抗剪强度参数对库岸堆积碎石土边坡稳定性影响的实验研究

夏长城

(鄱阳县水利电力勘测设计室，江西 鄱阳 333100)

1 研究背景

堆积碎石土是一种特殊形态的土石混合体，是在风化卸荷、残坡积以及冲洪积等各种复杂成因作用下形成的石块和土混合体[1]。对于堆积碎石土，目前学界并没有统一的定义，通常认为是2mm以上粒径的颗粒含量在50%以上的土石混合体[2]。受到地质环境和作用的影响，我国存在比较广泛的天然碎石土边坡，同时在部分水利工程建设中还存在大量的人工碎石土边坡。这类边坡的成因比较复杂，主要有人工填土、风化残积、崩塌堆积以及滑坡堆积等多种形式。由于物质的组成十分复杂，结构分布上又具有不规则性，给工程力学性质研究带来了较大困难[3]。同时，碎石土边坡滑坡又是我国最常见的滑坡类型。在水利工程建设和运行期间，一旦发生碎石土滑坡，必将给工程建设和运行造成十分显著的不利影响[4]。相关研究显示，颗粒接触紧密的碎石土，一般抗剪强度较大，在荷载的干扰下一般不会发生较大的变形，而结构疏松的碎石土抗剪强度小，在荷载作用下往往会产生较大的变形[5]。因此，抗剪强度对碎石土边坡的稳定性存在显著影响。基于此，本次研究通过实验室模拟实验的方式，展开抗剪强度参数对库岸堆积碎石土边坡稳定性影响的试验研究，以便为相关工程设计和建设提供必要的支持。

2 实验设计

2.1 碎石土的制备

根据相关研究成果，颗粒级配对碎石土的抗剪强度存在比较显著的影响，甚至可以认为颗粒级配对碎石土的物理力学性能存在决定性的影响。另一方面，颗粒组成方面的差异也会造成碎石土内部颗粒之间的黏聚力和摩擦力存在比较明显的差别[6]。因此，研究中设计了5种不同级配的碎石土进行试验，具体的级配设计见表1。

表1 实验用碎石土级配表 单位：%

2.2 试件制作

在试件制作过程中，采用散体材料击实的方式进行碎石土试件的制作[7]。制作的流程按照SL237—1999《土工试验规程》中的相关要求进行。根据实验中乘膜筒的大小，采用2.5kg的击实杆分2层对试件进行击实，每层的击打次数为5次，在试件击打完毕之后，平整好上表面，并放入透水石以及吸水纸，然后再套上一层完整的橡胶模。为了防止实验中出现意外情况，每种级配的试件需要多做一个备用件。

2.2 实验方法

研究中对不同级配的碎石土试样在不同围压条件下进行三轴实验，并记录实验过程中的各项指标参数，研究试件抗剪强度的变化规律，并进一步获取抗剪强度参数对库岸堆积碎石土边坡稳定性影响，为碎石土边坡的稳定性预测和治理工程措施的选择提供必要的参考。实验中设计的了100、200、300kPa三种不同的围压，剪切速率设定为1.2mm/min，振幅和振动次数分别设计为2mm和30次。在不固结、不排水方式下分别对不同级配的碎石土试样进行静力三轴实验[8]。实验采用SDT- 20型实验机进行，具体的实验步骤如下：首先检查实验仪器设备，并做好必要的调适；在指定位置安装好碎石土试件；关闭上下孔压阀门，并在电脑界面上观察各个参数是否归零；通过电脑操控上升底座，排除试件和橡皮膜之间的空气；手动放下压力罩；打开阀门向压力室内注水；在电脑界面点击开始按钮并开始实验。最后，根据实验过程中记录的数据，利用莫尔-库伦公式进行整理和计算，获得主应力和轴向应变之间的关系，最终获得黏聚力和内摩擦角2个抗剪强度参数的结果和关系曲线[9- 12]。

3 实验结果分析

3.1 抗剪强度参数变化规律

对设计的A、B、C、D、E 5种不同颗粒级配的试件按照上述实验方法进行三轴试验，根据实验结果计算和整理出不同级配条件下的碎石土黏聚力和内摩擦角，结果见表2。为了进一步对比变化规律，根据计算结果绘制出两者之间的对比曲线，结果如图1所示。由实验结果可知，黏聚力数值最大的是试样B，黏聚力最小的是试样C。根据试样的颗粒级配设计可知，碎石土的黏聚力随着碎石含量的增加呈现出先增加后减小的特点。内摩擦角最大的是试样C，内摩擦角最小的是试样A。由此可见，随着碎石土中碎石含量的增加，内摩擦角呈现出逐渐递增的特征，同时适当的掺砂量对提高碎石土的内摩擦角也有一定的作用。究其原因，主要是砂、土和碎石之间的有效黏结能够有效提升碎石土内部的嵌合力，从而使碎石土的整体明显提升。因此，随着碎石量的不断增加，碎石土试样的抗剪强度也不断增大。但是，当碎石含量超过某一定值的情况下，细颗粒的减少会导致内部黏结性的降低，并表现为黏聚力的下降；对内摩擦角而言，碎石含量的增加会造成碎石土内大小不同的颗粒不断挤压和镶嵌，造成土体结构的重新排列，使碎石土呈现出土和石的双重特征，使土体的抗剪强度提高[13- 15]。

表2 黏聚力和内摩擦角实验成果

图1 黏聚力和内摩擦角关系曲线

3.2 抗剪强度参数对边坡稳定性的影响

研究中以实验数据为依据，利用概率论中的相关理论，利用方差对数据的离散程度进行度量，并估计碎石土边坡产生滑坡的概率。同时，研究中选用瑞典条分法进行计算，并以计算结果为基础，分析黏聚力和内摩擦角2个主要抗剪强度参数对碎石土边坡稳定性的影响，以便对碎石土边坡的稳定性研究以及具体整治措施的选择提供支持。

3.2.1黏聚力的影响

利用上文提出的方法，将黏聚力视为变量，在其余参数值保持不变的情况下对试样的安全系数进行计算，结果见表3。由表中的计算结果可知，5组试样的稳定性系数和试样的黏聚力之间存在显著的正相关关系，也就是试样的黏聚力越大，试样的稳定性就越高。其中，安全系数最大的为试样B，安全系数值为1.698；安全系数最小的为试样C，安全系数值为1.625。究其原因，主要是试样B中土的含量要明显多于试样C，由于土颗粒较细，黏结作用十分明显。由此可见，黏聚力的变化会对试样的稳定性存在显著影响，两者之间呈现出近似的正比关系。

表3 不同黏聚力的试样安全系数

3.2.2内摩擦角的影响

利用上文提出的方法，将内摩擦角视为变量，在其余参数值保持不变的情况下对试样的安全系数进行计算，结果见表4。由表中的计算结果可知，5组试样的稳定性和试样的内摩擦角之间存在显著的正相关关系，也就是试样的内摩擦角越大，试样的稳定性就越高。其中，中稳定性系数最大的为试样C，稳定性系数为1.951，安全系数最小的为试样A，安全系数值为1.158。究其原因，主要是试样C的级配较为理想，颗粒之间具有较强的咬合作用，因此抗剪强度也较高。由此可见，内摩擦角的变化会对试样的稳定性存在显著影响，两者之间呈现出近似的正比关系。

表4 不同黏聚力的试样安全系数

4 结论

本次研究通过实验室实验的方法，研究了黏聚力和内摩擦角量2个抗剪强度参数对碎石土边坡稳定性的影响，并获得如下主要结论。

(1)随着碎石含量的增加，碎石土的黏聚力呈现出先增加后减小的特点，内摩擦角则呈现出逐渐递增的特征。

(2)黏聚力的变化会对碎石土边坡的稳定性存在显著影响，两者之间呈现出近似的正比关系。内摩擦角也呈现出相似的特征，其变化会对碎石土边坡的稳定性存在显著影响，两者之间也呈现出近似的正比关系。