礫質滑帶土剪切特性試驗研究

，，

(1.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶400074；2.重慶交通大學重慶市高校水工建筑物健康診斷技術與設備工程研究中心，重慶400074)

三峽庫區滑坡治理工程的大量資料表明，滑帶土的抗剪強度對滑坡穩定性評價和滑坡治理工程設計有很大影響。對滑帶土力學行為的研究主要集中在剪切強度和變形特性上，其基本研究方法可以概括為：試驗和理論研究相結合、微觀和宏觀研究相結合[1]。最基本也最有效的方法為：通過室內試驗，結合理論研究分析滑帶土的峰值強度、殘余強度、完全軟化強度和長期剪切強度[2]；現場試驗雖然也是一種有效的研究方法，但與室內試驗相比，現場試驗有試驗耗時長、成本高昂、方法較單一的缺點。

目前，為滿足滑坡穩定性評價和滑坡災害防治的需要，在滑帶土研究上已積累了大量的工程地質研究成果，這些成果主要體現在滑帶土的強度特性方面[1]。一方面，土體抗剪參數具有較為明顯的區域特征[3]；另一方面，滑帶土又具有不同于其他類型土的結構、成分及受力特性，如一般均含碎石[4]，歷史上大多受過剪切變形。目前的滑帶土研究，大多數都是以一般的細粒黏性土為研究對象進行的[5—7]，劉小麗等[1]對此進行過系統的總結和分析，指出研究工作中應加強特殊滑帶土(如礫質滑帶土)的研究、推動新的試驗技術和研究方法的發展以及正確運用反分析法等。值得注意，三峽庫區滑帶土的明顯特征為：多數含有一定量的碎石[4]。而礫石對于滑帶土的剪切特性有著明顯的影響[8-9]。

正交試驗法是一種利用正交表科學地安排和研究多因素多水平的試驗設計方法，正交試驗法根據正交性原理，在全面試驗中選出一部分具有代表性的試驗進行研究，這些被挑選出來的試驗點均勻分散，整齊,同時具有可比性。正交試驗法具有效率高、更快速、更經濟的特點[10]。正交表是一種規范化的根據正交原理設計的表格，是進行正交試驗時安排試驗和分析試驗結果的基本工具。其符號為Ln(rm)。其中，L為正交表代號；n為正交表橫行數，反映需要做的試驗次數；r為各因素的水平數；m為正交表縱列數，反映最多可安排的因素數。例如L8(27)，表示該正交表最多可安排7個2水平的因素，需要進行8次試驗，而相應的7因素2水平全面試驗的次數為：27=128次，顯然大大減少了試驗次數[11]。

為研究三峽庫區礫質滑帶土剪切特性，本文采用人工重塑土樣，模擬三峽庫區采集的礫質滑帶土，采用直剪試驗對其在不同法向壓力下的剪應力、剪應變、剪切強度參數，進行試驗研究，并結合正交試驗，分析和討論礫質滑帶土剪切特性的影響因素。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器

試驗選用DZ-4型電動四聯直剪儀(圖1)，重塑土試樣的尺寸為φ61.8 mm×H20 mm。四聯直剪儀由電機驅動，經變速箱變速后，得到各檔轉速，再將推力傳遞給剪切盒，法向應力通過懸掛不同砝碼控制，剪切位移和法向位移通過水平和垂直方向上的千分表分別讀取并記錄。

圖1 試驗儀器

1.2 試驗材料

對三峽庫區多處采集到的礫質滑帶土的組成成分進行分析，發現其主要成分均為高塑性黏土，含有的礫石以砂巖或泥巖為主。故本文采用高塑性黏土與砂巖、泥巖礫石混合的重塑土來模擬三峽庫區礫質滑帶土。試驗用黏土為采自重慶地區的天然土料，其基本物理性質為：土粒比重Gs=2.71，液限wL=50%，塑限wP=30%，塑性指數Ip=20；試驗用礫石料采自長江沿岸典型砂巖-泥巖互層地層。

對三峽庫區多處采集到的礫質滑帶土進行篩分，并按照試驗粒徑與原粒徑1∶10的比例進行縮尺，運用相似級配法和等量替代法處理超粒徑顆粒后，得到a、b、c 3種級配，試驗用礫石級配見表1。

表1 礫石級配 %

根據前期擊實試驗研究，確定了不同礫石含量和不同礫石種類條件下的重塑土最優含水率和最大干密度(表2)。

表2 擊實試驗結果

1.3 試驗方案

a) 為了研究礫石含量、礫石級配、礫石強度等因素各自對礫質滑帶土剪切特性的影響，采用控制變量法設計實驗。對于本文研究的3個因素，每次試驗僅選定1個因素為變量，保持另外2個因素不變，以此研究單個因素變化對礫質滑帶土剪切特性的影響。試驗方案見表3。

表3 單變量試驗方案

按表3試驗方案，在DZ-4型四聯直剪儀上進行快剪試驗，每個試樣分別施加4種法向應力：100、200、300、400 kPa，為避免偶然性，每次試驗安排3組平行試驗，并對試驗結果取平均值。根據SL 237—1999《土工試驗規程》，試驗采用的剪切速率為1.2 mm/min，剪切位移為6 mm。

b) 為了獲得各影響因素對礫質滑帶土剪切強度參數的影響程度大小排序，設計了正交試驗。本次試驗采用3因素3水平正交試驗方案，設定3個因素，分別為礫石含量、礫石級配、礫石強度；礫石含量、礫石級配各選取3個水平，礫石強度選取2個水平；不考慮因素之間的交互作用，最終選用L9(34)正交表安排試驗。其中，對于礫石種類的水平采用擬水平法設計。本試驗因素水平安排見表4，具體試驗方案見表5。法向應力、剪切速率、剪切位移等條件與a)相同。

表4 因素水平

注：A——礫石含量；B——礫石級配；C——礫石種類。下表同

表5 正交試驗方案

2 控制變量的試驗結果分析

2.1 礫石含量對礫質滑帶土剪切特性影響

通過不同礫石含量下的滑帶土直剪試驗，得到黏聚力、內摩擦角與礫石含量之間的關系曲線，以及礫質滑帶土剪切強度與礫石含量之間的關系。

圖2是礫石含量與黏聚力、內摩擦角的關系曲線。從圖中可以看出，內摩擦角隨礫石含量的增加而增大。內摩擦角增大的主要原因是礫石含量增加后，經過團粒化的作用，一部分粗顆粒礫石被細粒的黏性土包裹，從而形成較大的團粒，其余未被包裹的礫石與黏土充填于較大團粒之間的孔隙中，增大了顆粒之間的咬合力，進而提高了顆粒之間的摩擦作用，使礫質滑帶土的內摩擦角增大；另一方面，隨著礫石含量的增大，礫質滑帶土中的砂巖顆粒更容易建立完整的砂骨架，進而更顯著地增大滑帶土的內摩擦角。礫石含量增加后，滑帶土的黏聚力呈現減小趨勢，原因主要在于黏土中加入的砂巖顆粒，砂巖顆粒本身沒有黏聚力，砂巖顆粒含量增加后，降低了黏土顆粒之間的膠結作用，從而使黏聚力減小。

圖2 礫石含量～黏聚力～內摩擦角

圖3是礫石含量與滑帶土剪切強度的關系。由曲線圖可得，滑帶土的剪切強度隨著礫石含量的增加呈現出增大的趨勢。主要原因是：砂巖的強度遠大于黏性土，黏性土中砂巖顆粒含量增加，提高了土體的強度。當試樣受到剪切力時，試樣中的砂礫相互擠壓，砂巖顆粒含量越大，越容易形成完整的砂巖骨架，因而礫石含量越大剪切強度越大。

圖3 礫石含量～剪切強度

2.2 級配對礫質滑帶土剪切特性影響

為進一步研究礫石級配對滑帶土的剪切強度特性的影響，在礫石含量為30%的條件下，按不同級配(a、b、c)配置礫石，進行直剪試驗，整理出礫質滑帶土黏聚力和內摩擦角與礫石級配之間的關系曲線，以及礫石滑帶土剪切強度與礫石級配之間的關系。

圖4是礫石級配與黏聚力和內摩擦角的關系曲線。在a、b、c 3種級配中，級配a的平均粒徑d50為1.35 mm，級配b的d50為0.55 mm，c的d50為0.35 mm，從圖中可以看出，其他因素不變的條件下，內摩擦角和黏聚力均隨平均粒徑d50的減小而減小。內摩擦角的減小的原因是：礫石粒徑的減小導致剪切面的不整合度降低，土體的咬合力下降；黏聚力降低的原因是：滑帶土的黏聚力主要來源于黏土的膠凝作用，滑帶土礫石含量一定時，礫石粒徑越小，礫石的顆粒數量越多，對黏土的膠凝作用削弱越大。因此，黏聚力和內摩擦角值均隨平均粒徑d50的減小而減小。

圖4 礫石級配～黏聚力～內摩擦角

圖5反映了礫石級配與滑帶土剪切強度的關系。從圖中可以看出其他因素不變的條件下，礫質滑帶土的剪切強度與礫石顆粒粒徑之間的關系是：礫石粒徑越小，剪切強度越小。試驗結果符合摩爾-庫倫準則。

τf=c+σtanφ

(1)

式中τf——剪切強度，kPa；c——黏聚力，kPa；φ——內摩擦角，(°)；σ——正應力，kPa。

礫石粒徑的減小降低了重塑土樣的黏聚力和內摩擦角，根據摩爾-庫侖準則可知剪切強度隨礫石粒徑的減小而減小。

圖5 礫石級配～剪切強度

2.3 礫石種類對礫質滑帶土剪切特性影響

表6為礫石強度與礫質滑帶土剪切強度參數的關系表。從表中可以看出，含砂巖滑帶土的黏聚力值和內摩擦角值均大于含泥巖滑帶土。

表6 礫石種類與黏聚力及內摩擦角關系

圖6為礫石種類與礫質滑帶土剪切強度的關系曲線。由圖可知，含砂巖滑帶土的剪切強度大于含泥巖滑帶土，但差值相對較小。一方面，砂巖的強度高于泥巖，導致剪切過程中形成的砂巖骨架強度高于泥巖骨架；另一方面，由于黏土的強度遠低于礫石強度，因此剪切過程中應力和應變主要還是通過黏土進行調整，因此礫石自身的強度對礫質滑帶土剪切強度影響不大。

圖6 礫石種類～剪切強度

3 正交試驗結果及分析

黏聚力和內摩擦角是重要的剪切強度參數，確定礫石含量、礫石級配、礫石種類對黏聚力和內摩擦角的主次影響，對研究礫質滑帶土的剪切特性具有重要意義。根據既定正交試驗方案進行試驗，試驗結果見表7。運用極差分析法分析試驗結果，2種參數極差分析見表8。

其中Ki分別表示第各列因素第i水平所對應的試驗指標值之和，例如第一列K1=5.34+6.93+8.945=21.216，以此類推，可得其他值。

ki=Ki/s

(2)

式中s——任一列上各水平出現的次數。k1、k2、k3分別表示任意一列上當因素取水平i時所得試驗指標值的算術平均值，例如本次試驗s=3，k1=4.31/3=1.44，以此類推可得其他值。值得注意的是，由于采用擬水平法，因素C的2水平在試驗中出現6次，因此C因素k3=K3/6=97.968。

R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}

(3)

極差R反映了各因素的水平波動時，試驗指標變動幅度，值越大，說明該因素對試驗指標值影響越大。例如第1列R=18.427，以此類推可得其他值。

由表7易得各因素對2種指標值的影響大小排序。對于內摩擦角，各因素大小排序為A>B>C，即礫石含量影響最大，礫石級配次之，礫石種類影響最小；對于黏聚力，各因素大小排序為B>A>C，即礫石級配影響最大，礫石含量次之，礫石種類影響最小。

4 結論

通過直剪試驗，結合正交試驗理論，得出了礫石含量、礫石級配、礫石種類對礫質滑帶土剪切特性的影響以及3種因素的敏感性排序。

a) 隨礫石含量增加，內摩擦角增大，黏聚力降低，剪切強度提高；隨平均粒徑d50的減小，內摩擦角和黏聚力均減小，剪切強度降低；含砂巖滑帶土的黏聚力值、內摩擦角值以及剪切強度均略大于含泥巖滑帶土。

b) 對于內摩擦角，各因素影響大小排序為：礫石含量>礫石級配>礫石種類。對于黏聚力各因素影響大小排序為：礫石級配>礫石含量>礫石種類。