三峡库区巴东组岩-土接触面抗剪强度特性研究

安 琪，滕伟福,2，李伟忠

三峡库区巴东组岩-土接触面抗剪强度特性研究

安 琪1，滕伟福1,2，李伟忠1

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质

灾害研究中心，湖北 武汉 430074)

岩-土接触面；大型直剪试验；内聚力；内摩擦角；三峡库区巴东组

土与结构接触面的力学特性研究是解决土与结构物相互作用问题的前提。20世纪60年代以来，有关研究者就开始了土与结构接触面力学行为的探索工作，在试验研究、理论研究和计算方法等方面都取得了一定的进展[1-3]。然而，在荷载作用下，土与结构接触面发生既不同于土、又不同于结构材料的力学响应，涉及非线性、大变形、局部不连续等力学前沿问题，使得接触面研究具有极大的难度。随着近年来大型工业与民用建筑建设的兴起以及西部开发的进行，出现了越来越多的土与结构物相互作用的问题。

三峡库区巴东组内部物质组成十分复杂，发育有多龄期、多层次的软弱带，巴东县、巫山县和奉节县成为地质灾害的重灾区。三峡库区巴东县及其附近区域坐落在沿江分布的岸坡上，坡度一般在25°左右，构造线大体与长江走向平行，谷坡的有效应力巨大，区内分布大量古滑坡，沿江一带顺向岸坡内大量发育有三叠系巴东组软弱带[4-6]，蓄水迁址后形成的高切坡、人工堆积体以及原本就存在的基岩质滑坡(如赵树岭滑坡)中存在着数量巨多的岩-土接触面，这类接触面的力学特性极其复杂，加之本地区广泛存在的碎石土缺乏有效的固结，在暴雨及人工活动等工况下，这类岩-土接触面很容易发生剪切破坏，产生次级地质灾害[7-9]。

为了研究巴东地区的岩-土接触面的抗剪强度特性，本文在分析该地区岩-土接触面特性的基础上，通过采集该地区合适的碎石土样和岩石样本，并利用天水红山研制生产的大型直剪仪[10-13]进行了直接剪切试验，研究了三峡库区巴东组岩-土接触面抗剪强度特性，考察了其抗剪强度曲线的应变规律和抗剪强度指标的影响因素。

1 巴东地区岩土性质

巴东地区主要出露的地层为三叠系中统巴东组(T2b)和第四系，该地层为一海陆交互相碎屑岩建造，间有碳酸盐岩沉积，与嘉陵江组呈整合接触[14-16]。其主要岩性特征为：三叠系下统嘉陵江组(T1j)为灰色薄至中厚层灰岩、白云质灰岩；三叠系中统巴东组(T2b)为碎屑岩岩组与碳酸盐岩岩组相间分布，第一、三段以灰色、浅灰色灰岩、泥灰岩为主，岩性较坚硬，第二、四段为紫红色泥岩夹粉细砂岩，岩性较软；第四系松散堆积物广泛分布于各坡体表面，稳定斜坡地段岩性主要为碎石土、块石土及零星分布的碎裂岩，厚度5～60 m不等，成因类型主要有崩滑堆积、残坡积-崩坡积堆积、滑坡堆积等。巴东地区基岩和第四系堆积物的岩性见表1和表2。

表1 巴东地区基岩的岩性

表2 巴东地区第四系堆积物的岩性

2 岩-土接触面大型直剪试验

2.1 试验仪器

本试验所用的仪器为甘肃天水红山仪器制造厂研制生产的微机控制电液伺服1 000 kN大型直剪仪，其主要结构如图1所示。

图1 大型直剪仪主要结构Fig.1 Main structure of large direct shear apparatus

该大型直剪仪主要由承载机架、剪切盒、垂直加载系统、水平加载系统、液压系统、计算机控制和数据采集系统等组成稀泥，可以同时对将近0.1 m3的碎石土样进行剪切试验，并可以进行双向剪切，最大剪切力可达到1 000 kN(4 MPa)，最大剪切位移可达到140 mm，最大允许粒径可达到60 mm，且剪切面积大，弱化了试验的尺寸效应，测定的土样强度值更接近真实数据。

2.2 试样制备

本试验碎石土样取自三峡库区巴东县三中滑坡中的滑体，该取样地点第四系主要以冲积、洪积、泥石流堆积及崩滑堆积的形式分布在河谷冲沟及两侧坡脚。巴东三中校址内的滑坡是发育在古泥石流堆积体上的滑坡，滑带以上滑体可以划分出上、下两层：上层分布在滑坡表层6～8 m深度范围内，为灰黄-浅紫红色块石、碎块石土；下层为紫红色碎块石土，其中碎块石以紫红色泥岩、泥质粉砂岩为主，偶含浅灰色长石石英砂岩。滑体土质部分为紫红色黏土-粉质黏土,可塑，中等偏密实，碎石含量约40%，这部分滑体成因可能是基岩面上的残坡积层，其在滑坡的中前部下层较薄，滑面接近基岩面。本次试验所用土样采取的就是这部分靠近基岩面的残坡积土，详见图2。

图2 试验土样Fig.2 Clay in the test

因为大型直剪仪有最大粒径限制，要求土的最大粒径不得大于60 mm，因此制样时将此粒径以上的碎石进行了剔除处理，剪切试验前土样的级配曲线见图3。

图3 土样的级配曲线Fig.3 Grading curves of the soil samples

本试验岩石样本取自三峡库区巴东县黄土坡后沿6 km处的简易公路，通过该简易公路挖方的断面可以采集巴东组第一段至第三段的岩石样本。由于取样条件的限制，本次试验主要采集的是破碎基岩，因此需将碎裂岩石进行大规模拼接，并且使用浇灌技术将碎裂岩石制成试验所需要的岩石样本，制备的岩石样本表面见图4。

图4 岩石样本表面图Fig.4 Surface of the rock samples

2.3 试验方法

装样完成后，调整试验系统油压为10 MPa、压力为50 kN、加载速度为0.2 kN/s，开始对整个试样进行加压固结；待固结完毕后，先卸去竖向荷载，在软件中对水平位移进行调整，使两个水平液压端与剪切盒保持弱接触状态，并添加稳定竖向荷载，分别为100 kPa、200 kPa和300 kPa，水平向采用位移控制，剪切速度为2 mm/s，然后开始对试样进行双向剪切，根据剪切曲线的变化，达到峰值或者达到最大剪程时停止试验。

3 试验结果及分析

3.1 岩-土接触面剪切应力-剪切位移的关系曲线

试验研究结果表明，岩-土接触面的τ-σ关系曲线分为应变硬化型和应变软化型，为此从本次试验数据中选取岩-土接触面两个比较典型的τ-σ关系曲线进行了分析。

图5 岩-土接触面典型的τ-σ关系曲线Fig.5 Typical relationship curves of τ-σ of the rock-soil interface

由图5可见，岩-土接触面典型的τ-σ关系曲线可分为以下阶段：

(1) 弹性阶段：剪切面附近土体受到垂直压力和水平推力的作用，剪切面上颗粒开始重新排列，小颗粒被挤压进碎石土的空隙中，慢慢地充填紧密，随着充填的不断进行，土和岩石慢慢形成一个整体，切断这个整体所需要的剪切应力也慢慢增强，这个阶段剪切应力和剪切位移的增长是成比例的，时间也很短。切线段末端的剪切应力和剪切位移称之为弹性剪切应力极值。

(2) 弹塑性阶段:在该过程中,剪切面剪切应力己经超过了岩-土界面的抗剪能力，土和岩石完全充填后形成一个整体的碎石土体，颗粒间存在的咬合力使得上部部分土体参与到剪切运动中，下部岩石裂缝也和土体充分黏合，剪切过程中在剪切面附近形成了滑动区。随着剪切的进行，岩石和土的抵抗能力充分发挥，此时对应的剪切应力称之为极限剪切应力，该值等于比例极限值和岩-土抗剪咬合力值的和。

(3) 应变(软)硬化阶段:当剪切位移超过极限值后，原有土体的整体性能已经发挥到了极致，随着位移的不断增大，剪切区的土体会改变自身形态来抵抗剪切，碎石土体由于挤压和推动滑移，发生转动甚至剪裂，此时剪切面土体遭到了破坏，其原本的抵抗剪切的力因此减少。当含石量较低时，出现了剪切应力下降，即τ-σ关系曲线为应变软化型曲线[见图5(a)]；但是当含石量较高时，土体结构被破坏，残留在土中的碎石粗颗粒会和剩下的碎石以及下伏基岩发生比较激烈的摩擦甚至卡在岩石裂缝中，其所产生的滑动阻力比土体间的摩擦力要大得多，所以表现为τ-σ关系曲线为应变硬化型曲线[见图5(b)]，该曲线一直到剪切末端才会出现明显的峰值。

(4) 残强阶段：原结构被破坏后，整个剪切面附近没有多余的阻力，主要由剩余的碎石与基岩发生摩擦，在τ-σ关系曲线上表现为末端数值很稳定的延续，具有收敛的特性。

3.2 碎石土中碎石含量与抗剪强度指标的关系

根据试验分组要求，在完成27个试样后可以得到9个由不同控制变量控制下的碎石土的抗剪强度指标(c、φ值)随碎石含量的变化曲线，详见图6和图7。

图6 碎石土的内聚力c随碎石含量的变化曲线Fig.6 Variation curves of cohesive force c of the grave soil with the gravel content 注：B1表示基岩为b层;B2表示基岩为b层; B3表示基岩为b层

图7 碎石土的内摩擦角φ随碎石含量的变化曲线Fig.7 Variation curves of internal friction angle φ of the grave soil with the gravel content 注：B1表示基岩为b层;B2表示基岩为b层; B3表示基岩为b层

由图6可见，碎石土的内聚力c随碎石含量的增加呈现先递增后递减的趋势，这种现象主要是由土体的密实度和细粒含量以及接触面积的相互变化所引起的，具体分析如下：

(1) 当粗颗粒含量从0%逐渐增加至40%时，在剪切过程中，粗颗粒含量的提高，导致了土体密度的增加，而密度的提高会直接提高碎石土的内聚力，同时由于粗颗粒的存在，细颗粒与粗颗粒不断地黏结，内部嵌合的能力越来越强，导致土体的整体性非常好，需要破坏这个整体需要很大的剪切力，出现了碎石土内聚力上升的趋势。

(2) 当粗、细颗粒比例较合理时，由于压密作用，细颗粒和粗颗粒形成了一个良好的整体，已经成型的土样，颗粒间交叉在一起，当土体密度达到稳定值时土体颗粒内部相互嵌合非常紧密，剪切时，不但要克服颗粒间、颗粒与结构间的滑动摩擦阻力，同时还要克服这一部分嵌合力，所以处于碎石含量40%时碎石土的内聚力最大。

(3) 当粗颗粒所占比例比细颗粒多得多时，细粒急剧减少后，土体密度的增加所带来的土体内聚力大幅减少，而粗骨料与岩板的接触面积有限，剪切过程中造成的动摩擦力以及碎石被阻滞所带来的作用力都不足以抵消由细颗粒减少所造成的内聚力损失，所以出现了碎石土内聚力下降的趋势。

由图7可见，碎石土的内摩擦角随着碎石含量的增加出现了先增加后减少然后再增加的趋势，这种现象与试验所用土处于塑性状态有关，具体分析如下：

(1) 当碎石含量从0%逐渐增加至20%时，碎石土的内摩擦角处于增加状态，加入的碎石能有效地改善土的各种性状，使得整个土体呈现土石混合体的复杂状态。

(2) 当碎石含量从20%逐渐增加到50%时，由于土和石结合得比较好，也区分不出土和岩石，要发挥效用，碎石和土必须形成骨架，形成骨架后碎石土表现出土和岩石的双重特性，整体移动时土将碎石包裹得比较好，剪切时整体性很强，表现为碎石土的内摩擦角降低。

(3) 当碎石含量处于50%～100%时，粗颗粒的增加导致土体单位密度增大，粗颗粒间的摩擦力和挤压镶嵌作用随着碎石含量上升逐渐加强，土体抗剪强度得到大幅度的提高，且随着粗颗粒的增加，土体之间的内聚力减少，粗颗粒在剪切时起到骨架作用，没有细颗粒的润滑作用，粗颗粒间的挤压摩擦作用不断增强，这部分作用对碎石土内摩擦角的影响程度远远大过细颗粒流失的影响。

3.3 岩样地质代表性与抗剪强度指标的关系

本试验岩石样本分别取自巴东组基岩的三个典型亚层，这三个亚层中尤其是第二段红层的存在使得巴东县周边区域成为三峡库区库岸失稳的重灾区。通过碎石土与这几种基岩的大型直剪试验，可以得到巴东地区无黏性碎石土和基岩接触面的抗剪强度指标与下伏基岩类型的关系曲线，详见图8和图9。

图8 巴东组岩-土接触面内聚力c与下伏基岩的 关系曲线Fig.8 Relationship between the cohesive force c and the selected rock of the rock-soil interface in Badong formaiton

图9 巴东组岩-土接触面内摩擦角φ与下伏基岩的 变化关系曲线Fig.9 Variation relationship between the internal friction angle φ and the selected rock of the rock-soil interface in Badong formation

4 结 论

(1) 巴东组碎石土-基岩接触面τ-σ关系曲线分为应变硬化型和应变软化型，应力硬化型曲线主要出现在碎石含量较高的剪切试验中，原因是当碎石土被完全剪破后，土中碎石剪破土继续和下伏基岩摩擦，提供摩擦阻力，导致应力一直保持在峰值或者不断上升；而应力软化型曲线主要出现在碎石含量较低的剪切试验中，由于土中碎石含量低，剪切时其性状基本与土体剪切类似，碎石土被剪破后会出现应力下降的趋势。

(2) 巴东组碎石土-基岩接触面剪切过程中碎石土中含有的孤石会随着剪切面的起伏发生摩擦、翻滚、平移等物理形态变化，剪切后在剪切面上留下深坑；下伏基岩面本身的不规则性导致碎石土体会沿着剪切面整体爬坡前进，这些都会造成剪胀效应。剪胀效应表现为剪切试验曲线不规则波动，而且压力越大试验曲线波动得越厉害，且颗粒破碎程度越高；同时剪胀效应让上剪切盒中土体出现不均匀沉降，导致剪切试验中正应力的偏移。

(3) 通过综合分析本次剪切试验的结果，认为巴东组碎石土-基岩接触面抗剪强度指标c、φ值与碎石土中碎石含量有关，具体表现为内聚力c随碎石含量的增加呈现先递增后递减的趋势，内摩擦角随碎石含量的增加总体呈现递增的趋势，这种趋势与碎石土本身结构组成以及基岩表面的起伏度密切相关。当碎石土中碎石含量较低时，碎石土主要表现出土的性质，接触面抗剪强度指标c值主要由细粒土决定；当碎石土中碎石含量较高时，碎石土表现出碎石的特性，土充填在碎石土骨架中充当润滑作用，但是接触面剪切强度指标φ值主要由碎石提供；当碎石土中碎石含量恰当时，由于碎石土和基岩接触的复杂性，其抗剪强度指标变化是多变的。

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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

殷坤龙(1963—)，男，教授，博士生导师，主要从事地质灾害预测预报与风险评价方面的研究。E-mail:yinkl@cug.edu.cn

1671-1556(2016)02-0110-07

2015-07-29

2016-03-09

中国地质大学教育部长江三峡库区地质灾害研究中心开放基金项目(TGRC201401)

安 琪(1992—)，女，硕士研究生，主要研究方向为地质灾害防治与治理。E-mail:944855824@qq.com

X93；TV223

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.021

滕伟福(1963—)，男，副教授，主要从事岩土体稳定性、地质灾害防治与治理研究。E-mail:tengwf@tom.com