碎石土大型直剪研究与边坡稳定性分析

王新刚，胡 斌，刘 强，余宏明

(中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074)

1 研究背景

碎石土是指粒径大于2 mm的颗粒含量超过总质量50%的土，在自然界分布十分广泛［1］。本文室内试验所取土为西藏邦铺矿区高陡边坡上、中、下部碎石土，矿区碎石土分布广而密，而边坡的稳定性问题又与土的抗剪强度密切相关，土体中滑动面的产生就是由于滑动面上的剪应力达到土的抗剪强度所引起的。因此，科学地开展土力学试验、准确地获取碎石土的抗剪强度指标，客观、全面地认识碎石土的抗剪性能，是解决工程中碎石土强度问题的基础，对邦铺矿区边坡稳定性分析和制订合理的整治措施具有十分重要的作用。国内外许多学者对土石混合料的强度和变形特性进行了理论和试验研究［2－3］。

以往的研究一般是做三轴围压的颗粒破碎性试验，试验尺寸效应很明显，且很少考虑不同粒径级配下颗粒破碎对抗剪强度的影响，而大型直剪仪试样尺寸较大，可以在最大程度上保留土样的原始级配，弱化尺寸效应，且直剪试验操作简便、适用范围广，而应用最为普遍。随着国内外学者对碎石土工程特性的研究逐步深入，上世纪60年代以后，陆续研制了一系列适用于碎石土的试验仪器，例如大型直剪仪、大型三轴剪切仪、大型击实仪、大型振动密实仪及大型管涌渗透仪等，对粗粒土的压实特性、抗剪强度特性、渗透特性等进行了深入研究，提出了许多有实用价值的成果。本文采用中国科学院武汉岩土力学研究所与香港大学联合研制的应变控制式大型室内及现场两用直剪仪进行研究分析高原碎石土物理性质，进而获取数值模拟所必需的参数，进行高陡碎石土边坡稳定性分析［4－6］。

2 室内试验

2.1 试验仪器

本文采用大型室内及现场两用直剪仪研究，本次试验采用的两用直剪仪属于拼装式结构，主要由整体可拆卸式外框架、水平加载系统、垂直加载系统、剪切盒(见图1)等组成。剪切盒的净空几何尺寸为:长 ×宽 ×高 =500 mm×500 mm×410 mm。下剪切盒与整体框架连接在一起，上、下剪切盒之间的最大开缝宽度为10 mm，见图1。由于此直剪仪剪切过程中下剪盒固定，上剪盒只能在水平面内移动，所以剪切缝不会由于试样的剪胀作用而发生改变，从而使试样的变形较传统的直剪仪更加均匀，大大减小了试验的尺寸效应，使其结果更加合理真实。

2.2 试样制备

图1 直剪仪与剪切盒Fig.1 The direct shear apparatus and shear box

试验样品分别取自西藏邦铺矿区自然边坡不同海拔的高原碎石土，具有黏结力很小、大颗粒多的特点。1#，2#，3#土取自自然边坡上部海拔5 000 m处，4#，5#土取自自然边坡中部海拔 4 800 m 处，6#，7#土取自自然边坡下部海拔4 700 m处。土样规格为30 cm×30 cm×30 cm。取样前先去除了表层0.3 m厚的松散堆积层，然后用专用切土刀切取。为避免运输过程中含水率的改变，保证土体的原状结构不受到破坏，将土样密封在双层防水袋中并装在与土样规格相应的木箱中，如图2所示。

图2 现场取土样Fig.2 Collecting field soil samples

2.3 试验结果

对土样进行大型剪切试验(试样尺寸25 cm×25 cm×25 cm)，试验垂直压力分别为100，200，300，400 kPa，以获取原状土样的力学参数;上下剪切缝预留1 cm，采用均匀速率推动上剪切盒，在试验过程中计算机自动采集了试样的应力和应变，采用绘图软件后处理，取矿区边坡稳定性分析的3个区域(上、中、下)的土样(1#，4#，7#)分析，试验结果如图3，表1所示。

由图3可以看出当剪应力低时，土样的剪切位移呈“蠕变”较慢变形，随着的剪切位移增加，试样的剪切位移速率逐渐增大。碎石土在低垂向压力下具有峰值强度，呈现应变软化的特性;在高垂向压力下呈现弱硬化型，说明高原碎石土在长期冻融作用下和高地应力的作用下，具有一定结构性的强度。

3 数值模型及参数选择

采用三维数值模拟软件FLAC3D进行分析，该软件是美国明尼苏达Itasca软件公司编制开发的三维显式有限差分程序，是目前国际岩土工程界十分推崇的计算机软件，FLAC3D应用有限差分方法建立了

图3 大剪试验曲线图Fig.03 Curves of the results of large direct shear test

表1 室内大型直剪剪切试验成果Table 1 Test results of indoor large direct shear test

单元应力应变和结点位移等计算方程，使软件能够在使用较小内存、保证较高精度和较快运算速度的条件下建立大规模的数值模拟坐标，适合于建立大变形非线性模型，对大变形情况应用效果更好，主要应用于工程地质和岩土力学分析，如矿山滑坡等。

3.1 模 型

模型以西藏邦铺矿区北东部剖面为例(图4)，西藏邦铺矿区位于地处念青唐古拉山南西麓的雅鲁藏布江之拉萨河谷中游地带，区内山峦叠嶂、河谷纵横，地势总体为北东高西低，地形起伏较大，一般海拔4 426～5 341 m之间，相对高差约915 m，坡度大、海拔高、相对高差大，属高山深切割区。

北东部剖面线走向约北偏东30°，近乎垂直台阶坡面，便于分析该矿区开采后的边坡稳定性问题，模型选用一期境界右半部分分析。采用有限元分析软件ANSYS的前处理平台，建立了西藏邦铺北东边坡工程地质数值仿真计算模型，共划分单元13 644个、节点13 950个(图5)。

图4 北东剖面工程地质图Fig.4 Engineering geological profile in the northeast of the mining area

图5 北东部剖面计算模型图Fig.5 Computation model of the northeast profile

3.2 模型参数

室内土力学性质试验对边坡稳定性分析和数值模拟计算提供必要的物理力学指标参数。数值模型采用摩尔库伦模型，粘聚力、摩擦角由大型剪切试验获得，所需的弹性模量由室内试验所得的压缩模量等获取。

由文献［7］可知:

式中:Es为压缩模量［11］;e0为碎石土初始空隙比;av为压缩系数。根据公式

可以求得碎石土的弹性模量。

式中:E为弹性模量;μ为泊松比。

体积模量为

切变模量为

综合室内试验与大型直剪试验结果以及公式(1)至公式(4)可得西藏邦铺矿区北东部边坡数值计算模型参数(表2)。

表2 数值计算模型参数Table 2 Parameters of the numerical model

4 西藏邦铺矿区北东部边坡数值分析

4.1 北东部边坡位移分析

位移分析见图6，数据区的单位为m，水平位移指向坡外为负号。从图6中可知:最大累计位移约为4.17 m，方向为指向坡体外面，出现的高程约为4 980～5 000 m。从上面的整体分析来看，在4 993～5 100 m出现了开挖不稳定情况，需要对设计边坡角进行修正。

图6 北东部边坡开挖位移图Fig.6 Displacement of excavated slope in the northeast of the mining area

4.2 北东边坡开挖剪应力分析

剪应力分析见图7，数据区应力的单位是Pa，方向以拉为正。从图7可知:北东部边坡开挖后其剪应力最大值出现在计算模型的底部，并且随着高程的增加其值减小，但在边坡坡面以下附近出现局部应力增大区，在台阶底部4 498 m位置出现剪应力集中。

4.3 北东边坡开挖塑性区分析

从北东边坡开挖后的塑性区的特征来看(图8)，在边坡的顶部出现了连通的塑性区域，并且在沿着开挖卸荷方向出现了塑性区的扩展延伸，说明在边坡顶部可能会出现滑动面，并且还会沿着边坡的开挖卸荷不断地加剧，使边坡失稳。

图7 北东部边坡开挖剪应力图Fig.7 Shear stress of excavated slope in the northeast of the mining area

图8 北东部边坡开挖塑性区图Fig.8 Plastic zone of excavated slope in the northeast of the mining area

5 结论

(1)本文采用大型室内剪切仪进行研究分析高原碎石土物理性质，减小了试验的尺寸效应，使其结果更加合理真实，进而获取了数值模拟所必需的参数。分析研究西藏邦铺矿区北东部高陡碎石土边坡，为同类地区边坡稳定性分析提供了可行的研究思路和方法。

(2)由图3可以看出，当剪应力低时，土样的剪切位移呈“蠕变”较慢变形，随着剪切位移增加，试样的剪切位移速率逐渐增大。碎石土在低垂向压力下具有峰值强度，呈现应变软化的特性;在高垂向压力下呈现弱硬化型。

(3)分析表明:西藏邦铺矿区北东部边坡开挖后，边坡坡面以下附近出现局部剪切应力增大区(图7);边坡的顶部出现了沿着开挖卸荷方向连通的塑性区域(图8)，边坡顶部可能会出现滑动面，并且还会沿着边坡的开挖卸荷不断地加剧，使边坡失稳。需要对开挖边坡角进行合理的修正或者进行必要的边坡支护整治，以达到矿山安全生产的目的。

(4)结合大型剪切试验、室内试验成果、理论公式，利用国际知名软件，可以更为准确地建立地质模型，分析高陡碎石土边坡稳定性。

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