降雨作用下欢喜坡冰水堆积体角砾土强度特性

祁 昊，冯文凯，陈建峰，白慧林，周 强，曾琇舒

( 1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；3. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092 )



降雨作用下欢喜坡冰水堆积体角砾土强度特性

祁 昊1,2，冯文凯2，陈建峰1,3，白慧林2，周 强2，曾琇舒2

( 1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；3. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092 )

为探究降雨作用下欢喜坡冰水堆积体角砾土的强度变化规律，进行了天然和4种不同降雨历时条件下的角砾土现场剪切试验，并结合土水特征曲线探讨了该类特殊土体的非饱和强度特性。降雨作用对欢喜坡冰水堆积体角砾土的抗剪强度有着显著的影响，其近似饱和时的黏聚力和内摩擦角比天然含水率情况分别降低64.3%和22.5%；降雨入渗使角砾土基质吸力迅速降低，因此在短时强降雨条件下会导致角砾土抗剪强度丧失过大，容易诱发浅层土体滑坡；建立了欢喜坡冰水堆积体角砾土非饱和黏聚力与含水率参数χ(w)的关系式，实际应用时可采用多项式函数来确定χ(w)。

冰水堆积体角砾土；降雨；现场剪切试验；非饱和土；强度

冰水堆积体指形成于第四纪中更新世及晚更新世，由冰川融化后形成的冰水对冰川携带的碎屑物质进行搬运堆积而成的产物[1]，是由作为骨料的碎石、块石或角砾和作为充填成分的黏土、砂土等组成的一种特殊岩土体，具有沉积演化过程特殊、物质成分复杂、结构特征极其不规则、地域性等特性。随着国内尤其是西部山区重大工程建设的迅速开展，实际工程中遇到的冰水堆积体问题越来越多。冰水堆积体的存在会给工程建设带来极大的影响，如对坝体、库岸边坡及隧道进口边坡、输气输油管线的稳定等极为不利，经常引起滑坡、崩塌，泥石流等地质灾害[2]。

目前关于冰水堆积体的研究主要集中在其天然和饱和状态的物理力学特性及工程运用上，如张永双等[3]、谢春庆[4]在冰水堆积物成因、物质组分、结构特征、物理力学性质及水文地质和工程地质问题等方面作了深入研究；涂国祥等[5]利用室内大型常规三轴试验对大渡河某巨型冰水堆积体变形和强度特性进行了研究；冯俊德等[6]采用原状与重塑试样探讨了冰碛物的结构强度及含水率对其的影响；王献礼等[7]、吕士展等[8]从细观角度对冰碛土的内部结构及强度特性进行了研究；Feng等[9]采用粗粒土三轴剪切仪对岷江上游干热河谷区冰水堆积体的工程特性随气候变化规律进行了分析。以上研究多采用室内手段，而现场试验则相对缺乏。另外，冰水堆积体受降雨影响大，但鲜见降雨对其力学特性的影响的报道。因此，很有必要开展降雨作用下冰水堆积体的现场试验研究。

本文以岷江上游干暖河谷区欢喜坡冰水堆积体角砾土为例，通过人工模拟降雨，进行了不同降雨历时条件下的角砾土现场剪切试验，并结合土水特征曲线探讨了该类特殊土体的非饱和强度特性。

1 试验场地

试验场地所在的欢喜坡堆积区位于四川省理县薛城镇欢喜村，杂谷脑河左岸，堆积区海拔高程1 580～1 850 m，总体积约1.74×104m3。勘察资料表明，堆积区内的冰水堆积物总体由角砾土构成，含少量碎石。试验场地内以角砾土为主，总体呈褐色，干燥，密实，胶结较好。角砾成分为千枚岩及少量变质砂岩，磨圆度较差，呈次棱角状，其粒径最大2 cm，一般为2～10 mm，含量在40%左右。

为了确保试验的科学、可靠，在场地选取时，需保证不同试验点的物质组成、颗粒级配及结构的相似性。基于此，选取欢喜坡堆积体上一处较大平台(高程1 710 m，面积约80 m2)，在其上开挖6个相邻的长3.5 m，宽3 m，深0.15 m的试坑，作为试验场地(图1)，试坑编号分别为H- 1～H- 6。

图1 试验场地位置图Fig.1 Location of testing site

2 现场剪切试验

2.1 人工模拟降雨

现场试验采用人工模拟降雨装置(图2)控制土体含水率变化，该装置主要由F1- 3202型水泵、电子数显流量计、控制阀、水管(16PE管)、管接头、旋转喷头、支架等组成，其工作原理与SR型人工模拟降雨装置[10]类似。经调试，该装置的降雨强度调节范围、降雨均匀性系数、雨滴中数直径、雨滴落地的终点速度等参数均满足人工模拟降雨装置的设计和工作要求[11]。

图2 人工模拟降雨装置示意图Fig.2 Diagram showing the artificial rainfall device

据监测资料，岷江上游干暖河谷内最大日降水量、时降雨量、10 min降水量分别为55.9 mm，22.3 mm和 18.1 mm。考虑到干暖河谷短时特大暴雨的极端气候和水泵正常工作的最小额定功率，试验采用“短历时、大雨强”的降雨模式，控制降雨强度为50 mm/h，于H- 6号试坑内进行试验，以获取土体含水率随降雨历时变化规律。试验开始前，在试坑内埋设3个485型土壤水分传感器，传感器埋深为坑底下10 cm，间距为1 m，隔5 min采集1次数据。监测开始自2016年4月8日上午10点17分，终止于下午13点17分，降雨历时共计3 h。

图3为角砾土含水率与降雨历时关系曲线，由图3可见，降雨入渗导致土体含水率逐渐增大。同一试坑内，不同测点的监测曲线符合情况较好，说明降雨较为均匀。降雨进行至13点07分时，坑底已出现局部积水，且土壤水分传感器终端实时曲线也显示，土体含水率趋于平稳，可近似认为降雨约3 h后，即累计降雨量达150 mm时，土体达到饱和状态。

图3 土体含水率与降雨历时关系曲线Fig.3 Relationship between the soil water content and rainfall duration

在H- 1，H- 2，H- 3，H- 4号试坑内分别降雨1，2，2.5和3 h；H- 5号试坑内不进行降雨，对应土体处于天然状态，从而获得5种不同的含水率条件。

2.2 试验方法及过程

降雨结束后，立即对试验土体进行取样和现场抗剪强度测试。试验采用XJ- 2型携带式岩土多功能剪切仪，其规格为长15 cm，宽15 cm，高20 cm。在每个试坑内制备3个土样，规格为15 cm×15 cm×22 cm(加压过程中，试样高度会下降；同时需预留1 cm剪切缝)。试验过程可概括为：①制样→②剪切仪安装、调试→③垂向加载控制→④剪切加载控制→⑤剪切、读数、记录→⑥拆卸设备、描述。试验采用推剪法，分别控制法向荷载为50，100和150 kPa，剪应力按0.1 kPa逐级施加，每30 s施加一级，当水平压力表值不再上升甚至有所下降，或上剪切盒滑移2 cm时停止试验。现场剪切结束后，在部分试坑的剪切样采集区域附近取土，进行颗分试验。

土体含水率通过土壤水分传感器确定，具体做法为：对于同一试坑内的3个土样，待每次剪切完成后，将土壤水分传感器插入土样剪断面，量测含水率的值，并求取3次量测结果的平均值，作为该试坑内土体的含水率。5个试坑内土体含水率分别为5.6%(天然状态)，10.3%，14.7%，21.5%和26.4%(近似饱和状态)。

2.3 试验结果及分析

图4为现场土样的颗粒级配曲线，“H1- 1” 表示H- 1号试坑内采集的第1个剪切样附近的土体，其余以此类推。由图4可知，总体而言，试验场地内不同取样点土体的颗粒级配具有相似性。

图4 角砾土颗粒级配曲线Fig.4 Grading curve of the breccia soil

图5为根据试验结果得到的天然情况下5.6%含水率和降雨2 h后14.7%含水率时的试样剪切过程剪应力—剪切位移曲线。由图5可见，天然情况下冰水堆积体角砾土在剪切过程中，其剪应力与剪切位移呈典型的非线性关系，法向荷载越大，曲线越陡，其剪应力随剪切位移增加而增加，但其增幅随着剪切的进行而有所减小。与天然情况下相比，降雨溶浸后土样在剪切初始阶段曲线相对较为平缓，其余特征与前者类似。两种含水率情况下，随着剪切位移的增大，土体均表现出明显的弱应变硬化特性。

图5 角砾土剪应力- 剪切位移关系曲线Fig.5 Stress- strain curves of the breccia soil

现场试验的特点决定了其无法像室内试验一样确保每个剪切样的基本性质近乎完全相同，然而，本文土体颗粒级配和应力应变关系的相似性保证了不同剪切样中含水率变化成为影响土体抗剪强度的关键因素，其确保了本次现场试验的科学性。

表1为各降雨历时对应的角砾土抗剪强度，由于现场试验为快剪试验，因此获得的抗剪强度为总应力强度，抗剪强度指标为表观黏聚力和表观内摩擦角，都隐含了基质吸力的影响[12]。由表1可知，26.4%含水率时角砾土的抗剪强度较5.6%天然含水率时的强度降低40.1%～50.5%。

表1 不同降雨历时下土体强度指标

图6为根据表1数据绘制的角砾土黏聚力和内摩擦角与含水率关系曲线，可以获得以下拟合公式：

C=0.034w2-2.668 5w+64.139

(1)

φ=-0.2196w+30.878

(2)

图6 角砾土强度指标与含水率关系曲线Fig.6 Relationship between the strength index and water content

图6a显示角砾土黏聚力与含水率呈二次函数关系，其随含水率的增大在前期显著降低，而后降低速率变缓，26.4%含水率时的黏聚力较5.6%天然含水率时降低64.3%。图6b显示角砾土内摩擦角与含水率呈较好的负线性关系，26.4%含水率时的内摩擦角较5.6%天然含水率时降低22.5%。但角砾土在含水率达到26.4%时已近似饱和，因此黏聚力和内摩擦角在该含水率时也应达到最小值。

一些研究也揭示了冰水堆积体角砾土及相似土体的强度和含水量(或饱和度)之间的关系。如曾琳洁[13]、李骅锦等[14]通过室内试验探讨了不同饱和度对理县小岐村冰碛物角砾土的抗剪强度的影响，发现角砾土的黏聚力和内摩擦角随饱和度的增大而明显减小，二者与饱和度呈指数关系。黄家华等[15]对桃坪冰水堆积体角砾土进行了天然和浸水条件下的原位大剪试验，发现原状试样具有较强的结构强度，浸水后，其黏聚力和内摩擦角出现明显降低。

3 土水特征曲线及非饱和强度参数

3.1 土水特征曲线

试验采用TEN- 60型张力计测定野外真实环境下自然脱湿过程中冰水堆积体角砾土基质吸力的值。将其用蒸馏水饱水24 h后携带至野外，待H- 4号试坑内降雨完毕后，将张力计陶土头插入预先挖好的孔中，为保证其与周围土接触良好，将陶土头裹上少许泥浆，使陶土管与土壤紧密接触，然后将周围填土轻轻捣实。张力计埋置深度为坑底下10 cm，于其侧相同深度埋置土壤水分传感器，以实时采集土体含水率信息。根据现场实际经验，降雨试验结束约1 h后，张力计仪表读数趋于稳定，此时可进行数据采集。

图7为根据张力计实测基质吸力值和其对应的土体含水率绘制的角砾土土水特征曲线，由图7可以获得土水特征曲线拟合公式：

w=26.709-1.943ln(S+0.449)

(3)

式中：S——基质吸力/kPa。

图7 角砾土土水特征曲线Fig.7 Soil- water characteristic curve of the breccia soil

天然状态时，土体含水率为 5.6%，对应基质吸力约为 52 260 kPa；当累计降雨量达150 mm后，土体含水率为 26.4%，土体近似饱和，其基质吸力降为0，抗剪强度减小幅度超过40%。对于欢喜坡冰水堆积体而言，短时强降雨条件下，当雨水入渗使角砾土饱和时，基质吸力的大幅减小导致其抗剪强度丧失过大，容易诱发浅层土体滑坡，其宏观表现为堆积体上广泛存在的拉裂变形和串珠状塌陷等变形破坏迹象(图8)。

图8 浅层坡体变形破坏Fig.8 Deformation and failure of the shallow slope

3.2 非饱和强度参数

冰水堆积体角砾土作为一种特殊的非饱和土，其强度公式不能简单地由饱和土强度理论推广得出，必须建立符合其非饱和特性的强度公式。截至目前，国内外部分学者根据研究提出了各自的非饱和土强度理论公式，其中最具代表性的两类分别是Bishop抗剪强度公式和Fredlund双变量抗剪强度公式[16～20]。根据Bishop公式，非饱和土黏聚力C可表示为：

C=C′+χ(ua-uw)tanφ′

(4)

式中：C′——饱和土黏聚力；χ——与含水率有关的参数； (ua-uw)——基质吸力，常用S替代，其值可通过土水特征曲线拟合公式确定；

φ′——饱和土内摩擦角。

Bishop公式形式较为简单，利于推广，但也存在着参数χ量化困难的问题。然而，由于χ与含水率直接相关，且土水特征曲线拟合公式已知，故非饱和土黏聚力可表示为以含水率为唯一自变量的函数关系式：

C=C′+χ(w)Stanφ′

(5)

为了确定χ(w)的函数表达式，分别利用指数函数(式 (6))、傅里叶级数(式 (7))、多项式函数(式 (8))对其进行拟合分析。具体做法为：将式(6)、式(7)、式(8)分别代入式(5)中，经拟合得到未知参数的值，进而确定函数表达式。各式中参数的值见表2。

(6)

χ(w)=w[a1+b1cos(αw)+c1sin(αw)]

(7)

χ(w)=a2w3+b2w2+c2w+d

(8)

表2 表达式中参数的值

将量化后的χ(w)函数表达式再次分别代入式(5)，计算得到非饱和土黏聚力，结果见表3。

表3 黏聚力计算结果汇总

计算结果与试验结果的相关程度可用皮尔逊相关系数来表示，该系数的值介于-1与 1之间，常用r表示，r的绝对值越大，表明两组变量间的相关性越强，通常定义0.8

图9为根据表 3数据绘制的试验结果与算结果对比图，由图9可知，采用式(8)计算结果与试验结果近似一致，其拟合公式如式(9)所示。实际应用时，可采用该多项式函数来确定欢喜坡角砾土的χ(w)。

χ(w)=2.700×10-5w3-0.006w2+0.044w-0.108

(9)

图9 试验结果与计算结果对比图Fig.9 Comparison between the experimental results and calculated results

4 结论

(1)降雨作用对欢喜坡冰水堆积体角砾土的抗剪强度有着显著的影响。近似饱和时的黏聚力和内摩擦角比天然含水率情况分别降低64.3%和22.5%。

(2)降雨入渗使角砾土基质吸力迅速降低，当累计降雨量达150 mm时，其基质吸力降为0，抗剪强度减小幅度超过40%。对于欢喜坡冰水堆积体而言，短时强降雨条件下，角砾土基质吸力的大幅减小会导致其抗剪强度丧失过大，容易诱发浅层土体滑坡，其宏观表现为堆积体上广泛分布的拉裂变形和串珠状塌陷等变形破坏迹象。

(3)结合土水特征曲线拟合公式建立了欢喜坡冰水堆积体角砾土非饱和黏聚力与含水率参数χ(w)的关系式，实际应用时可采用多项式函数来确定欢喜坡角砾土的χ(w)。

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责任编辑：张明霞

Strength characteristics of the breccia soil in the Huanxipo outwash deposit under rainfall

QI Hao1,2, FENG Wenkai2, CHEN Jianfeng1,3, BAI Huilin2, ZHOU Qiang2, ZENG Xiushu2

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.StateKeyLaboratoryofGeo-HazardPreventionandGeo-EnvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 3.KeylaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

In order to investigate the variation in strength of the breccia soil in the Huanxipo outwash deposit under the action of rainfall, in- situ shear tests of the breccia soil are conducted under the natural condition and under four different rainfall duration conditions. The unsaturated strength characteristics of this special soil are discussed by combining the soil water characteristic curve. Rainfall has a significant effect on the shear strength of the breccia soil in the Huanxipo outwash deposit. When it is approximately saturated, the cohesion and internal friction angle are 64.3% and 22.5% respectively lower those in the case of natural water content. The infiltration of rainfall rapidly reduces the matric suction of the breccia soil, and the heavy rainfall in a short time will lead to too much loss of the shear strength of the soil, which is liable to induce the landslide of the shallow soil. The equation of the relationship between the unsaturated cohesion and the water content parameterχ(w)ofthebrecciasoilintheHuanxipooutwashdepositisestablished.Inpractice,thepolynomialfunctioncanbeusedtodeterminetheparameterχ(w).

breccia soil in outwash deposits; rainfall; in- situ shear test; unsaturated soil; shear strength

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.12

2016- 12- 04;

2017- 02- 13

国家自然科学基金项目资助(41572291)

祁昊(1994- )，男，硕士研究生，主要从事岩土加固与测试工作。E- mail：1393601984@qq.com

冯文凯(1974- )，男，教授，博士生导师，主要从事区域稳定及与岩体稳定以及地质灾害评价与防治教学与研究工作。 E- mail：fwkhyl@163.com

TU413.1

A

1000- 3665(2017)04- 0078- 07