三峽庫區巴東組巖-土接觸面抗剪強度特性研究

安 琪，滕偉福,2，李偉忠

三峽庫區巴東組巖-土接觸面抗剪強度特性研究

安 琪1，滕偉福1,2，李偉忠1

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)教育部長江三峽庫區地質

災害研究中心，湖北 武漢 430074)

巖-土接觸面；大型直剪試驗；內聚力；內摩擦角；三峽庫區巴東組

土與結構接觸面的力學特性研究是解決土與結構物相互作用問題的前提。20世紀60年代以來，有關研究者就開始了土與結構接觸面力學行為的探索工作，在試驗研究、理論研究和計算方法等方面都取得了一定的進展[1-3]。然而，在荷載作用下，土與結構接觸面發生既不同于土、又不同于結構材料的力學響應，涉及非線性、大變形、局部不連續等力學前沿問題，使得接觸面研究具有極大的難度。隨著近年來大型工業與民用建筑建設的興起以及西部開發的進行，出現了越來越多的土與結構物相互作用的問題。

三峽庫區巴東組內部物質組成十分復雜，發育有多齡期、多層次的軟弱帶，巴東縣、巫山縣和奉節縣成為地質災害的重災區。三峽庫區巴東縣及其附近區域坐落在沿江分布的岸坡上，坡度一般在25°左右，構造線大體與長江走向平行，谷坡的有效應力巨大，區內分布大量古滑坡，沿江一帶順向岸坡內大量發育有三疊系巴東組軟弱帶[4-6]，蓄水遷址后形成的高切坡、人工堆積體以及原本就存在的基巖質滑坡(如趙樹嶺滑坡)中存在著數量巨多的巖-土接觸面，這類接觸面的力學特性極其復雜，加之本地區廣泛存在的碎石土缺乏有效的固結，在暴雨及人工活動等工況下，這類巖-土接觸面很容易發生剪切破壞，產生次級地質災害[7-9]。

為了研究巴東地區的巖-土接觸面的抗剪強度特性，本文在分析該地區巖-土接觸面特性的基礎上，通過采集該地區合適的碎石土樣和巖石樣本，并利用天水紅山研制生產的大型直剪儀[10-13]進行了直接剪切試驗，研究了三峽庫區巴東組巖-土接觸面抗剪強度特性，考察了其抗剪強度曲線的應變規律和抗剪強度指標的影響因素。

1 巴東地區巖土性質

巴東地區主要出露的地層為三疊系中統巴東組(T2b)和第四系，該地層為一海陸交互相碎屑巖建造，間有碳酸鹽巖沉積，與嘉陵江組呈整合接觸[14-16]。其主要巖性特征為：三疊系下統嘉陵江組(T1j)為灰色薄至中厚層灰巖、白云質灰巖；三疊系中統巴東組(T2b)為碎屑巖巖組與碳酸鹽巖巖組相間分布，第一、三段以灰色、淺灰色灰巖、泥灰巖為主，巖性較堅硬，第二、四段為紫紅色泥巖夾粉細砂巖，巖性較軟；第四系松散堆積物廣泛分布于各坡體表面，穩定斜坡地段巖性主要為碎石土、塊石土及零星分布的碎裂巖，厚度5～60 m不等，成因類型主要有崩滑堆積、殘坡積-崩坡積堆積、滑坡堆積等。巴東地區基巖和第四系堆積物的巖性見表1和表2。

表1 巴東地區基巖的巖性

表2 巴東地區第四系堆積物的巖性

2 巖-土接觸面大型直剪試驗

2.1 試驗儀器

本試驗所用的儀器為甘肅天水紅山儀器制造廠研制生產的微機控制電液伺服1 000 kN大型直剪儀，其主要結構如圖1所示。

圖1 大型直剪儀主要結構Fig.1 Main structure of large direct shear apparatus

該大型直剪儀主要由承載機架、剪切盒、垂直加載系統、水平加載系統、液壓系統、計算機控制和數據采集系統等組成稀泥，可以同時對將近0.1 m3的碎石土樣進行剪切試驗，并可以進行雙向剪切，最大剪切力可達到1 000 kN(4 MPa)，最大剪切位移可達到140 mm，最大允許粒徑可達到60 mm，且剪切面積大，弱化了試驗的尺寸效應，測定的土樣強度值更接近真實數據。

2.2 試樣制備

本試驗碎石土樣取自三峽庫區巴東縣三中滑坡中的滑體，該取樣地點第四系主要以沖積、洪積、泥石流堆積及崩滑堆積的形式分布在河谷沖溝及兩側坡腳。巴東三中校址內的滑坡是發育在古泥石流堆積體上的滑坡，滑帶以上滑體可以劃分出上、下兩層：上層分布在滑坡表層6～8 m深度范圍內，為灰黃-淺紫紅色塊石、碎塊石土；下層為紫紅色碎塊石土，其中碎塊石以紫紅色泥巖、泥質粉砂巖為主，偶含淺灰色長石石英砂巖。滑體土質部分為紫紅色黏土-粉質黏土,可塑，中等偏密實，碎石含量約40%，這部分滑體成因可能是基巖面上的殘坡積層，其在滑坡的中前部下層較薄，滑面接近基巖面。本次試驗所用土樣采取的就是這部分靠近基巖面的殘坡積土，詳見圖2。

圖2 試驗土樣Fig.2 Clay in the test

因為大型直剪儀有最大粒徑限制，要求土的最大粒徑不得大于60 mm，因此制樣時將此粒徑以上的碎石進行了剔除處理，剪切試驗前土樣的級配曲線見圖3。

圖3 土樣的級配曲線Fig.3 Grading curves of the soil samples

本試驗巖石樣本取自三峽庫區巴東縣黃土坡后沿6 km處的簡易公路，通過該簡易公路挖方的斷面可以采集巴東組第一段至第三段的巖石樣本。由于取樣條件的限制，本次試驗主要采集的是破碎基巖，因此需將碎裂巖石進行大規模拼接，并且使用澆灌技術將碎裂巖石制成試驗所需要的巖石樣本，制備的巖石樣本表面見圖4。

圖4 巖石樣本表面圖Fig.4 Surface of the rock samples

2.3 試驗方法

裝樣完成后，調整試驗系統油壓為10 MPa、壓力為50 kN、加載速度為0.2 kN/s，開始對整個試樣進行加壓固結；待固結完畢后，先卸去豎向荷載，在軟件中對水平位移進行調整，使兩個水平液壓端與剪切盒保持弱接觸狀態，并添加穩定豎向荷載，分別為100 kPa、200 kPa和300 kPa，水平向采用位移控制，剪切速度為2 mm/s，然后開始對試樣進行雙向剪切，根據剪切曲線的變化，達到峰值或者達到最大剪程時停止試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 巖-土接觸面剪切應力-剪切位移的關系曲線

試驗研究結果表明，巖-土接觸面的τ-σ關系曲線分為應變硬化型和應變軟化型，為此從本次試驗數據中選取巖-土接觸面兩個比較典型的τ-σ關系曲線進行了分析。

圖5 巖-土接觸面典型的τ-σ關系曲線Fig.5 Typical relationship curves of τ-σ of the rock-soil interface

由圖5可見，巖-土接觸面典型的τ-σ關系曲線可分為以下階段：

(1) 彈性階段：剪切面附近土體受到垂直壓力和水平推力的作用，剪切面上顆粒開始重新排列，小顆粒被擠壓進碎石土的空隙中，慢慢地充填緊密，隨著充填的不斷進行，土和巖石慢慢形成一個整體，切斷這個整體所需要的剪切應力也慢慢增強，這個階段剪切應力和剪切位移的增長是成比例的，時間也很短。切線段末端的剪切應力和剪切位移稱之為彈性剪切應力極值。

(2) 彈塑性階段:在該過程中,剪切面剪切應力己經超過了巖-土界面的抗剪能力，土和巖石完全充填后形成一個整體的碎石土體，顆粒間存在的咬合力使得上部部分土體參與到剪切運動中，下部巖石裂縫也和土體充分黏合，剪切過程中在剪切面附近形成了滑動區。隨著剪切的進行，巖石和土的抵抗能力充分發揮，此時對應的剪切應力稱之為極限剪切應力，該值等于比例極限值和巖-土抗剪咬合力值的和。

(3) 應變(軟)硬化階段:當剪切位移超過極限值后，原有土體的整體性能已經發揮到了極致，隨著位移的不斷增大，剪切區的土體會改變自身形態來抵抗剪切，碎石土體由于擠壓和推動滑移，發生轉動甚至剪裂，此時剪切面土體遭到了破壞，其原本的抵抗剪切的力因此減少。當含石量較低時，出現了剪切應力下降，即τ-σ關系曲線為應變軟化型曲線[見圖5(a)]；但是當含石量較高時，土體結構被破壞，殘留在土中的碎石粗顆粒會和剩下的碎石以及下伏基巖發生比較激烈的摩擦甚至卡在巖石裂縫中，其所產生的滑動阻力比土體間的摩擦力要大得多，所以表現為τ-σ關系曲線為應變硬化型曲線[見圖5(b)]，該曲線一直到剪切末端才會出現明顯的峰值。

(4) 殘強階段：原結構被破壞后，整個剪切面附近沒有多余的阻力，主要由剩余的碎石與基巖發生摩擦，在τ-σ關系曲線上表現為末端數值很穩定的延續，具有收斂的特性。

3.2 碎石土中碎石含量與抗剪強度指標的關系

根據試驗分組要求，在完成27個試樣后可以得到9個由不同控制變量控制下的碎石土的抗剪強度指標(c、φ值)隨碎石含量的變化曲線，詳見圖6和圖7。

圖6 碎石土的內聚力c隨碎石含量的變化曲線Fig.6 Variation curves of cohesive force c of the grave soil with the gravel content 注：B1表示基巖為b層;B2表示基巖為b層; B3表示基巖為b層

圖7 碎石土的內摩擦角φ隨碎石含量的變化曲線Fig.7 Variation curves of internal friction angle φ of the grave soil with the gravel content 注：B1表示基巖為b層;B2表示基巖為b層; B3表示基巖為b層

由圖6可見，碎石土的內聚力c隨碎石含量的增加呈現先遞增后遞減的趨勢，這種現象主要是由土體的密實度和細粒含量以及接觸面積的相互變化所引起的，具體分析如下：

(1) 當粗顆粒含量從0%逐漸增加至40%時，在剪切過程中，粗顆粒含量的提高，導致了土體密度的增加，而密度的提高會直接提高碎石土的內聚力，同時由于粗顆粒的存在，細顆粒與粗顆粒不斷地黏結，內部嵌合的能力越來越強，導致土體的整體性非常好，需要破壞這個整體需要很大的剪切力，出現了碎石土內聚力上升的趨勢。

(2) 當粗、細顆粒比例較合理時，由于壓密作用，細顆粒和粗顆粒形成了一個良好的整體，已經成型的土樣，顆粒間交叉在一起，當土體密度達到穩定值時土體顆粒內部相互嵌合非常緊密，剪切時，不但要克服顆粒間、顆粒與結構間的滑動摩擦阻力，同時還要克服這一部分嵌合力，所以處于碎石含量40%時碎石土的內聚力最大。

(3) 當粗顆粒所占比例比細顆粒多得多時，細粒急劇減少后，土體密度的增加所帶來的土體內聚力大幅減少，而粗骨料與巖板的接觸面積有限，剪切過程中造成的動摩擦力以及碎石被阻滯所帶來的作用力都不足以抵消由細顆粒減少所造成的內聚力損失，所以出現了碎石土內聚力下降的趨勢。

由圖7可見，碎石土的內摩擦角隨著碎石含量的增加出現了先增加后減少然后再增加的趨勢，這種現象與試驗所用土處于塑性狀態有關，具體分析如下：

(1) 當碎石含量從0%逐漸增加至20%時，碎石土的內摩擦角處于增加狀態，加入的碎石能有效地改善土的各種性狀，使得整個土體呈現土石混合體的復雜狀態。

(2) 當碎石含量從20%逐漸增加到50%時，由于土和石結合得比較好，也區分不出土和巖石，要發揮效用，碎石和土必須形成骨架，形成骨架后碎石土表現出土和巖石的雙重特性，整體移動時土將碎石包裹得比較好，剪切時整體性很強，表現為碎石土的內摩擦角降低。

(3) 當碎石含量處于50%～100%時，粗顆粒的增加導致土體單位密度增大，粗顆粒間的摩擦力和擠壓鑲嵌作用隨著碎石含量上升逐漸加強，土體抗剪強度得到大幅度的提高，且隨著粗顆粒的增加，土體之間的內聚力減少，粗顆粒在剪切時起到骨架作用，沒有細顆粒的潤滑作用，粗顆粒間的擠壓摩擦作用不斷增強，這部分作用對碎石土內摩擦角的影響程度遠遠大過細顆粒流失的影響。

3.3 巖樣地質代表性與抗剪強度指標的關系

本試驗巖石樣本分別取自巴東組基巖的三個典型亞層，這三個亞層中尤其是第二段紅層的存在使得巴東縣周邊區域成為三峽庫區庫岸失穩的重災區。通過碎石土與這幾種基巖的大型直剪試驗，可以得到巴東地區無黏性碎石土和基巖接觸面的抗剪強度指標與下伏基巖類型的關系曲線，詳見圖8和圖9。

圖8 巴東組巖-土接觸面內聚力c與下伏基巖的 關系曲線Fig.8 Relationship between the cohesive force c and the selected rock of the rock-soil interface in Badong formaiton

圖9 巴東組巖-土接觸面內摩擦角φ與下伏基巖的 變化關系曲線Fig.9 Variation relationship between the internal friction angle φ and the selected rock of the rock-soil interface in Badong formation

4 結 論

(1) 巴東組碎石土-基巖接觸面τ-σ關系曲線分為應變硬化型和應變軟化型，應力硬化型曲線主要出現在碎石含量較高的剪切試驗中，原因是當碎石土被完全剪破后，土中碎石剪破土繼續和下伏基巖摩擦，提供摩擦阻力，導致應力一直保持在峰值或者不斷上升；而應力軟化型曲線主要出現在碎石含量較低的剪切試驗中，由于土中碎石含量低，剪切時其性狀基本與土體剪切類似，碎石土被剪破后會出現應力下降的趨勢。

(2) 巴東組碎石土-基巖接觸面剪切過程中碎石土中含有的孤石會隨著剪切面的起伏發生摩擦、翻滾、平移等物理形態變化，剪切后在剪切面上留下深坑；下伏基巖面本身的不規則性導致碎石土體會沿著剪切面整體爬坡前進，這些都會造成剪脹效應。剪脹效應表現為剪切試驗曲線不規則波動，而且壓力越大試驗曲線波動得越厲害，且顆粒破碎程度越高；同時剪脹效應讓上剪切盒中土體出現不均勻沉降，導致剪切試驗中正應力的偏移。

(3) 通過綜合分析本次剪切試驗的結果，認為巴東組碎石土-基巖接觸面抗剪強度指標c、φ值與碎石土中碎石含量有關，具體表現為內聚力c隨碎石含量的增加呈現先遞增后遞減的趨勢，內摩擦角隨碎石含量的增加總體呈現遞增的趨勢，這種趨勢與碎石土本身結構組成以及基巖表面的起伏度密切相關。當碎石土中碎石含量較低時，碎石土主要表現出土的性質，接觸面抗剪強度指標c值主要由細粒土決定；當碎石土中碎石含量較高時，碎石土表現出碎石的特性，土充填在碎石土骨架中充當潤滑作用，但是接觸面剪切強度指標φ值主要由碎石提供；當碎石土中碎石含量恰當時，由于碎石土和基巖接觸的復雜性，其抗剪強度指標變化是多變的。

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Shear Strength Characteristics of Rock-soil Interface in Badong Formation in the Three Gorges Reservoir of China

AN Qi1,TENG Weifu1,2,LI Weizhong1

(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.ThreeGorgesResearchCenterforGeo-hazard,MinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

rock-soil interface;large-scale direct shear test;cohesive force;internal friction angle;Badong formation in the Three Gorges reservoir

殷坤龍(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事地質災害預測預報與風險評價方面的研究。E-mail:yinkl@cug.edu.cn

1671-1556(2016)02-0110-07

2015-07-29

2016-03-09

中國地質大學教育部長江三峽庫區地質災害研究中心開放基金項目(TGRC201401)

安 琪(1992—)，女，碩士研究生，主要研究方向為地質災害防治與治理。E-mail:944855824@qq.com

X93；TV223

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.021

滕偉福(1963—)，男，副教授，主要從事巖土體穩定性、地質災害防治與治理研究。E-mail:tengwf@tom.com