藏東南地區高陡邊坡堆積土力學特性試驗研究

沈霞 廖桄辰 馮杰 王培清

摘 要：通過對藏東南地區高陡邊坡堆積土的實地調研和大型三軸試驗：高陡邊坡因為地震作用和降雨容易發生滑坡地質災害；高陡邊坡堆積土試樣三軸剪切后，土樣應力～應變特性為應變硬化型，土樣的抗剪強度包絡線為直線，符合莫爾庫侖強度準則。在三軸試驗中，試樣沿著抗剪強度最弱的剪切面發生破壞，剪切面位于試樣底部與圓柱土體的側面呈近似45°的斜面上。

關鍵詞：藏東南地區；大型三軸試驗；應力應變；抗剪強度

中圖分類號：TU43 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0035-03

Abstract： According to the field investigation and large-scale triaxial test of the pileup soil of the high and steep slope in the southeast of Tibet， it can be concluded. The high and steep slope is prone to geological disasters because of earthquake action and rainfall. Triaxial specimens of piled soil on high and steep slopes have a fusiform shape after shear. The stress-strain characteristic of soil sample is strain hardening type. The soil sample conforms to the Mohr coulomb strength criterion. Triaxial test sample middle-earth along the shear strength of the weak shear plane damage occurs， piled high and steep slope soil shear plane located at the base of the soil sample with cylindrical soil profile was approximately 45° incline.

Keywords： the southeast area of Tibet； large triaxial test； stress and strain； the shear strength

1 概述

1.1 地形地貌

西藏自治區是青藏高原的主體部分，青藏高原是年輕的高原，地質條件形成較晚，到目前為止青藏高原還在不斷的隆起。亞歐板塊和印度洋板塊相互碰撞，印度洋板塊插入亞歐板塊內部，亞歐板塊不斷抬升形成了青藏高原。藏東南地區位于青藏高原東南部，該地區處在亞歐板塊和印度洋板塊的邊界上，由于板塊的碰撞形成了眾多的高山峽谷，第四紀地質作用活躍。該地區的巖石主要由泥盆系和燕山期的花崗巖和砂巖，石炭系和侏羅系的石灰巖組成[1]。該地區處于雅魯藏布江構造帶以南地區及東部昌都弧形構造帶附近，地震活動頻繁，巖體破碎，邊坡容易發生滑坡失穩[2]。

1.2 水文氣象條件

藏東南地區由于受印度洋暖濕季風的影響，雨季旱季分明。雨季為4月至10月，旱季為11月至3月[3]。藏東南地區從東南向西北海拔逐漸升高。雨季印度洋季風從東南的雅魯藏布大峽谷進入到藏東南地區；旱季歐亞大陸被蒙古西伯利亞高壓籠罩，印度洋季風無法進入該地區，從而形成了高原溫帶半濕潤和季風氣候類型[4]。

1.3 區域內概況

藏東南地區地處西藏東南部，基礎設施建設近年來取得了飛速發展，拉林高等級公路和川藏鐵路拉林線的相繼動工，區域內的交通得到了極大地改善。

藏東南地區屬于高山峽谷地貌，高陡邊坡大量存在，同時該地區處于地質活動活躍區，地震經常發生使得土體疏松，雨季豐沛的降雨使得高陡邊坡的土體抗剪強度進一步惡化，因此該地區泥石流、滑坡等地質災害時常發生。邊坡土體的抗剪強度是土體保持穩定性最重要的指標，因而本文選取藏東南高陡邊坡堆積土進行粗顆粒土三軸試驗，探究其力學特性。

2 試樣取樣

本次試驗選取了西藏林芝市魯朗鎮拉月村東北方向約2.34km處高陡邊坡進行現場調研。該高陡邊坡地處北緯N30°0′8.74″，東經E94°53′16.15″。如圖1所示。

土樣隨機采取，筆者采用灌水法測量了土體的天然含水率和天然干密度。土樣的天然干密度為1.86g/cm3，天然含水率為12%。

3 大型三軸試驗

本次試驗所采用的試驗設備為西藏農牧學院高原水力發電大廳內的電液飼服式粗顆粒動靜三軸試驗儀，該儀器是西安力創公司研制。為了準確得到粗顆粒堆積土的力學特性，結合該地區海拔實際的環境條件，開展對粗顆粒動靜三軸試驗儀進行調試，使其操作精確，力求準確得出高海拔地區粗顆粒堆積土的力學特性。

3.1 儀器簡介

該粗顆粒土動靜三軸儀的外觀如圖2所示。

該儀器由三大部分組成，分別為三軸壓力室系統、加壓系統和測量系統。加壓系統的動力采用液壓系統來實現，液壓系統通過電液伺服對力和位移進行精確地控制。測量系統通過傳感器對空隙水壓力、圍壓、位移、體變和軸向荷載進行精確的測量。該儀器的主要技術指標如表1所示。

3.2 試驗方法

根據《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）規定，粗顆粒土三軸試驗方案有三種類型分別是：不固結不排水剪試驗-UU；固結不排水剪試驗-CU；固結排水剪試驗-CD[5-8]。土體三軸試驗的試驗方案的選取通過土體本身的性質和試驗研究工況來決定，本次試驗為了研究高陡邊坡土體天然狀態下的抗剪強度，因而本次試驗采用不固結不排水的方式進行堆積土大型三軸試驗[9-11]。

3.3 試驗步驟

（1）土樣配制。堆積土取回實驗室后，首先將土樣進行風干。土樣的天然干密度為1.86g/cm3，天然含水率為12%。通過土樣干密度、試樣體積和風干含水率確定單個試樣需要的風干土料的質量。根據試驗方案制定的含水率配制土樣，每個土樣所需土料質量m：

式中：？籽d-試驗干密度，g/cm3；V-試樣的體積，cm3；？棕-土樣風干含水率，%。

按下式計算其加水量：

式中：m？棕-土樣需水量，g；m-風干土樣質量，g；？棕0-風干含水率，%；？棕-土樣的天然含水率，%。

按照天然含水率和天然干密度配制好試樣后對土樣悶料24h后，再進行下一步的試驗操作。

（2）由于大型三軸試驗試樣制樣難度較大，因此土樣的制備在儀器底座上進行，將橡膠模扎在底座上，套上對開模，土樣分五層裝入桶內，將土樣擊實到試驗要求的最大干密度。土樣擊實后將橡膠模與上壓盤扎牢。

（3）試樣制備完成后，套上壓力鋼桶，連接傳感器，向壓力鋼桶內加入圍壓水，圍壓水裝滿后。打開下孔壓排水閥門，進行試驗。

（4）剪切。試樣的軸向壓力為100kPa、200kPa、300kPa和500kPa。試驗采取的剪切速率為：3mm/min，本次試驗取土樣軸向應變為15%為破壞點。軸向應變達90mm即認定試樣破壞。試驗結束后先卸圍壓，再卸軸壓，排出壓力室圍壓水，吊起壓力室罩。觀察試樣變形情況并拍照記錄。拆卸試樣，進行下一組試驗。

3.4 試驗結果分析

3.4.1 土樣外觀

土樣試驗前后呈現不同的形狀特征，實驗前未加任何荷載，試樣為圓柱體，試驗后，試樣中下部分發生鼓脹，試樣呈不規則的圓柱體。試樣試驗前后形狀如圖3所示。

3.4.2 應力～應變特性

天然干密度和天然含水率的高陡邊坡堆積土的應力～應變曲線在試驗設置的各垂直應力下均呈應變硬化型，剪應力沒有明顯的峰值出現，試樣一直處于加強狀態。三軸剪切試樣的應力應變關系為應變硬化型，說明試樣在天然的干密度下土體呈疏松狀態，土顆粒的翻滾移動產生的剪脹不能抵抗土體受到垂直應力產生的壓縮，試樣在較低的垂直壓力下就呈現出剪縮的趨勢，因而試樣不會出現明顯的峰值，一直處于壓縮狀態，應力～應變曲線則呈現出應變硬化的狀態。高陡邊坡堆積土的應力～應變特性曲線如圖4所示。

3.4.3莫爾應力圓及抗剪強度包絡線

高陡邊坡堆積土樣莫爾圓及抗剪強度包絡線如圖5所示。

高陡邊坡堆積土為粗顆粒土，土樣中含有部分粘土，粘土和粗顆粒土共同決定了高陡邊坡堆積土的抗剪強度特性。高陡邊坡堆積土的抗剪強度包絡線的趨勢為直線，符合莫爾庫侖強度準則，滿足庫侖公式：

？子f=c+？滓tan？漬 （3）

式中：？子f-抗剪強度，kPa；c-粘聚力，kPa；？滓-法向應力，kPa；？漬-內摩擦角，°。

三軸試驗土樣在剪切過程中沒有固定的剪切面，土樣在剪切過程中會沿著抗剪強度最弱的剪切面發生破壞，本次試驗土樣的剪切面如圖6所示。剪切面與土樣柱體側面呈近似45°角的斷面。三軸試驗測得的土樣的抗剪強度較為精確，大型三軸試驗被廣泛應用于粗顆粒土抗剪強度的測定。

根據庫侖公式和堆積土的抗剪強度包絡線可以得到高陡邊坡堆積土的內摩擦角為34.75°，粘聚力為23.5kPa。堆積土的抗剪強度取決于顆粒粒徑的大小、粗顆粒本身的強度、細顆粒本身的強度、粗顆粒之間的相互作用、細顆粒之間的相互作用和粗細顆粒之間的相互作用。堆積土中的粗顆粒間粘聚力主要由粗顆粒間的咬合力產生，因而內摩擦角較大；堆積土中由于細顆粒較少，因而細顆粒間的基質吸力可以忽略不計。堆積土隨著含水量的增加抗剪強度降低粘聚力減小內摩擦角也有所降低但降幅較小，隨著堆積土的飽和粘聚力增幅趨于平緩。堆積土的粘聚力隨含水量的增加顯著減小，但對內摩擦角基本變化不大。堆積土中細粒土受到含水率影響顯著，含水率對粗顆粒間咬合力影響不顯著。

4 結論

通過對藏東南地區高陡邊坡堆積土的實地調研和大型三軸試驗可以得出：

（1）藏東南地區的眾多的高陡邊坡因為地震作用和降雨使得該地區的邊坡容易發生滑坡等地質災害。高陡邊坡堆積土的抗剪強度特性是高陡邊坡穩定的重要力學指標。

（2）高陡邊坡堆積土的大型三軸試驗土樣在剪切后由剪切前的圓柱體變為下部鼓脹的非圓柱體。

（3）藏東南高陡邊坡堆積土的應力～應變特性為應變硬化型，土體較為疏松，土樣在剪切過程中一直處于強化的狀態。土樣的抗剪強度包絡線為直線，符合莫爾庫侖強度準則。三軸試驗中土樣沿著抗剪強度最弱的剪切面發生破壞，高陡邊坡堆積土的剪切面位于土樣底部與圓柱土體的側面呈近似45°的斜面上。

參考文獻：

[1]汪明武，李麗，金菊良.泥石流危險度的改進集對分析模型[J].自然災害學報，2009，18（6）：124-128.

[2]楊一凡.西藏班公湖-怒江縫合帶中西段上侏羅統-下白堊統沙木羅組鋯石U-Pb年齡及其構造意義[D].中國地質大學（北京）， 2017.

[3]盧魯，徐江，王培清.西藏藏東南地區公路路基受季節性凍融影響分析[J].公路工程，2015，40（1）：23-28.

[4]王培清，徐國濤，何強.西藏藏東南地區典型地質災害成因及防治技術淺析[J].西藏大學學報，2013（4）.

[5]方祥位，陳正漢，申春妮，等.殘積土特殊應力路徑的三軸試驗研究[J].巖土力學，2005，26（6）：932-936.

[6]褚福永，朱俊高，殷建華.基于大三軸試驗的粗粒土剪脹性研究[J].巖土力學，2013（8）.

[7]姜景山，程展林，左永振，等.粗粒土剪脹性大型三軸試驗研究[J].巖土力學，2014，35（11）：3129-3138.

[8]李娜，何鮮峰，張斌，等.基于大型三軸試驗的膠凝堆石料力學特性試驗研究[J].水力發電學報，2014，33（6）：202-208.

[9]褚福永，朱俊高，殷建華.K0固結粗粒土剪脹特性大型三軸試驗研究[J].巖土力學，2013，34（12）：3431-3436.

[10]褚福永，朱俊高，賈華，等.粗粒土卸載-再加載力學特性試驗研究[J].巖土力學，2012，33（4）：1061-1066.

[11]朱俊高，龔選，等.某板巖粗粒料濕化特性三軸試驗研究[J].巖土工程學報，2013，35（1）：170-174.