質(zhì)量密度及圍壓影響的堆積碎石土變形特性分析

董輝，胡自然，傅鶴林，陳鋮，陳璽文

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質(zhì)量密度及圍壓影響的堆積碎石土變形特性分析

董輝1, 2，胡自然1，傅鶴林3，陳鋮1，陳璽文1

(1. 湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南湘潭，411105；2. 湘潭大學(xué)流變力學(xué)研究所，湖南湘潭，411105；3. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075)

考慮質(zhì)量密度(不同含石量、含水率)及圍壓對碎石土變形特征的影響規(guī)律，對具有級配代表性的湖南昭山區(qū)某斜坡堆積碎石土進行試驗研究。研究結(jié)果表明：質(zhì)量密度和圍壓有著聯(lián)合影響，堆積碎石土在不同質(zhì)量密度下應(yīng)力?應(yīng)變曲線表現(xiàn)為臺階狀，即應(yīng)變先硬化再軟化，對于7%含水率的則只出現(xiàn)應(yīng)變軟化；隨著圍壓的增大，初始切線模量和剪切峰值都增大，但不隨質(zhì)量密度的變化而線性增長，屈服軌跡成平行線；在低圍壓下發(fā)生剪縮，高圍壓發(fā)生剪脹；堆積碎石土壓硬性對含石量更敏感，剪脹性對含水率更敏感，存在一個最佳含水率和最佳含石量；剪脹率及有效應(yīng)力比可以成為剪脹性的判斷依據(jù)。同時發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量密度及圍壓下的體應(yīng)變主要集中在2條曲線之間，可以作為連續(xù)強降雨雨后滑坡失穩(wěn)臨界狀態(tài)的一個判斷依據(jù)。

滑坡；碎石土；質(zhì)量密度；壓硬性；剪脹性

堆積碎石土是風化卸荷、殘坡積等復(fù)雜成因形成的第四紀土與石塊的二重介質(zhì)混合體，是介于土體與碎裂巖體之間的一種特殊地質(zhì)體，作為坡體物質(zhì)或滑體物質(zhì)的滑坡，廣泛分布于我國西南及西北地區(qū)，往往因降雨或工程活動致滑成災(zāi)造成了巨大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。然而，因其物質(zhì)組成的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)分布的不規(guī)則性，給其工程性質(zhì)與變形特性的研究帶來了極大的困難。研究堆積碎石土壓硬性與剪脹性是建立其本構(gòu)關(guān)系的重要前提，也是進行以堆積碎石土為主體材料的實際工程應(yīng)力應(yīng)變分析的重要依據(jù)，因此國內(nèi)外有一批學(xué)者致力于其力學(xué)及變形特性(壓硬性和剪脹性)研究。20世紀以來國內(nèi)外學(xué)者針對土的剪脹特性進行了很多的研究，隨著科技發(fā)展、研究的深入及工程需要，將研究范圍擴展到了土石混合體、堆石料等一些其他復(fù)雜性質(zhì)材料，并取得了一定的研究成果。劉萌成等[1?6]進行了大量的大型三軸試驗，得出很多有價值的成果，如初始物理力學(xué)狀態(tài)(初始孔隙比和固結(jié)壓力)是堆石料發(fā)生剪脹或剪縮的決定性因素；圍壓是影響堆石料強度和變形特性的最重要因素，隨著圍壓的升高，堆石料的剪脹性會急速降低；堆石料在剪切過程中應(yīng)變軟化與否和剪脹性取決于該堆石料本身密度和所施加的圍壓，且在應(yīng)變足夠大時，土樣出現(xiàn)臨界狀態(tài)等。隨著研究方法改進和相似材料的誕生，孔德志等[7]采用人工模擬堆石料和三軸試驗的方法研究了不同破碎率情況下模擬堆石料應(yīng)力變形和破碎體應(yīng)變的特性。Shafiee等[8?9]則從滲透率的角度對土石混合物變形特性影響規(guī)律進行了研究。這些研究成果都具有指導(dǎo)性意義，然而也有其局限性。絕大部分研究都是在CD試驗的基礎(chǔ)上只考慮單一因素(密度、圍壓、初始應(yīng)力或孔隙比等)的影響，而實際工程問題往往由諸多因素聯(lián)合作用，研究中也很少考慮到含石量與含水率對變形特性的影響以及最佳含量與臨界狀態(tài)的問題，而這兩種因素的影響卻是相當重要的。對于堆積碎石土這種特殊材料的變形特性研究目前不是很多，然而這種材料在工程實際中卻有著舉足輕重的作用。Wang等[10]基于大型直剪試驗研究了碎石土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和抗剪強度。梁燕等[11]研究了水對臨河碎石土路堤的穩(wěn)定性及破壞形態(tài)的影響規(guī)律。針對連續(xù)強降雨雨后殘坡積(堆積)碎石土滑坡失穩(wěn)破壞的災(zāi)害問題，本文作者以湖南昭山區(qū)某失穩(wěn)斜坡為研究對象，對其具有級配代表性的碎石土坡體物質(zhì)，以室內(nèi)的三軸固結(jié)不排水試驗，結(jié)合理論分析質(zhì)量密度(含水率、含石量)及圍壓對其破壞表象、抗剪強度和變形特性(壓硬性、剪脹性)及臨界狀態(tài)的聯(lián)合影響規(guī)律，并提出臨界狀態(tài)的擬合方程，從而進一步掌握堆積碎石土的變形特征，為類似滑坡防治提供理論依據(jù)。

1 變形特性研究方案

1.1 不同質(zhì)量密度原材料選取

為了更好地體現(xiàn)質(zhì)量密度的影響以及研究的工程意義，原材料的選取是至關(guān)重要的。實驗材料取自昭山某具有級配代表性的堆積碎石土斜坡，天然狀態(tài)含石量(質(zhì)量分數(shù))為83%，含黏粒量(質(zhì)量分數(shù))為17%，含水率(質(zhì)量分數(shù))為11.4%，母巖為粉質(zhì)砂巖，黏粒為紅黏土。最大碎石粒徑為84 mm。材料級配曲線見 圖1。

圖1 碎石土顆粒組成

1.2 質(zhì)量密度及圍壓配置

將取回的堆積碎石土烘干、過篩，根據(jù)等量替代法將碎石粒徑換算成小于20 mm的粒組。本文主要從質(zhì)量密度及圍壓2個方面研究堆積碎石土的變形特性，因此，根據(jù)質(zhì)量密度將實驗分成6組(含石量60%，40%和20%；含水率13%，11%，9%和7%；其中含石量為60%、含水率為11%的一組共用)，每組設(shè)定三級圍壓(100，200和400 kPa)，每組試樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1。實驗采用固結(jié)不排水剪切，在設(shè)定的圍壓下進行各向等壓飽和、固結(jié)排水，最后在各向等壓下施加軸向力進行剪切。參照前人研究成果[12?13]、土工試驗規(guī)程的要求、三軸儀位移限制(65 mm)條件以及考慮到堆積碎石土特有性質(zhì)，采用101 mm實驗,剪切速率控制為1 mm/min，軸向應(yīng)變?yōu)?0%時結(jié)束 實驗。

表1 試樣方案和基本物理性質(zhì)

2 變形結(jié)果分析

2.1 破壞變形分析

巖土體的逐漸破損理論是巖土界的焦點問題之一，試樣的剪切破損是一個漸變過程。圖2所示為試樣剪切前后形狀。由圖2可見：試樣在軸向和徑向都發(fā)生了很大變形，整個試樣有明顯的鼓脹如圖2(b)，通過量測，圍壓越小鼓脹越大。試樣破壞時形態(tài)為破裂帶而非破裂面，與主應(yīng)力成45°角，圖2(b)所示的2條線之間。

(a) 剪切前；(b) 剪切后

2.2 堆積碎石土壓硬性分析

壓硬性是土體的變形特性之一，堆積碎石土同樣具有這種變形特性，主要表現(xiàn)為應(yīng)變硬化或應(yīng)變軟化。

圖3所示為在不同質(zhì)量密度和圍壓情況下的主應(yīng)力差?軸向應(yīng)變關(guān)系。由圖3可見：1) 在含水率不變、含石量變化的情況下，隨著軸向應(yīng)變的增大，曲線幾乎沒有線性變化階段，即試樣從開始受到軸向荷載時，幾乎沒有彈性變形而很快進入塑性變形階段。2) 整個應(yīng)力?應(yīng)變曲線有明顯的臺階狀(硬化增強)，這與丁秀麗等[14]研究結(jié)果一致。圍壓越小，臺階狀越明顯(圖3(a)，以=20%，=11%為例)，且圍壓為100 kPa、含石量為20%時尤為突出(圖3(b))，峰值由97.6 kPa增長到124.2 kPa，增長率達29%(含石量40%，曲線平緩；含石量60%，增長率20%)，這是由于高圍壓限制了試樣內(nèi)的碎塊石的移動而不能使其發(fā)揮骨架效應(yīng)。偏應(yīng)力的增長并非隨著含石量的增大而單調(diào)增長，含石量為40%時強度是最大的，且以最快速率達到最大承載力。在圍壓為100 kPa、含水率為11%時，含石量為20%，40%和60%時的臺階狀偏應(yīng)力增長率分別為0.27，0.06和0.19，可見偏應(yīng)力最大時(40%)，增長率(0.06)并不是最大，表明土和石在40%含石量時發(fā)揮了更好的聯(lián)合抗力效應(yīng)，堆積碎石土存在某一最佳含石量使得其發(fā)揮最好的力學(xué)性能。3) 曲線在達到第1次剪切峰值后，殘余應(yīng)力保持平緩，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，一段時間后曲線出現(xiàn)第2次剪切峰值，比第1次峰值大，為應(yīng)力強化。第2次峰值后曲線有下降趨勢(應(yīng)變30%結(jié)束試驗，不能顯示全部曲線)，出現(xiàn)應(yīng)變軟化。由此可知：在軸向壓力作用下，首先發(fā)生作用的是堆積碎石土中的土體和孔隙水體，強度相對較低的土體首先進入塑性狀態(tài)，表現(xiàn)為第1個剪切峰值。達到第1次峰值后，土中的碎石塊發(fā)生滾動、滑移和錯位，將土體排擠開，塊體和塊體開始接觸抵抗，導(dǎo)致碎石土整體強度有所提高，形成應(yīng)變硬化及強化階段，表現(xiàn)為第2剪切峰值。峰值過后，試樣開始破壞，曲線下降。4) 在含石量不變、含水率變化的情況下，堆積碎石土應(yīng)力?應(yīng)變曲線的走勢與壓硬性變化規(guī)律與含石量變化時大體一致，均出現(xiàn)臺階狀，應(yīng)變硬化。區(qū)別在于含水率為7%時，應(yīng)力應(yīng)變曲線達到峰值之后，出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，然后才進入第2次峰值，且第2次峰值小于第1次峰值，判斷含水率對碎石土的壓硬性具有顯著影響，且含水率低于某值(本實驗為7%)時，碎石土的整體強度并不能得到提高。5) 綜合不同質(zhì)量密度及圍壓的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)這3種影響堆積碎石土壓硬性的因素存在著交叉效應(yīng)，本實驗含石量為60%、含水率為9%、圍壓為100 kPa為最優(yōu)組合，充分發(fā)揮了土、水和石的聯(lián)合效應(yīng)，材料的應(yīng)變硬化與強度都得到提高。不同含石量較不同含水率的應(yīng)力?應(yīng)變曲線斜率變化更大，表明碎石土的壓硬性對于含石量的變化更為敏感。

(a) P=20%，w=11%不同圍壓應(yīng)變曲線；(b) 100 kPa圍壓應(yīng)力?應(yīng)變曲線；(c) 100 kPa圍壓；(d) 200 kPa圍壓；(e) 400 kPa圍壓

壓硬性的另一體現(xiàn)為初始切線彈性模量和抗剪強度隨著圍壓的增大而增大。康納發(fā)現(xiàn)，點繪(1?3)?可以用雙曲線擬合，可以表示為[14]

由理論研究可知：

因此可求得初始切線模量為76.9 kPa。其他幾組質(zhì)量密度的結(jié)果見表2。

表2 初始切線模量

不同質(zhì)量密度和圍壓下的剪切峰值見表3。

表3 剪切峰值

將不同質(zhì)量密度的初始切線模量和剪切峰值繪于坐標系中(由于含石量不變、含水率變化及含水率不變、含石量變化時曲線特征相似，此處以含水率為11%為代表繪圖5(a)，以含石量為60%繪圖5(b))，由圖5可見：1) 隨著3的增大，初始切線模量和剪切峰值都增大。2) 圖5(a)中，含石量變化時，相同圍壓下，初始切線模量不隨含石量的增加而線性增長，含石量為60%時最大。3越大，含石量的影響越顯著，表現(xiàn)為初始彈性模量增長幅度越大。3) 圖5(b)中，初始切線模量與剪切強度數(shù)值跨徑比圖5(a)中的大，隨含水率的變化也并非線性變化。含水率為7%時最大，11%時最小，與應(yīng)力?應(yīng)變曲線相一致。抗剪強度曲線出現(xiàn)交叉，說明碎石土存在一個最佳含水率使得初始切線模量與剪切峰值都為最大，從而充分發(fā)揮碎石土的力學(xué)性能。4) 分析試樣在?3平面內(nèi)的屈服軌跡，基本上保持平行，含石量變化時的屈服軌跡間距更大。整體上，初始切線模量和剪切峰值曲線的切線斜率并非常數(shù)，相比不同含水率，含石量不同時斜率變化更大(曲線更分散、前期緊湊、后期開口更大，如圖5(a)所示，因此，堆積碎石土初始切線模量和剪切峰值對含石量的敏感程度明顯強于含水率對含石量的敏感程度，這與2.2節(jié)研究結(jié)果一致。

(a) 含水率不變，含石量變化；(b) 含石量不變，含水率變化

2.3 堆積碎石土剪脹性分析

剪切過程引起體積收縮，叫剪縮；引起體積膨脹，叫剪脹。剪縮可以看成是負剪脹，因此，統(tǒng)稱為剪 脹[16]。剪脹性也是土體的一大變形特性。

圖6(a)所示為以含石量60%，含水率11%為代表研究碎石土的剪脹性。從圖6(a)可見：1) 堆積碎石土在剪切過程中表現(xiàn)出明顯的剪脹特性，在開始試驗階段，曲線變化較陡，體積變化率較大，隨著軸向應(yīng)變的增加，曲線趨于平緩，表明碎石土進入臨界狀態(tài)[17]。2) 隨著圍壓的升高，由剪脹轉(zhuǎn)變?yōu)榧艨s，圍壓越高，剪縮越大。3) 在低圍壓時，碎石土首先表現(xiàn)出剪縮特性，隨著軸向應(yīng)變的增加，剪縮變成剪脹。這是由于在低圍壓時，碎石土在剛受到軸向剪力時，軸向應(yīng)力遠小于側(cè)向應(yīng)力，試樣主要受側(cè)向力的作用而體積縮小，剪縮。隨著軸向應(yīng)力的增大，以致超過側(cè)向應(yīng)力，試樣在軸向力的作用下發(fā)生較大的變形，此時側(cè)向力相對軸向力較小，試樣整體強度不高，而發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致后段剪脹的產(chǎn)生。

分析100 kPa圍壓下，不同含水率時的剪脹特性如圖6(b)所示。由圖6(b)可知：1) 在低圍壓下，試樣基本上為剪脹，隨著含水率的降低，碎石土臨脹狀態(tài)明顯提前，當含水率為7%時，轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆募裘洝?) 從總體趨勢來看，含水率越大，剪縮變形越大，剪縮持續(xù)時間越長，這是由于土體具有遇水軟化特性，含水率越高，堆積碎石土軟化現(xiàn)象越明顯，土體內(nèi)部的原有裂隙出現(xiàn)閉合，同時碎石土體發(fā)生塑性變形的能力增強，從而表現(xiàn)出了剪縮特性。

100 kPa圍壓下不同含石量時的剪脹特性如圖6(c)所示。由圖6(c)可知：在低圍壓下，碎石土在不同的含石量時發(fā)生剪脹。但與含水率的影響不同，并非線性變化，從圖中曲線特征可以推斷，碎石土存在一個最佳含石量使得碎石土壓實最為緊密，強度最大。對比圖6(b)與6(c)可見：在曲線前段發(fā)生剪縮時，不同含水率時的剪縮量與剪縮速率以及曲線的變化范圍明顯大于不同含石量時的剪縮量與剪縮速率以及曲線的變化范圍，堆積碎石土的剪脹特性對含水率的變化更為敏感。

(a) 不同圍壓(P=60%，w=11%)；(b) 不同含水率(圍壓100 kPa)；(c) 不同含石量(圍壓100 kPa)

觀察3個不同的變量，可以發(fā)現(xiàn)不論剪脹還是剪縮，曲線在生長到一定程度后就趨于平穩(wěn)，此時，軸向應(yīng)變在生長，而體積應(yīng)變與軸向應(yīng)力基本不變(試樣開始破壞)，據(jù)此可作為碎石土剪切破壞的一個判斷 依據(jù)。

在三維空間中剪脹定義為塑性體應(yīng)變與塑性偏應(yīng)變增量之比，即

劉萌成等[1]在此基礎(chǔ)上定義了剪脹率為體應(yīng)變與軸應(yīng)變的增量比，即

根據(jù)式(4)，可以計算出不同質(zhì)量密度及圍壓下的剪脹率。現(xiàn)以100 kPa圍壓，不同含水率為代表計算剪脹率。

不同含水率下的剪脹率與軸向應(yīng)變關(guān)系如圖7所示。圖7中曲線特征表明：含水率為7%時，剪脹率均小于0，軸向應(yīng)變很小時(1.25%)，剪脹率有一段減小的趨勢。其他3種情況下剪脹率均由正轉(zhuǎn)為負，且在正值階段剪脹率也是先增大后減小。根據(jù)劉萌成 等[1]提出的剪脹率小于0時為剪脹，試樣在含水率為7%時只發(fā)生剪脹，在其他3種含水率時先剪縮后剪脹。理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果一致。剪脹率為0代表試樣處于臨脹狀態(tài)，含水率為9%，11%和13%時，對應(yīng)的臨脹狀態(tài)的軸向應(yīng)變分別為4.50%，10.01%和16.02%，含水率每增加2%，臨脹狀態(tài)就往后推遲5%左右。剪脹率在較小的軸向應(yīng)變(4.50%左右)時變化最為劇烈，這說明不論是剪脹還是剪縮，試樣在受剪初期變形是最快的。曲線發(fā)展到后期接近直線，剪脹率趨于穩(wěn)定，表明試樣進入臨界狀態(tài)。

w/%：1—7；2—9；3—11；4—13

Rowe[18]于1962年推出了塑性體應(yīng)變增量比和有效應(yīng)力比之間的關(guān)系，可以表達為

2.4 臨界狀態(tài)

Wood[19]定義土的臨界狀態(tài)為土在剪切過程剪應(yīng)變能繼續(xù)發(fā)展，而在應(yīng)力和體積上沒有進一步變化，可用下式表示][20]：

式中：′為有效中主應(yīng)力；為偏應(yīng)力；為塑性應(yīng)變；為體積。

式中：為中主應(yīng)力；為體應(yīng)變。

圖8 不同質(zhì)量密度的體應(yīng)變與中主應(yīng)力的關(guān)系

式(7)和式(8)的方差分別為0.654和0.985，擬合效果較好。

這2條拋物型曲線之間，體應(yīng)變有明顯的兩極分化，即明顯的剪脹與剪縮，低中主應(yīng)力(＜250 kPa)時為剪縮，高中主應(yīng)力(＞300 kPa)時為剪脹，與2.3節(jié)中低圍壓發(fā)生剪脹，高圍壓發(fā)生剪縮一致。曲線有明顯的峰值，代表在此峰值時不同質(zhì)量密度和圍壓的組合為最優(yōu)組合，使得堆積碎石土具有最大的體應(yīng)變和抗剪能力。因此，在實際工程特別是重塑碎石土工程中，可以根據(jù)臨界曲線求導(dǎo)得出極限值，通過預(yù)先埋設(shè)測試元件測出邊坡中雨后土體的體應(yīng)變變化趨勢，從而判斷出邊坡的穩(wěn)定性。此外，在重塑碎石土工程中，也可以對碎石土材料進行質(zhì)量密度的配置，使重塑碎石土獲得最高的抗剪強度。

3 結(jié)論

1) 碎石土在剪切過程中發(fā)生明顯的鼓脹，圍壓越低鼓脹越大。剪切破壞時以破裂面的形式出現(xiàn)，成45°角。不同質(zhì)量密度應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的臺階狀，且圍壓較低時，臺階越明顯；曲線在第1次峰值后出現(xiàn)應(yīng)變硬化，第2次峰值后則出現(xiàn)應(yīng)變軟化(結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞)。含水率低于某值時(7%)，碎石土應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型，整體強度也并不會得到提高。碎石土的壓硬性對于含石量的變化更為敏感。質(zhì)量密度與圍壓之間存在聯(lián)合影響。

2) 隨著圍壓的增大，初始切線模量和剪切峰值都增大。含石量越大，初始切線模量和剪切峰值增長幅度越大。對于不同含水率，存在一個最佳含水率，使得堆積碎石土能充分發(fā)揮其力學(xué)性能。

3) 不同質(zhì)量密度的堆積碎石土在剪切過程中有明顯的剪脹特性。高圍壓時為剪縮，低圍壓時，先剪縮，后剪脹。從總體趨勢來看，含水率越大，剪縮變形越大，剪縮持續(xù)時間越長，堆積碎石土的剪脹特性對含水率的變化更為敏感。對于不同的含石量，碎石土存在一個最佳含石量使得碎石土壓實最為緊密，強速最大。

4)碎石土體應(yīng)變在剪切后期趨于平緩，表明試驗進入臨界狀態(tài)，不同質(zhì)量密度及圍壓下的體應(yīng)變主要集中在v=?17.29+0.078?6.72×10?52，v=?8.16+0.059? 5.83×10?52這2條曲線之間，將實際體變測試結(jié)果與曲線比較，作為連續(xù)強降雨雨后滑坡失穩(wěn)臨界狀態(tài)的一個判斷依據(jù)，甚至可根據(jù)曲線對重塑碎石土進行質(zhì)量密度的配置。

[1] 劉萌成, 高玉峰, 劉漢龍. 堆石料剪脹特性大型三軸試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2008, 30(2): 205?210. LIU Mengcheng, GAO Yufeng, LIU Hanlong. Study on shear dilatancy behaviors of rockfills in large-scale triaxial tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(2): 205?210.

[2] 張兵, 高玉峰, 毛金生, 等. 堆石料強度和變形性質(zhì)的大型三軸試驗及模型對比研究[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程，2008, 28(1): 122?126. ZHANG Bing, GAO Yufeng, MAO Jinsheng, et al. Comparative research on the strength and deformation characteristics of rockfill materials in large-scale triaxial experiments and models analysis[J]. Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2008, 28(1): 122?126.

[3] 丁樹云, 蔡正銀, 畢慶濤. 堆石料的強度與變形特性及臨界狀態(tài)研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2010, 32(2): 248?252. DING Shuyun, CAI Zhengyin, BI Qingtao. Strength and deformation characteristics and critical state of rock fill[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(2): 248?252.

[4] 李興瑞. 土石混合體的變形特性試驗研究[D]. 遼寧: 大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 2012: 32?33. LI Xingrui. The experimental study for deformation characteristics of earth-rock aggregate[D]. Liaoning: Dalian University of Technology. School of Civil Engineering, 2012: 32?33.

[5] 張家銘, 劉浩, 胡恒. 咸池溝棄渣場渣體大型三軸試驗研究[J]. 工程勘察, 2012,12: 4?7. ZHANG Jiaming, LIU Hao, HU Heng. The Large-scale triaxial test research of waste residue of at Xian Chigou[J]. Engineering Investigation, 2012, 12: 4?7.

[6] 秦尚林, 陳尚維, 韓卓. 巨力土大型三軸試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 33(2): 189?193. QIN Shanglin, CHEN Shangwei, HAN Zhuo. The large-scale triaxial experiments of Juli soil[J]. Rock and soil mechanics, 2010, 33(2): 189?193.

[7] 孔德志, 張丙印, 孫遜. 人工模擬堆石料顆粒破碎應(yīng)變的三軸試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2009, 31(3): 464?469. KONG Dezhi, ZHANG Bingyin, SUN Xun. Triaxial tests on particle breakage strain of artificial rockfill materials[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(3): 464?469.

[8] Shafiee A. Permeability of compacted granule-clay mixtures[J]. Engineering Geology, 2008, 97(3/4): 199–208.

[9] 段祥寶, 劉運化, 楊超. 土體滲透變形及滲透破壞過程中分形特征初探[J].水電能源科學(xué), 2013, 31(7): 100?103. DUAN Xiangbao, LIU Yunhua, YANG Chao. The process of the seepage deformation and seepage damage of soil fractal characteristics[J]. Water and Electricity Energy Science, 2013, 31(7): 100?103.

[10] WANG Yimin, CHEN Yekai, LIU Wei. Large-scale direct shear testing of geocell reinforced soil[J]. Journal of Central South University, 2008, 15(6): 895?900.

[11] 梁燕, 李同錄, 李家春. 臨河碎石土路堤穩(wěn)定性的試驗研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報, 2010, 35(5): 711?718.LIANG Yan, LI Tonglu, LI Jiachun. Study on the stability of the detritus embankment a long river[J]. Journal of Guangxi University, 2010, 35(5): 711?718.

[12] 魏松, 朱俊高. 粗粒料三軸濕化顆粒破碎試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2006, 25(6): 1252?1258. WEI Song, ZHU Jungao. Sudy on wetting breakage ofcoarse-grained materials in triaxial test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(6): 1252?1258.

[13] 朱俊高, 劉忠, 翁厚洋. 試樣尺寸對粗顆粒土強度及變形試驗影響研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報, 2012, 44(6): 92?96. ZHUN Jungao, LIU Zhong, WENG Houxiang. The test study of Sample size to strength and deformation of coarse particle[J]. Journal of Sichuan University, 2012, 44(6): 92?96.

[14] 丁秀麗, 李耀旭, 王新. 基于數(shù)字圖像的土石混合體力學(xué)性質(zhì)的顆粒流模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2010, 29(3): 477?484.DING Xiuli, LI Yaoxu, WANG Xin. Particle flow modeling mechanical properties of soil and rock mixtures based on digital image[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(3): 477?484.

[15] 錢家歡, 殷宗澤. 土工原理與計算[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1996: 54?56. QIAN Jiahuan, YIN Zongze. Geotechnical principle and calculation[M]. Beijing: China Water Power Press, 1996: 54?56.

[16] 王靖濤. 論巖土塑性體應(yīng)變與剪應(yīng)變的相互作用原理[J]. 中國工程科學(xué), 2006, 8(9): 24?29. WANG Jingtao. Demonstration of the principlep of interaction between plastic volume strain and shear for rock and soil[J]. China Engineering Science, 2006, 8(9): 24?29.

[17] 鹿英奎. 土的剪脹機理及試驗研究[D]. 北京: 北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 2012: 26?27. LU Yingkui. Study on dilatancy mechanism and test of soil[D]. Beijing: North China University of Technology. Construction Engineering College, 2012: 26?27.

[18] Rowe P W. The stress-dilatancy relation for static equilibrium of an assembly of particles in contact[J]. Proc Roy Soc A, 1962, 269: 500?527.

[19] Wood D M. Soil behaviour and critical state soil mechanics[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1990: 150?160.

[20] 楊迎曉, 龔曉南, 范川, 等. 錢塘江沖海積非飽和粉土剪脹性三軸試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(1): 39?42. YANG Xiaoying, GONG Xiaonan, FAN Chuan, et al. Triaxial testing study of dilatant characteristics of Qiantangjiang alluvial unsaturated silts[J]. Rock and soil mechanics, 2011, 32(1): 39?42.

Analysis of deformation characteristics of eluvialgravel soil under mass density and confining pressure

DONG Hui1, 2, HU Ziran1, FU Helin3, CHEN Cheng1, CHEN Xiwen1

(1. College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;2. Institute of Rheological Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Considering the influence of mass density (the different stone content, moisture content) and confining pressure on gravel soil deformation characteristics, an experiment of gradation representative sample eluvial gravel soil of Zhaoshan Hunan province was carried out. The results show that the mass density and confining pressure have a combined effect. Gravel soil stress-strain curve under the different mass density shows as step-like, that is strain at first hardening then softening, strain softening for moisture content of 7%. With the increase of the confining pressure, the initial tangent modulus and shear peak value increase, but non-linear growth with the change of the mass density, the yield locus into parallel lines. Shear contraction under low confining pressure, the high confining pressure dilatation. The pressure-sensitivity of eluvial gravel soil is more sensitive to stone content, the shear dilatation is more sensitive to moisture content, and there are optimum moisture content and the best stone content. Dilatancy rate and effective stress ratio can be a judgment of the dilatancy property. Also volumetric strain is found on different mass density and confining pressure are mainly concentrated in two curves. It can be a judgment for landslide failure after continuous heavy rainfall.

landslide; gravel soil; mass density; pressure-sensitivity; shear dilatation

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.043

TU411

A

1672?7207(2015)10?3879?09

2015?02?06；

2015?05?20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51108397)(Project (51108397) supported by the National Natural Science Foundation of China)

董輝，博士研究生，副教授，從事智能巖土信息技術(shù)、滑坡防災(zāi)減災(zāi)研究；E-mail：aneurin.h.d@gmail.com

(編輯 陳愛華)