土石混合介质堆积体力学特性试验研究

杨继红， 齐丹， 郑珠光， 李严威， 王闯

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)



土石混合介质堆积体力学特性试验研究

杨继红， 齐丹， 郑珠光， 李严威， 王闯

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

由于堆积体边坡物质组成和结构的复杂多变性，其变形和稳定性成为工程建设中极为关注和亟待解决的问题之一。以三峡库区一典型堆积体边坡为例，根据现场调查和取样结果，通过室内大型直剪试验，研究不同含水率、含石量以及密实度情况下堆积体抗剪强度的变化规律。试验结果表明：细粒土含量越多，含水率对土石混合堆积体强度的影响越明显；当含石量在70%以上时，抗剪强度有急剧增大的趋势，堆积体试样的强度随密实度的增大而增大。研究结果不仅为堆积体变形和稳定分析提供基础资料，也为类似工程建设中遇到的堆积体边坡问题提供一定的参考。

土石混合介质堆积体；抗剪强度；大型直剪试验；密实度；含石量；含水率

土石混合体[1]是一种经受一定地质作用形成的特殊土体，其物质组成是以砾石、块石与砂土、黏土等为主，这种地质材料既不同于一般的均匀土体，又不同于一般的碎裂岩体，而是介于均匀土体和碎裂岩体之间的一种特殊地质工程材料，有其特殊的物质组成和结构特性[2]。在大多数的岩土工程与地质工程领域中经常碰到土石混合堆积体，例如土石坝工程中的砾石土、露天矿的废土石边坡、建筑工程中的碎石土地基等。这些地质体稳定性极差，灾害频发，其治理与减灾也成为尤为关键的问题。据调查，川藏公路沿线八一至然乌段400 km 发育的7个大型滑坡中就有6个是土石混合体滑坡，仅易贡滑坡形成土石混合堆积体的体积就达3亿m3[3-5]。因此，研究土石混合堆积体具有重要的工程价值。

对于天然状态下的土石混合堆积体，含石量、含水率、块石形态和分布都是影响其力学性质的重要因素。目前对土石混合体的宏观研究及力学特性研究也主要集中在含石量[6]、含水率[7]及块石的排列方式这几项影响因素上，而对特定含石量条件下不同含率、不同密实度对堆积体抗剪强度特性影响的研究相对较少。因此，笔者通过室内大型直剪试验对一定含水率条件下不同含石量、特定含石量条件下不同含水率以及不同密实度条件下堆积体的抗剪强度进行研究，深入分析含水率、含石量、密实度等对堆积体抗剪强度的影响规律。

1 大型直剪试验

1.1 试验仪器

试验设备采用成都华东卓越科技有限公司的ZJ50-2G-大型应变控制式直剪仪。该仪器可准确控制剪切速率，通过程序实现对试样进行垂直压力、水平压力的加载，并通过4个竖向位移传感器、1个水平位移传感器实现数据的实时自动采集，可在剪切过程中得到剪应力-水平位移曲线和黏聚力c、内摩擦角φ。

1.2 试验设计与方法

从三峡库区选取一处具有代表性的堆积体边坡，采集室内大型直剪试验所需的试验材料，在非饱和状态下进行不同法向应力(100、200、300 kPa)的室内大型直剪试验。试样的最大粒径为80 mm，将试样分为3组进行直剪试验：①含水率为16%，含石量及密实度不同，具体见表1；②含石量分别为30%、60%、80%，含水率及密实度不同，具体见表2；③含水率为16%，含石量为60%，密实度不同，具体见表3。结合现场调查和测试，配置不同含石量的重塑样，其级配曲线如图1所示。

表1 第1组试样的基本性能指标

表2 第2组试样的基本性能指标

表3 第3组试样的基本性能指标

图1 不同含石量重塑样的粒径分布曲线

试样直径500 mm，高度400 mm，体积0.079 m3，本次试验采用快剪的剪切方式，剪切速率设定为0.8～0.9 mm/min，按照《土工试验规程》(SL 237—1999)，当剪应力有峰值时取峰值；当剪应力无峰值时，水平应变应达到10%～20%，本次试样应变取16%，即水平位移达到80 mm时停止剪切。试验采用的粒径比，即最大允许粒径与试样直径之比dmax/D为0.16。

2 试验结果分析

2.1 含石量对土石混合体抗剪强度的影响

对第1组试样进行直剪试验，土石混合堆积体中不同含石量对试样抗剪强度指标的影响如图2所示，直剪数据结果见表4，将数据结果绘成τ-σ抗剪强度线，如图3所示。不同法向应力下抗剪强度与含石量的关系曲线如图4所示。不同含石量重塑样的对比如图5所示。

图2 含石量对抗剪强度指标的影响变化曲线

含水率/%含石量/%黏聚力/kPa内摩擦角/(°)1030.3236.983032.4838.984040.1141.65165058.5638.156057.1040.447072.1044.308075.8145.51

图3 τ-σ抗剪强度线

图4 不同法向应力下抗剪强度-含石量关系曲线

图5 不同含石量重塑样对比图

由图2可知，随着块石含量的增加，黏聚力和内摩擦角均表现出增大趋势，其中黏聚力增大趋势较为明显，而内摩擦角增大趋势相对不明显。从图5的重塑样对比图可以直观地看出，在含水率相同的条件下，随着含石量的增大，级配中粗颗粒的组成部分不断增加，细颗粒组成部分不断减少，试样内的空隙也就越多，一般颗粒越粗，形状往往越不规则，磨圆与磨光的程度较差，表面越是粗糙，土石颗粒表面的摩擦阻力越大，则土石混合体的抗剪强度也就越大。

由图3—4可以看出：含石量对强度的影响变化可分为3个区间段，当含石量小于30%时，土石混合体的强度呈现增大的趋势；含石量介于40%～60%时，土石混合体的强度并没有呈现逐渐变大的趋势；当含石量大于70%时，再次出现缓慢变大的情况。当含石量小于30%时，细粒土含量较多，块石含量很少，不足以使试样内部产生块石与块石间的较大间隙，因而其宏观强度主要取决于土体，进而表现出土体的特性；当含石量大于70%时，块石含量较多，反而细粒土含量较少，块石与块石直接接触，试样内的空隙较多，宏观强度由块石间的咬合力、摩擦力承担，表现出岩石的特性。

2.2 含水率对土石混合体抗剪强度的影响

对第2组试样进行直剪试验，试验数据见表5，含水率对黏聚力、内摩擦角的影响如图6和图7所示，将数据结果绘成τ-σ抗剪强度线如图8所示。

表5 试样的直剪试验结果

图6 含水率对黏聚力的影响

图7 含水率对内摩擦角的影响

图8 τ-σ抗剪强度线

由图6—8可知：当含石量为30%时，黏聚力的变小趋势最明显，含石量为60%时，黏聚力变小趋势较明显，当含石量为80%时，黏聚力几乎没有变化。因30%含石量的试样内细小黏土粒含量较多，而黏土粒随着含水率的增加，结合水膜也慢慢变厚，土粒之间分子力减弱，从而黏聚力显著变小；当含石量为60%时，细小的黏粒土含量较少，因而随含水率的变化，其对土石混合体黏聚力的影响也较小；当含石量达到80%时，由于细颗粒含量很少，因而随含水率变化，其黏聚力几乎没有变化。随着含水率的增加，土石混合体在含石量为30%、60%时，其抗剪强度都有逐渐减小的趋势，含石量为80%时，抗剪强度几乎没有变化，不再呈现有递增或递减的规律。

因此可以得出：土石混合体中碎块石主要是硬岩，当其含石量低于某一低临界含石量即处于低含石量状态时，随着含石量的降低，含水率对土石混合体黏聚力的影响较为显著，其性质取决于细颗粒特性；当处于中等含石量状态时，随着含石量的降低，含水率对土石混合体黏聚力的影响明显没有低含石量显著，但也呈现逐渐减小的趋势，此时，细颗粒和块石的特性都对土石混合体的性质起重要作用；当其含石量高于某一临界含石量即处于高含石量状态时，含水率对土石混合体黏聚力没有影响，其性质则取决于粗颗粒块石的特性。

2.3 密实度对土石混合体抗剪强度的影响

考虑到堆积体在自然堆积形成的过程中可能处于不同的密实度状态，分别配置了3种不同干密度的重塑样(即第3组试样)：分层自然填制(干密度1.8×103kg/m3)、分层轻微击实(干密度2.0×103kg/m3)、分层击实(干密度2.2×103kg/m3)。

对第3组试样进行直剪试验，结果见表6，将结果绘成τ-σ抗剪强度线，如图9所示。土石混合堆积体的密实度变化对抗剪强度的影响如图10所示。

表6 试样的直剪试验结果

图9 τ-σ抗剪强度线

图10 密实度对抗剪强度指标的影响曲线

由图9—10可以看出，土石混合体的抗剪强度随密实度的增大而变大，其中，黏聚力比内摩擦角增大较明显。随着土石混合体干密度的增大，碎块石间的咬合(连锁)作用变强，即土粒、石粒间的空隙越小，接触越紧密，黏聚力就越大。由此可得，土石混合体的干密度越大，试样的抗剪强度越大。

3 结 语

1)随着块石含量的增加，黏聚力和内摩擦角均表现出增大趋势，其中黏聚力增大趋势较为明显，而内摩擦角增大趋势相对不明显。

2)在含水率为16%的情况下，当含石量小于30%时，土石混合体抗剪强度呈现增大趋势；含石量为40%～60%时，抗剪强度并没有呈现逐渐增大的趋势；当含石量大于70%时，抗剪强度缓慢增大。

3)当含石量小于70%时，随着含水率增大，土石混合体的抗剪强度呈逐渐减小的趋势。对比试验中3种典型含石量情况，当含石量为30%时，黏聚力变小趋势最为明显；含石量为80%时，黏聚力几乎没有变化。对于此次试验中3种典型含石量的试样，含水率对土石混合体的抗剪强度影响由大到小依次为30%、60%、80%。

4)土石混合体的干密度越大，其抗剪强度越大，且黏聚力较内摩擦角增大的趋势更明显。

[1]徐文杰,胡瑞林.土石混合体概念、分类及意义[J].水文地质工程地质,2009,36(4):50-70.

[2]廖秋林,李晓,郝钊,等.土石混合体的研究现状及研究展望[J].工程地质学报,2006,14(6):800-807.

[3]尚彦军,杨志法,廖秋林,等.雅鲁藏布江大拐弯北段地质灾害分布规律及防治对策[J].中国地质灾害与防治学报,2001,12(4):30-40.

[4]SHANG Y J,YANG Z F,LI L H,et al.A super-large landslide in Tibet in 2000:background,occurrence,disaster and origin[J].Geomorphology,2003,544(3-4):225-243.

[5]廖秋林,李晓,董艳辉,等.川藏公路林芝—八宿段地质灾害特征及形成机制初探[J].地质力学学报,2004,10(1):33-39.

[6]王新,丁秀丽.含石量对土石混合体力学特性影响的数值试验[J].水运工程,2010(10):93-99.

[7]刘东艳,夏毓超,侯龙,等.水对库区路基不同密实度碎石土的弱化试验分析[J].土木建筑与环境工程,2013,35 (8):94-100.

(责任编辑：乔翠平)

Experimental Study on Mechanical Properties of Soil-rock Mixture

YANG Jihong, QI Dan, ZHENG Zhuguang, LI Yanwei, WANG Chuang

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Because of the complicated structure and complex of the material composition and structure, the deformation and stability of talus slope is one of the most concerned and urgent solved problems in engineering construction. Taking a typical talus slope in Three Gorges Reservoir Area as an example in this article, based on the field investigation and sampling, the change characteristics of shear strength of soil-rock mixture was investigated under different water content, rock content and the compactness by large-scale direct-shear test in the lab.The results show: the more the content of fine-grained soil, the more obvious the effect of water content on the strength of soil-rock mixture; when the rock content is above 70%, the shear strength increases rapidly, the strength of the samples increases with the increase of the compactness. The research results not only provide basic data for the deformation and stability analysis of soil-rock mixture, but also provide a reference for the problems of talus slope in similar engineering construction.

soil-rock mixture; shear strength; large-scale direct-shear test; compactness; rock content; water content

2015-12-28

国家自然科学基金项目(41102203)；河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目(70593)；水利部公益性行业科研专项经费(201301034)；华北水利水电大学2014年“青年科技创新人才支持计划”项目(70430)。

杨继红(1976—),女,河南郑州人,副教授,博士,硕士生导师,主要从事边坡稳定性分析及失稳机制方面的研究。E-mail:yjh04616@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.010

TV16

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1002-5634(2016)03-0050-04