三峡库区滑坡土石混合体剪切强度试验研究

宋 岳 崔 超 李江龙

(1. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 湖北省荆门市水文水资源勘测局， 湖北 荆门 448000)

三峡库区土石混合体组成的库岸边坡频频发生坍塌、滑坡等自然灾害，给下游人民的生活造成严重影响．土石混合堆积体在三峡库区广泛分布，同时在全国乃至世界各地均有大量的存在．在具体工程建设中，土石混合体边坡是经常遇到且须妥善处理的地质问题，因此，有必要对三峡库区土石混合体进行力学研究．

目前国内外学者在土石混合体方面已有不少研究成果．韩世莲[1]采用压缩蠕变试验得到了碎石土的蠕变规律同时分析了材料粘弹性模型的各项参数数据．王宇等[2-4]通过概括土石混合体细观的结构特征、模型以及力学特性的目前成果，指出研究不同尺寸土石混合体的局部变形特征以及建立相关细观损伤演化方程和本构方程是未来的研究方向．油新华[5-7]根据滑带附近的土石混合体试样进行水平推剪试验，得出了试样的变形特点和相关的抗剪强度参数，为类似滑坡的稳定性分析提供一定的依据．胡峰[8-9]等在土石混合体剪切过程中考虑3个主要结构控制因素，得出了试样在不同的含石量下内部骨架结构及其强度的演变过程，对土石混合体滑坡的防灾减灾具有重要意义．赵金凤等[10-11]利用离散元软件对土石混合体进行剪切数值模拟，分别从含石量、颗粒粘结强度、试样尺度等不同角度对试样的力学性质展开研究，进一步揭示土石混合体细观层次的抗剪强度特性规律．陈立等[12-13]通过建立一套较精细的细观计算模型并模拟土石混合体细观破坏的物理机制，深入的阐明了土石混合的细观损伤开裂机制，扩大了描述裂纹发展规律的方法手段．

上述系列研究对于正确认识和理解土石混合体提供了很好的基础和参照，但综合考虑利用现场原位试验围绕土石混合体的变形破坏特点等力学特性进行探索方面的研究成果较少，本文重点通过沿滑坡处由上至下选取试验点，更为全面的研究土石混合体的力学特性和相应的影响参数．

1 试验设计

1.1 试验点选取及设备

树坪滑坡位于三峡库区长江干流南岸岸坡，距沙镇溪集镇约5 km，距三峡工程大坝坝址约47 km，位于鄂西山地间的秭归盆地的滑坡地质，属侵蚀构造中、低山地貌类型．滑坡区为单斜地层，地表覆盖第四系崩坡积层．滑坡区岩层总体产状为165°～120°∠10°～35°，走向与岸坡总体走向近于平行，属逆向结构岸坡，为了研究的全面性，在沿着滑坡方向选取试验点，进行了天然状态下的野外原位剪切试验．

本试验所采用试样是取自三峡库区树坪岸边坡的土石混合体，为全面反映滑坡处试样的力学剪切特性，对削坡治理后的树坪滑坡根据高程由上至下依次开挖4组试验点，每组试验有3个试样．每组试验点编号为SPX1、SPX2、SPX3、SPX4，其中SPX1、SPX2、SPX3试验点分别选择在一、二、三级开挖平台上，组号SPX1试样相对原滑坡表面埋深较大，SPX4试验点选择在坡脚处，高程约比消落带高15 m．如图1所示，滑体土制备试样时，先清除覆盖层，然后四周开挖沟槽并在挖坑的过程中预留出试件土体，试样加工成型尺寸为400 mm×400 mm×500 mm．

如图2所示，现场试验系统所包括的设备有：①带有压力表的千斤顶：用于对试样施加垂直压力和水平力，千斤顶出力满足预估的试验压力，压力表显示出千斤顶施加力的大小．②百分表：用于量测试样的切向移动距离和试样在垂直压力下的变形，每个试样布置4个测点，其中2个测量水平位移，2个测量法向位移．③磁性支座：用于架立百分表．④剪力盒：用于制备试样，由上盒、下盒两部分组成，通过轴承连接以减小摩擦，上盒与下盒之间为剪切破坏面，剪切盒为正方形，边长为40 cm，高度为50 cm(上盒、下盒各25 cm)．⑤垂直压力加载钢架：根据现场条件，采用地锚提供垂直压力反力．

图1 原位剪切试样 图2 野外剪切设备

1.2 试验方案

根据《原位剪切试验》(SL237-043-1999)的规定，原位剪切试验采用平推法，即水平力的作用线通过滑动面，剪切方向与滑动方向一致，具体的加载试验步骤为：

施加法向荷载．在每组试样上，分别施加不同的垂直荷载，对每个试体分4～5级施加其垂直压力．采用施加控制加载方式，每5min进行加载一次，每次加载后立即读数，5 min后第二次读数，然后施加下一级荷载．当达到预定荷载后，仍需每隔5min读数一次，当连续两次垂直变形差值小于0.01 mm时，即可认为加载为稳定，即可施加水平应力．

施加水平力．按时间控制：开始按照最大的剪切荷载的10%分级施加水平力．每1 min进行加载一次，施加每级荷载前后需要测读变形一次．当水平力引起的水平变形大于前一级的1.5～2倍时，水平力减至按照5%施加，直到剪断，剪断发生前，同时密切观察和记录压力变化情况及相应的水平变形，在整个剪切过程中，看到的读数应始终为常数．

根据以上步骤对另外两个试样在不同垂直荷载作用下进行剪切试验．每个试样试验完成后，取相应土样并带回试验室测定试验后土样的天然含水率及重度，得出不同组次、不同试样的抗剪强度参数，进一步分析试件的抗剪强度劣化规律．

2 试验结果及分析

2.1 剪切应力-应变曲线分析

图3(a)～(d)为4组试样不同正应力下剪切力与剪切位移关系曲线，每组试样天然密度见表1，现场剪切试验剪切强度统计见表2，结合图表，天然密度试验结果表明不同试验点不同试样的天然密度有较小的差距，但变化范围较小，对土石混合体的抗剪强度影响也较小．

表1 每组试样的天然密度 (单位：g·cm-3)

表2 现场剪切试验剪切强度统计表

图3 不同正应力下剪切力与剪切位移关系曲线

1)试件峰值强度随垂直应力的提高而增大，试样剪切破坏最早在剪切位移2 cm处发生，大部分峰值强度在5 cm左右出现；正应力相同的情况下，SPX1试样表现出较高的峰值强度，这是由于SPX1试样相对原滑坡表面埋深较大，风化程度较弱产生的影响．

2)4组试件曲线均表现出剪切力前期增长较快，后期增长减缓，曲线斜率(剪切刚度)由大变小呈现连续变化过程，有峰值强度但不是特别明显．SPX1、SPX2、SPX3、SPX4组，随着正应力的增加，曲线的弹性阶段变长，弹性模量增大．其中在SPX2组中的一个试样比另外两个试件表现出较低的峰值强度和弹性模量，由于风化程度较为严重，所以造成了其强度与其它试样相比有大幅度的降低．

3)4组试验的土石混合体剪切试验的尺寸是相同的，从总体来看，4组试件应力-应变曲线总体规律一致，但也存在差异性．其中SPX1组试件弹性阶段增加前期表现出差异性，而SPX2、SPX3、SPX4组在弹性阶段后期和屈服阶段产生差异，应变速度随着应力的增大明显增大，破裂迅速传播，本阶段应力值只有较小增大，而应变增幅较大，最终使得试样在峰值位置发生破坏．

2.2 试件抗剪强度劣化分析

根据剪切试验得到试件的力学试验结果，以抗剪强度为纵坐标，正压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力曲线如图4(a)～(d)所示．根据图上各点，由回归分析得到二者的关系曲线，相关系数R2在0.9左右，拟合效果较好，其中直线的倾角为内摩擦角φ，直线在纵坐标上的截距为土的黏聚力c，见表3．由表可知：

1)SPX1、SPX2、SPX3、SPX4四组土石混合体原位剪切试验得到的内摩擦角随着高程的降低逐渐减小，而黏聚力随着高程的降低逐渐变大．这是因为降雨渗流作用将滑坡高处土石混合体里的粘粒成分带到滑坡坡脚处，即坡顶至坡脚，含石量随着高程的降低逐渐变小，含石量高，咬合力大，内摩擦角大，黏聚力小．

2)该滑坡土石混合体的原位剪切试验得到的黏聚力在11.23～21.32 kPa之间，内摩擦角在14.71°～34.03°之间．

表3 原位剪切强度参数值

图4 剪切强度与正应力的关系曲线

2.3 土石混合体抗剪强度影响参数研究

分别根据规范《含水率试验》(SL237-003-1999)和《颗粒分析试验》(SL237-006-1999)测出不同试样的含水率和颗粒级配，如表4，图5所示．不同试点颗粒质量百分含量见表5．结合图6～7粒径颗粒质量百分含量对内摩擦角和粘聚力的影响关系图，结果表明：

1)4组试样的含水率变化范围较小，均在18.14%～18.42%之间，对土石混合体的抗剪强度影响较小．

2)4组试样的颗粒级配总体分布一致．粒径大于2 mm颗粒质量百分含量在25.10～29.47，粒径分布均匀，其中，SPX4粒径大于2 mm颗粒质量百分含量最小；而粒径小于0.5 mm的含量4组试件表现为坡顶和坡脚两组处偏大，中间两组含量偏小．

表4 不同试验点试样的含水率

表5 不同试验点颗粒质量百分含量 (单位：%)

图5 不同试验点土石混合体颗粒级配曲线

图6 粒径大于2 mm颗粒质量百分含量和内摩擦角的关系

图7 粒径小于0.5 mm颗粒质量百分含量和黏聚力的关系

通过图6对比不同组号粒径大于2 mm颗粒质量百分含量和内摩擦角的关系，表明树坪滑坡土石混合体内摩擦角随着粒径大于2 mm颗粒质量百分含量变大而变大．通过图7对比不同组号粒径小于0.5 mm颗粒质量百分含量和黏聚力的关系，结果表明树坪滑坡土石混合体黏聚力随着粒径小于0.5 mm颗粒质量百分含量变大而变大．

3 结 论

本文以树坪滑坡处的土石混合体为研究对象，通过对试样进行水平推剪切试验，得出以下结论：

1)本试验对削坡治理后的树坪滑坡土石混合体进行了大型的水平剪切试验，得到试区的土石混合体沿滑坡由上至下的抗剪强度参考值，粘聚力c在11.23～21.32 kPa之间，内摩擦角φ在14.71°～34.03°之间，为类似库岸滑坡稳定性研究，提供了借鉴意见．

2)不同正应力下应力-应变曲线呈现明显的非线性特征，随着正应力越大，应力-应变曲线越陡，试件弹性模量变大，应力-应变曲线的硬化特性越明显，峰值强度也越大．正应力的大小对达到峰值强度时的应变影响较大．正压力越大，颗粒破坏使产生的摩擦阻力增大，达到峰值强度时的应变值越大，应力-应变曲线多为应变硬化型．试件峰值强度随垂直应力的提高而增大，试样剪切破坏最少在剪切位移2 cm后发生，大部分峰值强度在5 cm左右出现．

3)土石混合体内摩擦角随着粒径大于2 mm颗粒质量百分含量变大而变大，黏聚力随着粒径小于0.5 mm颗粒质量百分含量变大而变大；粒径较大时，试样表现出岩性特征，粒径较小时，试验表现出土性特征．

4)由于原位剪切试验对土体的扰动小，获取的参数精确度高，更能反映土的真实强度，是滑坡勘察中获取土体强度参数的一种重要及有效的方法，但由于受到试验条件、试验点较少等的限制，试验存在一定的局限性．如试样的含水率范围较小，不能反映出对抗剪强度的影响．因此有必要扩大试验区的范围和试件数量，进一步细化因含水率的差异对土石混合体的强度指标影响大小，在此基础上，更为全面的研究土石混合体的力学特性．