土石混合体变形破坏的基覆面效应研究

2018-04-11孙永帅胡瑞林

西南交通大学学报 2018年2期

孙永帅,胡瑞林

(1.中国农业大学水利与土木工程学院,北京 100083; 2.中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院页岩气与地质工程重点实验室,北京 100029)

土石混合体滑坡是一种常见且严重的地质灾害,给人类的生命财产带来了重大的威胁.由于土石混合体大多由崩塌堆积体、滑坡体、残坡积物、冲洪积物、泥石流堆积体等形成,堆积体与下覆基岩均以面-面接触为主,与下覆基岩有清晰的分离界面,即为基覆面.基覆面是制约土石混合体斜坡整体稳定性的一个重要因子.因此研究基覆面对土石混合体滑坡的变形破坏过程具有重要意义.

在以往的研究中,文献[1]最早采用直剪型仪器研究不同的土料与不同结构形成接触面的力学特性;文献[2]通过数字滤波拟合的方法,开展了结构面起伏度的定量研究,对结构面的几何特征进行了描述;文献[3]指出,堆积体边坡的稳定性受控于基覆面和内部潜在剪裂面,并以堆积体边坡的空间工程效益为切入点,运用地质工程分析、数值模拟和物理试验等多种手段,提出了堆积体变形失稳的空间特征和控制途径;文献[4]对土石混合体边坡稳定性进行了数值模拟,发现土石混合体边坡的剪切面并非单一滑面,是由多个分叉滑面构成;文献[5]指出斜坡内部滑面随含石量增加而更加曲折,进而提高了斜坡的稳定性;文献[6]基于极限平衡理论,提出了地震荷载作用下加筋土边坡滑裂面确定的水平条分法,研究结果表明,边坡坡角越大,水平条分法与现有方法获得的边坡潜在滑裂面越接近;文献[7]利用芦山地震触发滑坡数据,对芦山地震触发滑坡的优势方向的控制因素进行了研究,对比分析了滑坡数的优势方向与研究区自然坡体的优势坡向;文献[8]通过建渣土工袋挡土墙室内模型试验,对坡体的破坏模式进行了研究,结果表明,建渣土工袋挡土墙后土体的滑裂面从圆弧形向折线形变化,滑裂面前缘高度均位于距墙底1/3～1/2高度处;文献[9-10]利用接触面三维试验设备(CCDSSI)进行了砂和钢板的接触面力学特性研究,结果表明接触面的最大启动摩擦因数与应力路径无关,在循环荷载作用下,接触面强度随循环次数的增加有所降低;文献[11]通过直剪和单剪两种类型的黏性土与钢板的接触面试验,提出存在一个临界粗糙度,钢板粗糙度小于临界粗糙度时,接触面强度较黏土低,当大于临界粗糙度时,在黏土中发生破坏,强度等于黏土的强度;文献[12]开展一系列不同的含水率、含石量及剪切速率的室内大型直剪试验,探讨了不同试验条件下抗滑桩与土石混合体接触面力学特性的变化特征和规律;文献[13]根据白衣庵滑坡地区滑带附近三级阶地的上部和残坡积层的3个野外大面积水平推剪试验,得出了土石混合体的变形特点和相关的抗剪强度参数;文献[14]研究了土石混合体在不同含水状态下直剪强度参数的变化规律,得出了不同碎石含量下黏聚力、内摩擦角值随着含水率变化的弱化公式.

多位学者对土石混合体的接触面以及含石量方面进行了研究工作,均取得了重要成果,但是由于直剪试验对土石混合体斜坡的破坏面进行了限制,没有体现出土石混合体材料组成的多相性和结构的不均一性对剪切面形态和剪应力变化曲线的影响,无法真正研究土石混合体在预设的基覆面情况下的变形破坏情况.推剪试验的优势在于土石混合体会沿最软弱面破坏,没有预设的破裂面,剪切面的位置不会受人为限制,通过推剪试验可以研究在预设的基覆面情况下,土石混合体的破裂面是如何形成以及形成什么样的形状.因此,利用大型推剪试验可以研究不同含石量情况下土石混合体变形破坏的基覆面效应,揭示土石混合体的外在破坏现象以及内部变化机理.

基于上述研究,本文采用了大型推剪试验,通过设置基覆面的产状,构建了不同含石量情况下土石混合体变形破坏的物理模型,分析了不同含石量情况下最大剪应力、孔隙水压力变化值、土压力变化值的变化规律.

1　试验装置及模型

1.1　试验装置

按照规范要求[15],试验在长1.0 m,宽0.8 m,高0.35 m的模型内进行.为了便于观察模型内部土石混合体的运移情况,模型两侧采用12 mm厚的钢化玻璃,为了便于对比监测土石混合体的破坏发展过程,正面采用8 mm厚的钢板,如图1.

1.2　模型制作、仪器布置和土体性质

步骤1利用混凝土制作基覆面,如图2,在试样的正面安装钢板,然后在钢板外侧放置枕木和施加推力的千斤顶,同时安装测量用的大量程千分表和油压表等测试设备.

步骤2准备土石混合体试验试样,如图3,利用筛分好的石块和土样进行拌匀,在模型箱内部利用分层填筑法填筑土石混合体试样,并且铺设1～2 cm厚的石灰线用于观测土石混合体的变形,并对一定量的石块用红漆染成红色,并布置在玻璃内侧用于观测推剪试验的过程中石块的运移情况.

步骤3利用直剪试验测得初始土样的有效黏聚力和内摩擦角以及其它土体参数,如表1.所用石块粒径为1～3 cm.

图1　土石混合体水平推剪试验装置Fig.1　Schematic diagram of shear teat of soil and rock mixtures

图2　制作完成的基覆面Fig.2　The bedrock surface

图3　块石试样Fig.3　Sample diagram of stone

步骤4待准备完毕后,开始摇动压力泵分级施加水平推力,并控制加荷速率使每15～20 s内的水平位移在2 mm左右,并记录千分表及压力表读数.将压力表的读数乘以千斤顶与钢板的接触面积再除以钢板的面积计算得到剪应力.当压力表读数达到最大值时,若再继续加压,压力表读数不会增加反而降低时,记录该最大水平推力Pmax.

表1　粉土的初始物理力学性质Tab.1　Initial physical and mechanical properties of silty clay

由于模型尺寸较小,为尽量减小坡内传感器埋设对模型的影响,采用分层不同位置埋设.坡内布设5组土压力计及5组微型渗压计,以模型箱左下角的点为坐标原点,往右方向代表x轴,向里为y轴,向上为z轴,如图1.

土压力计的埋设点坐标为:1(0.70,0.25,0.06),2(0.82,0.25,0.18),5(0.94,0.25,0.30),4(0.76,0.25,0.12),3(0.88,0.25,0.24);

渗压计的埋设点坐标为:1(0.70,0.50,0.06),2(0.82,0.50,0.18),5(0.94,0.50,0.30),4(0.76,0.50,0.12),3(0.88,0.50,0.24),单位为m.

由于试验过程中出现部分渗压计和土压力计损坏的情况,因此在部分试验中会出现渗压计和土压力计数量不足的现象.

2　试验过程与测试结果分析

针对不同含石量情况下基覆面的效应开展试验研究,饱和度设置为50%,含石量设置为10%、30%、50%,基覆面设置为平直状基覆面,基覆面角度为45°.

2.1　模型侧面石灰及标志点变化特征

图4～6为饱和度为50%情况下含石量为10%、30%、50%时的推剪试验结果.

(b) 试验剪切破坏状态图4　含石量10%情况下的推剪试验结果Fig.4　 Result of push shear test under 10%percent rock

(b) 试验剪切破坏状态图5　含石量30%情况下的推剪试验结果Fig.5　Result of push shear test under 30% percent rock

(b) 试验剪切破坏状态图6　含石量50%情况下的推剪试验结果Fig.6　Result of push shear test under 50% percent rock

由图4可知:通过对模型试验的过程进行分析,石块经过旋转后最终会朝向剪切带的方向;位于剪切带的石灰线在弯曲方向与规律上呈现一致性;石灰线的弯曲程度从下部到土石混合体上部整体呈现由大到小,再变大的趋势;当位于模型下部的土石混合体首先处于压密状态,石灰线会发生弯曲,位于模型中部的土石混合体由于推力在传递的过程中会减弱,使得位于模型中部的土石混合体的压密程度会减弱,石灰线的弯曲程度会变小;位于模型上部的土石混合体由于上部为临空面,土石混合体上部不受挤压,使得土石混合体相对更容易被挤压变形,土石混合体上部的石灰线的弯曲程度又会增大.

由图5可知,在剪切的过程中石块会发生一系列的翻滚旋转,石块最终会朝向剪切破裂带的方向,位于土石混合体下部的石灰线处于断开的状态,说明此处土石混合体受挤压程度较中部的土石混合体受挤压程度大.

由图6可知:随着推剪位移的增加,石块的翻滚旋转与石灰线的弯曲形状以及趋势具有一定的一致性;位于土石混合体上部明显剪切破裂带的石块最终会朝向剪切破裂带的方向;位于剪切破裂带内部的石块在推剪的过程中会发生翻滚旋转,没有发生被剪断的现象.

土石混合体在剪切过程中的剪切面与基覆面夹角随含石量的变化情况如图7所示,含石量10%情况下的剪切面(5°)表示含石量为10%情况下时剪切面与基覆面夹角为5°.

图7　基覆面与剪切面Fig.7　Diagram of bedrock surface and shearing surface

由图7可知:当含石量为10%时,剪切面与基覆面的夹角最小,剪切面与基覆面的距离最近;当含石量为50%时,剪切面与基覆面的夹角最大,剪切面与基覆面的距离最远.

当土石混合体的含石量较大时,土石混合体的整体强度也会较大,使得在推剪的过程中土石混合体难以被破坏,土石混合体变形破坏所形成的内摩擦角会较大,剪切面的角度、剪切面与基覆面的夹角就会越大,剪切面与基覆面的距离会较远;当土石混合体的含石量较小时,土石混合体的整体强度会较小,使得在推剪的过程中土石混合体容易被破坏,土石混合体变形破坏所形成的内摩擦角会较小,剪切面的角度、剪切面与基覆面的夹角就会越小,剪切面与基覆面的距离会较近.

2.2　不同含石量情况下的剪应力-剪切位移曲线变化特征

图8为不同含石量情况下剪应力随剪切位移的变化曲线.

由图8可知:剪应力随剪切位移的变化呈先上升后下降最后趋于平缓的趋势;当含石量为10%,剪切位移达到6.1 cm时,剪应力达到最大,此时土石混合体发生整体的剪切破坏;当含石量为30%,剪切位移达到2.7 cm时,剪应力达到最大,土石混合体发生整体的剪切破坏,随之剪应力会有一定程度的降低并最终趋于平缓;当含石量为50%,剪切位移在0～2 cm之间时,土石混合体处于不断压密的状态,属于弹性变形阶段;当剪切位移在2～4 cm 时,剪应力变化曲线仍然处于上升阶段,但上升的趋势变缓;当剪切位移达到4 cm时,剪应力达到最大值即峰值强度,土石混合体达到屈服点,开始产生塑性破坏,此时土石混合体形成贯通的剪切破裂带,发生整体的剪切破坏;当剪切位移大于4 cm时,土石混合体的变形开始快速增加,剪应力随剪切位移变化呈现下降最终趋于平缓的趋势当含石量较大时,土石混合体的剪应力随剪切位移的变化值要比含石量低的情况下大,含石量越高,抗剪强度越大,剪切破坏所需的剪应力也越大;在推剪的过程中,出现高低起伏的不规则变化段,曲线会发生起伏跳跃,这是由于土体与块石的相互作用造成的,这一点与一般的岩土体材料具有明显的不同.

图9为最大剪应力随不同含石量的变化趋势.

图8　不同含石量情况下剪应力-剪切位移曲线Fig.8　Shear stress-shear displacement curve under different percentage of rock

图9　最大剪应力随含石量变化示意图Fig.9　Diagram of maximum shear stress under different percentage of rock

由图9可以看出,随着含石量的增加,最大剪应力即峰值强度会增加.经分析,当含石量较小时,土石混合体的变形破坏主要受土的力学性质影响.随着土石混合体含石量的增加,土石混合体的变形破坏受块石的影响增加,土石混合体的强度也会有明显的提高,土石混合体的内摩擦角也会增加,土石混合体变形破坏所需的剪应力也会增加.

2.3　孔隙水压力和土压力变化特征

图10为不同含石量情况下孔隙水压力变化值、土压力变化值随时间变化情况.

图10(a)为含石量在10%情况下,孔隙水压力变化值、土压力变化值随时间变化情况,孔隙水压力变化值和土压力变化值分别在1 470、1 450 s时达到最大值,孔隙水压力变化与土压力变化值随时间整体呈先上升后下降的变化趋势.

图10(b)为含石量在30%情况下,孔隙水压力变化值、土压力变化值随时间变化情况,孔隙水压力的变化值和土压力变化值分别在2 290、2 260 s 时达到最大值,此时土石混合体发生整体的剪切破坏.

图10(c)为含石量在50%情况下,孔隙水压力变化值、土压力变化值随时间变化情况,孔隙水压力变化值和土压力变化值分别在2 630、2 610 s时达到最大值,此时土石混合体发生了整体的剪切破坏.

图11为孔隙水压力变化值、土压力变化值达到最大值的时间随不同含石量的变化趋势.

由图11可知:不同含石量情况下,局部变化的孔隙水压力和土压力曲线存在差异,但整体呈先增加后减小的趋势;当含石量为10%时,土石混合体的抗剪强度相对较低,较早发生整体的剪切破坏,水分会较早地发生汇集与消散,土压力随整体剪切破裂带的形成也会发生应力释放,因此孔隙水压力变化值与土压力变化值会较早地达到最大值;当含石量为50%时,随着含石量的增加,土石混合体材料的力学性质越来越接近岩石的力学性质,土体仅作为石块中间的填充物存在,土石混合体的整体抗剪强度会增加,更难被破坏,因此土石混合体内部的水分发生汇集与消散的时间会更晚,孔隙水压力变化值与土压力变化值达到最大值所需的时间也最长,由于形成整体的剪切破裂带之后剪切破裂带会有一定程度的闭合,因此水分会有一定程度的汇集,接着孔隙水压力变化值与土压力变化值会有一定程度的上升.

图11　不同含石量情况下孔隙水压力、土压力变化值达到最大值时间图Fig.11　The time of Pore water pressure, earth pressure change value reaching to the maximum under different percentage of rock

3　结　论

(1) 随着含石量的增加,最大剪应力即峰值强度会增加.当含石量较大时,剪应力随剪切位移的变化值整体要比含石量低的情况下土石混合体的剪应力值要大.

(2) 随着含石量的增加,剪切面与基覆面的夹角会增加,剪切面与基覆面的距离会增加.

(3) 随着含石量的增加,孔隙水压力变化值与土压力变化值达到最大值所需的时间会增加.

(4) 在大型推剪试验过程中,位于剪切破裂带的石块会随着剪切带的移动会发生翻滚旋转,石块没有发生被剪断的现象,石块最终指向土石混合体剪切破坏的方向.

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