沙坪二级左岸崩坡积体物理力学参数选取

2014-03-13黄维傅世平

大坝与安全 2014年2期

黄维，傅世平

（1.华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江水利水电学院，浙江杭州，310018）

1 前言

沙坪二级坝址河谷两岸左缓右陡，呈不对称“U”型。左岸高程575 m以上为崩坡积层，后缘高程790 m左右，往下游方向逐渐降低，前后缘最大高差约240 m，纵向长约375 m，平面上呈喇叭形。坝线一带一般厚9～13.5 m，坝前深厚，一般厚20～60 m，钻孔揭示最大厚度达179.9 m以上，总方量约240.3万m3。崩坡积体基覆界面具有明显的台阶状特征，台阶一般宽22～32 m。

崩坡积体颗粒组成极不均一，空间分布差异很大，崩坡积体自下而上可分为⑤-1、⑤-2、⑤-3、⑥、⑦层。

⑤-1、⑤-2、⑤-3块碎石层：碎石含量约85%～90%，粉质粘土含量10%～15%，稍密～中密为主；厚27～44 m。

⑥层碎石夹粉质粘土：碎石含量约70%～80%，粉质粘土含量约20%～30%，稍密～中密为主，弱胶结；分布较广泛，厚2～38 m，向上游厚度增加。

⑦层碎石：块石含量约10%，碎石含量约85%～90%，少量粉质粘土充填，稍密为主，局部松散、架空；岸坡地表普遍发育，厚3～7 m。

物理力学性质参数选择以室内大剪试验、真三轴试验为基础，结合工程类比法、经验公式法，综合确定左岸崩坡积体的物理力学指标。大剪试验是粗粒土直接剪切试验的俗称，是测定土体抗剪强度的一种常用方法，大剪试验相对粗粒土的剪切试验而言，比较复杂，每组试验材料需要大约600 kg；三轴剪切试验是测定土体抗剪强度的一种比较完善的室内试验方法。两种试验每组样品的最大粒径均不超过6 cm。

2 崩坡积体物理性质

崩坡积体天然容重、含水率见表1。1号、2号和3号试样级配的特征粒径、不均匀系数和曲率系数见表2。根据表2可知，1号、2号和3号试样均不能同时满足Cu大于5及Cc等于1～3，故均属级配不良。

图1 崩坡积体典型剖面图Fig.1 Typical profile of colluvial clay

表1 天然容重成果表Table 1 Natural unit weight

3 崩坡积体力学性质

左岸崩坡积体的岩土体力学性质指标，以室内土工试验成果为基础，结合经验公式法、工程地质类比法确定。

3.1 大型剪切试验成果

大剪试验样品分别取自覆盖层中三个不同层位，每组样品的最大粒径不超过6 cm。据1号、2号和3号试样试验结果，综合分析垂直压应力σ-水平剪应力峰值τ关系曲线、天然和饱和容重、含水率及级配曲线，最终确定抗剪强度指标见表3。

表2 试样特征粒径、不均匀系数和曲率系数Table 2 Characteristic particle diameter,non-uniformity coefficient and curvature coefficient

从表3可以看出，1号试样内摩擦角最高且天然状态和饱水状态差值最小（相差不到2度），2号试样内摩擦角最低且天然状态和饱水状态差值最大（相差在7度以上）。其原因在于1号试样块碎石含量最多，细颗粒含量最低；2号试样块碎石含量最少，细颗粒含量最高。

3.2 真三轴剪切试验成果

分别对4号（块碎石层⑤3）、5号（块碎石夹粉质粘土层⑥）和6号（碎块石层⑦）试样进行天然、饱水两种状态下的抗剪强度指标测定。

根据三轴剪切试验测得的数据，整理并绘制主应力差与轴向应变关系曲线。图2为4号试样饱水主应力差-轴向应变曲线（其余曲线相似），应力应变关系曲线表现为应变硬化型曲线，未发生应变软化。在轴向应变达12%之前，主应力差值迅速增加；当轴向应变大于12%后，主应力差值略有增加，试样应变硬化的速率减小。

表3 天然和饱水状态下抗剪强度指标Table 3 Shear strength index in natural state and water-saturated state

图2 4号饱水主应力差-轴向应变曲线Fig.2 Graph of the principal stress difference and axial strain under water-saturated state

从应力应变关系曲线可以看出，应力应变关系曲线并不十分光滑，而是在局部出现波动，但总体发展趋势明显，这是因为块碎石土体中块碎石含量较多，颗粒间以点接触为主，在剪切过程中，接触点处出现应力集中，局部应力超过块碎石土体颗粒接触强度，产生了尖点破碎，引起了应力与应变的波动，随后在压力作用下颗粒发生重新排列、定向，达到一个新的平衡状态，在宏观上表现为应变继续发展。

综合分析主应力差与轴向应变关系曲线、固结不排水剪强度包线、天然和饱和容重、含水率和级配曲线，得出天然和饱水状态下的抗剪强度指标见表4。从表4可知，天然状态下6号试样内摩擦角最大，5号试样内摩擦角最小。其原因在于6号试样块碎石含量多，而土的含量少；相反，5号试样块碎石含量略少，而土的含量略多。另外，在饱水状态下，4号、5号和6号试样抗剪强度指标均有不同程度的降低，主要是由于试样中土的含量不同，导致内摩擦角不同程度的降低。

3.3 经验公式

在工程地质调查过程中，经常遇到大量的滑坡、崩塌等复杂成因的第四系松散崩坡积体。这些松散崩坡积体以碎石或碎块石夹土组成，碎、砾石的含量一般在30%～70%之间。这类土的力学性质介于土体与堆石体之间。由于夹杂着大小不等的碎块石，用常规的小试件进行试验已经不可能，需要做现场大剪试验或室内大剪试验，但要花费大量的资金和精力，针对该问题，有学者通过试验，提出了碎石土抗剪强度的计算方法。

时卫民、郑宏录等人在研究三峡库区碎石土抗剪强度指标试验的过程中，根据抗剪强度与细粒含水量及碎石含量的变化关系，以细粒的液性指数和碎石含量为指标，提出了碎石土抗剪强度的实用计算公式。在碎石土抗剪强度指标的确定上，具有较高的参考价值。

表4 天然和饱水状态下抗剪强度指标Table 4 Shear strength index in natural state and water-saturated state

式中：CC、ϕC——纯土时的粘聚力和内摩擦角；

KC、Kϕ——分别为含石量对粘聚力和内摩擦角的影响系数，按表5取值；

P5——粒径大于5 mm的颗粒含量，以小数计；

A——临界含石量，按表5取值。

表5 含石量对强度参数的影响系数Table 5 Influence coefficient of the stone content to strength parameter

表中：KC、Kϕ——分别为含石量对粘聚力和内摩擦角的影响系数；

IL——细粒土的液性指数。

式（1）、（2）中含有纯土的强度参数，因此，只要按常规试验，测定碎石土中细粒土的强度参数和液性指数，就可以推算出不同含石量下的强度参数。

运用上述碎石土抗剪强度的经验公式，针对左岸崩坡积体，结合常规试验碎石土中细粒土的强度参数、液性指数及粒度分析曲线，分组估算其抗剪强度指标（见表6）。

计算结果表明，碎石土的抗剪强度指标随着含石量的增加，内摩擦角增大，而粘聚力减小。也就是说混合土由“土”性转化为“石”性。

碎石土的抗剪强度指标随着液性指数的增大，内摩擦角减小，而粘聚力增大。内摩擦角减小可以从两方面解释，一方面由于液性指数增加，土粒变得很软，这些泥粘在粗粒的表面，降低了颗粒间的摩阻力，从而降低了摩擦角。另一方面由于液性指数的增加，某些硬结的粗粒被软化，变成了软泥，间接减少了粗粒的含量，引起内摩擦角的降低。