咬合強度兩項。

本文就木里河卡基娃水電站庫區滑坡體和革士扎吉牛水電站庫區滑坡體在不同工況下的抗剪強度作一簡單探究。

2 試驗材料與研究工況

卡基娃水電站位于雅礱江支流木里河上游，庫區滑坡體基本上屬于土石混合體，P5含量介于52.7%～68.5%之間。吉牛水電站位于大渡河支流革士扎上游，庫區滑坡體P5含量介于32.0%～63.4%之間。兩者均處于川西高原西南部，存在較為相似的地質環境，便于進行對比研究。試驗均采用自行研制的φ50cm大型直剪儀，在室內進行。垂直壓力分別施加為100、200、300、400kPa。

在試驗中發現，細料(按傳統的粗細料以5mm為界限)含量在40%～65%的，粗料的體積含量可能僅為20%～40%，因此制樣的均勻性可能影響實驗結果。究其原因，若剪切面粗料分布多,則強度可能比實際結果偏高。因此為提高試驗成果的可信度和剔除異常，有必要進行平行試驗。

對卡基娃滑坡體的9組樣品均進行了飽和固結快剪和天然快剪兩種工況的對比，其中2組進行了飽、天然固結快剪、天然快剪三種工況的對比試驗研究。吉牛滑坡體的9組樣品中4組進行了飽和固結快剪和天然快剪的對比研究。

3 試驗成果及分析

3.1 卡基娃滑體試驗成果分析

卡基娃滑坡體的9組樣品在飽和固結工況下，粘聚強度20.0～65.0kPa，平均值為43.6；摩擦角φ為22.3°～27.9°，平均值為25.4°。試驗采用真空負壓飽和法進行飽和。

卡基娃水電站庫區滑坡體所有樣品的剪應力—水平位移關系沒有明顯峰值。天然快剪試驗過程中由于垂直壓力的壓密作用以及剪切過程中剪切面上顆粒重排，小顆粒填充進入由大粗粒部分形成的孔隙中，從而剪切應力隨剪切位移增大而增加，沒有明顯峰值。在垂直壓力300kPa和400kPa下有明顯的顆粒破碎的響聲，表明部分粗顆粒已被剪斷。試驗結果詳見表1。

表1 卡基娃水電站庫區滑坡體室內力學性試驗成果

圖1、2、3分別為P5=58%(平均值)時，三種工況下的剪應力—剪切位移關系曲線圖。圖4為不同工況下的抗剪強度擬合圖。

同一樣品的兩種工況的對比發現，飽和固結快剪的抗剪強度φ值均高于天然快剪強度，提高幅度3%～19%。其粘聚強度c下降幅度較大，下降幅度13%～50%,平均為30%。

對比滑體1平和滑體2平發現，其干密度相同，P5含量也十分接近，僅含水率不同，抗剪強度指標φ十分接近；但在同種工況下，含水率高的粘聚強度均高。根據飽和后所有樣品的粘聚強度均下降，按一般P5含量為8%的最優含水率取經驗值8%，推測粘聚強度在最優含水率附近存在一峰值點。

兩種樣品進行的三種工況的對比發現，有無固結過程對樣品抗剪強度φ的影響較大，固結后φ的提高幅度為34%和43%。

3.2 吉牛滑體試驗成果分析

圖1 飽固快剪工況下典型剪應力-剪切位移關系曲線

圖2 天然快剪工況下典型剪應力-剪切位移關系曲線

圖3 天然固結快剪工況下典型剪應力-剪切位移關系曲線

吉牛水電站庫區滑坡體P5含量32.0%～63.4%,在飽和固結快剪工況下，摩擦角φ為21.8°～29.2°，平均值為26.3°。實驗采用真空負壓飽和。φ隨干密度、P5含量變化情況分別見圖5、6。其中圖6的離散性較高，規律性不強。試驗結果見表2。

同一樣品兩種工況的對比發現，飽和固結快

圖4 不同工況下的抗剪強度擬合圖

剪的抗剪強度φ值均高于天然快剪強度，提高幅度7%～31%，表明固結過程對于粘性粗粒土抗剪強度的影響較大。試驗中發現在100～400 kPa中，飽和固結工況下固結沉降量為6～13mm，而天然固結工況下其固結沉降量為5～11mm。固結前后的干密度變化較大，固結后抗剪強度φ值提高與干密度變化密切相關。同時，由于飽和固結過程中樣品充分吸水，其粘聚強度c下降幅度較大，下降幅度為25%～57%。粘聚強度的大幅下降意味著在暴雨或水庫蓄水等環境下，發生滑坡或泥石流的風險將加劇。

表2 吉牛水電站庫區滑坡體室內力學性試驗成果

圖5 抗剪強度隨干密度變化情況

圖6 抗剪強度隨P5含量變化情況

3.3 對比分析

對比卡基娃滑體和吉牛滑體發現，按照一般碎石土P5含量在40%～60%的最優含水率的經驗取值8%～11%，若樣品的含水率接近或大于最優含水率，其飽和與不飽和對粘聚強度的影響不大。卡基娃樣品由于初始含水量接近于最優含水量，是否飽和對其粘聚強度的影響相對較小。而吉牛水電站樣品含水率普遍偏低，飽和后粘聚強度的下降幅度較大。

吉牛滑坡體和卡基娃滑坡體，固結工況下摩擦角φ均高于天然狀態。由于二者粗粒料母巖性質的差異，相同P5含量下的干密度差別較大。但試驗中發現，其摩擦角φ在同種工況下的差別不大。

4 結 論

(1)通過對天然快剪、飽和固結快剪的對比試驗研究發現，含水率的變化對土樣抗剪強度有很大的影響,遇水作用后其強度下降很快,并隨著含水量的增加,土體的抗剪強度降低,剪切變形增加,這些特性對邊坡穩定性非常不利。

(2)固結工況下的抗剪強度均高于天然狀態，說明密度變化對抗剪強度φ有明顯的影響，隨著密度的增大，抗剪強度φ有提高趨勢。

(3)鑒于粘性粗粒土在不同工況下抗剪強度的指標存在較大的差異，因此合理選擇工況對于參數的取值有關鍵的意義。

(4)建議在條件允許的情況下，進行現場水平推剪試驗更能按土體實際受力情況來確定試驗應力路徑,能保證土樣的原始結構和含水狀態,并沿潛在的滑動方向進行大面積剪切,是一種合理有效的試驗方法,試驗所得結果值與土體的真實值較接近。

參考文獻：

[1] 楊進良，等.土力學(第三版)[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2] 魏厚振，等.蔣家溝礫石土不同粗粒含量直剪強度特征[J].巖土力學，2008(1).

[3] 于敬克.粗粒土顆粒組成對于抗剪強度的影響[J].水電站設計，1997(4).