宽级配砾石土缩尺强度特性试验研究*

2022-10-06李和元陈晓清黄卫国

工程地质学报 2022年4期

胡凯李和元陈晓清黄卫国

(①江西省公路工程检测中心，南昌 330009，中国)

(②中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041，中国)

0 引言

滑坡泥石流是山区特有的一种突发性自然灾害，破坏性极强，常造成重大的人员伤亡和财产损失(许强等，2018；曾庆利等，2018；崔圣华等，2019；冯文凯等，2019；周礼等，2019)。宽级配砾石土作为滑坡泥石流广泛发育的西南地区的一种特殊岩土材料，具有独特的颗粒级配和结构：首先，其颗粒级配分布广，包含小于0.005mm的黏粒，也可包含粒径为数米的大块石，最大颗粒与最小颗粒粒径相差5个数量级以上；同时，其结构为风化、侵蚀和搬运等各种物质混杂在一起形成的大的块石和颗粒形成骨架结构，砂土颗粒充填其中：黏土颗粒包裹粗大颗粒的孔隙比较大、固结程度较低的土体(胡凯，2019)。

宽级配砾石土强度特性是泥石流防治工程建设和泥石流土体失稳启动预测的重要参数。作为粗粒土，野外的土中可能包含大到1im或数米的巨石，但由于室内实验的限制，不可能对全粒径的宽级配砾石土进行室内实验以获得较接近实际的强度指标，实际工作中对超过室内仪器装置容许最大颗粒粒径的野外宽级配砾石土进行缩尺处理并进行相应的强度测定，以此作为泥石流启动研究或防治设计参数。

缩尺强度的研究主要是建立强度参数与最大粒径变化关系，不同的试验条件所得的结果不尽一致。对于相同干密度条件下的试样，大多研究结果表明强度随着最大颗粒粒径的增大而减小。而对于相同相对密实度试样，大多研究结果为强度随着最大颗粒粒径的增大而增大。Marsal(1967)和Marachi et al.(1972)等采用相似级配法处理，相同初始干密度试样的三轴排水实验结果为：随着最大粒径的增大，粗粒料峰值内摩擦角减小。郦能惠等(2001)也采取相似级配法缩尺处理，相同的相对密实度试样的三轴固结排水实验结果表明，随着最大颗粒粒径的增大，抗剪强度增大。同时，王永明等(2013)利用DEM数值模拟方法，模拟类似于郦能惠等(2001)的实验条件，不考虑颗粒破碎的影响，也证实了她的实验结果。

现有针对宽级配砾石土的强度研究中并未涉及缩尺强度研究。因此，本文针对3种不同颗粒级配宽级配砾石土进行缩尺强度试验，最大粒径分别为30imm、20imm、10imm和5imm，探讨宽级配砾石土的强度参数与最大颗粒粒径与颗粒级配之间的关系。

1 试验土料和试验方法

1.1 试验土料

试验针对3种不同颗粒级配的宽级配砾石土(JJG01、JJG02和JJG03)进行缩尺强度试验，3种土料均取自云南东川蒋家沟泥石流观测站附近不同沟道位置。采用剔除法，得到最大粒径分别为30imm、20imm、10imm和5imm颗粒的宽级配砾石土，相应的级配参数和级配曲线如表1和图1所示。其中，dmax、d60、d30和d10分别为最大粒径、限制粒径、颗粒累计质量比例小于30%所对应粒径和有效粒径；Cu和Cc分别为不均匀系数和曲率系数；C、μ和Dc分别为标度分布函数中的参数，C和μ为无量纲指标，参数μ为颗分参数，表征细颗粒的含量；参数Dc被定义为特征粒径，表征粗颗粒的含量及其级配范围(mm)。(Li et al.，2017)。标度参数由分布函数P(D)=CD-μexp(-D/Dc)拟合而成。

表1 宽级配砾石土颗粒级配基本参数Table 1 Basic parameters of particle-size distribution of widely-graded gravelly soil

1.2 试验方法

1.2.1 试验设备及试验步骤

试验设备采用中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所重点实验室配置的英国GDS饱和-非饱和三轴实验系统(图2)，实验系统主要由压力控制系统、数据量测系统和数据采集系统3部分组成。试验数据由系统自动记录采集。

试验步骤分为制样和加载两部分。首先根据实验方案，计算所需的土料和水的重量，并称重，将其混合搅拌均匀，并密封24ih。

使水分分布均匀。制样参照SL237-1999土工实验规程，采用三瓣膜分层击实法，每层高度为10icm，采用干密度控制法，计算每层所需的土料的重量，当每层击实到相应高度后，将表面作刮毛处理，使各层土样接触良好，当土样达到相应高度后，将三瓣膜拆除，并测量其相应的直径及高度，将试样表面套上专用的塑料膜，制样完成；装样按照相应的实验规程进行，将土样放入围压室样品台，并将水充满围压室，充当围压传媒介质。

GDS三轴实验加载过程分为饱和、固结和剪切过程。饱和阶段包括排气和反压饱和：首先通过围压控制器和反压控制器对试样施加一定的有效围压(通常围压为30ikPa，反压为20ikPa)，使无气水充填试样的空隙，然后相应的增大围压和反压(差值不变)，使多余的气体压入水中，并使用SkemptonB值检测试样的饱和度，即：在全封闭条件下，施加一定的围压增量(一般约50ikPa)，观察孔隙水压力增量与围压增量的比值(即为B值)，当B值达到0.95及以上，试样饱和，当B值小于0.95时，继续增大围压和反压，直到B值为0.95以上，饱和结束。然后保持反压不变，增大围压，将试样压缩至剪切过程所需的有效应力状态，直至试样体变较小，固结过程结束，进入不排水剪切过程。实验过程的数据都由数据采集仪自动获取。

1.2.2 试验方案

试验针对最大粒径分别为30imm、20imm、10imm和5imm的JJG01、JJG02和JJG03宽级配砾石土进行缩尺强度试验。实验控制初始干密度为1.80g·cm-3，初始含水率为7.5%，试样尺寸为150imm×300imm(直径×高度)。三轴实验共设4级有效围压，分别为100ikPa、200ikPa、300ikPa和400ikPa。由于泥石流物源土启动形成泥石流过程中，前期降雨具有重要的作用。土坡失稳伴随有土体的蠕动—扰动—崩塌—滑塌—扰动—快速流动过程(李德基，1997)。因此，为了更好地符合实际过程，本文选用固结不排水饱和三轴实验，即CU实验。“饱和”和“固结”指示了前期降雨过程，而不排水快速“加载”表征了土体破坏过程。实验的加载速率考虑到土坡失稳的快速特性，设置为1%/min。

2 试验结果

2.1 试验曲线

根据试验结果，将宽级配砾石土三轴固结不排水的试验曲线分为应变硬化、应变软化和应变软化-硬化3种类型：

2.1.1 应变硬化

图3为最大粒径为5imm的JJG01宽级配砾石土在σ′3=400ikPa状况下的应力-应变曲线、孔隙水压力变化曲线和应力路径曲线变化情况。

由图3可知该试样应力-应变表现为应变硬化，随着轴向应变的增大，偏应力始终处于增大的状态；孔隙水压力随着轴向应变的增大迅速增大，当增大到峰值孔隙水压力a后(ua=305ikPa)，孔隙水压力逐渐减小，最大孔隙水压力值远小于实验的有效围压(305ikPa<400ikPa，比值约为0.75)；同时，从有效应力路径曲线可以看出，应力路径曲线显示明显的“肘”，由于孔隙水压力的变化，平均有效主应力先减小而后增大，平均有效主应力p′的最小值，即为孔隙水压力的峰值点a。试样有出现过液化的迹象，但由于土体体积膨胀造成土体孔隙水压力的下降，最终并未出现液化破坏，这种实验现象常发生于密实的砂土或粉砂中。其中，a点我们称之为“相变点”，液化理论中土体由体积压缩状态变化为体积膨胀状态的转变点。该点偏应力q与平均有效主应力p′的比我们称之为“相变状态应力比”，用符号Md表示，如图3所示。

2.1.2 应变软化

图4为最大粒径为10imm的JJG03宽级配砾石土在σ′3=100ikPa状况下的应力-应变曲线、孔隙水压力变化曲线和有效应力路径变化情况，实验结果所示，该试样呈应变软化。随着应变的增大，试样偏应力和孔隙水压力急剧增大，在轴向应变ε1=1.07%时，偏应力达到峰值点qp=33.14ikPa，此时的孔隙水压力增大到u=59ikPa，由于孔隙水压力的增大，平均有效正应力p′逐渐减小，如图4中所示a点即为试样峰值点，称其为失稳启动点。试样失稳后，随着轴向应变的继续增大，孔隙水压力继续增大，偏应力急剧下降，当孔隙水压力增大到峰值点u=91ikPa后(与有效围压比值约为0.91)，偏应力qs=7.86ikPa，随后两者保持相对稳定值，如图4中所示b点即为相应的稳态点。有效应力路径中有效平均主应力始终减小，并不出现相应的“肘”形态。我们将这种现象就称为液化现象，试样越松散时，其液化的可能性越高。有效应力路径中，并没有出现相应的“肘”形态，试样一直处于体积压缩状态，通常认为相变状态等同于稳态。

不排水实验中，将不同围压条件下峰值点a的连线定义为不稳定线(instability line)，不稳定线经过原点，不稳定线和稳态线所对应的区间我们称之为试样的失稳区间，试样处于亚稳定结构，在该区域土体强度逐渐丧失，如图4中的阴影区间。

2.1.3 应变软化-硬化

图5为最大粒径为20imm的JJG03宽级配砾石土在σ′3=400ikPa状况下的应力-应变曲线、孔隙水压力变化曲线和应力路径变化情况。

由实验结果可知，试样应力-应变曲线呈软化-硬化型。随着应变的增大，轴向应力迅速增大到峰值点a，孔隙水压力迅速增大，且平均有效应力p′逐渐减小。失稳破坏后，偏应力随着轴向应变的继续增大而减小，同时孔隙水压力继续增大，试样在该过程都处于体积压缩状态。当偏应力q达到最小值b点后，随着应变的增大，偏应力由减小改变为增大，同时，试样由剪缩变为剪胀，孔隙水压力逐渐降低。有效应力路径中有效平均主应力开始一直减小，当减小到一定值时(偏应力最小值所对应的值)，偏应力和平均主应力都开始增大，有效应力路径出现“肘”，我们称之为相变点。我们称这种现象为有限液化，常发生于试样处于中密-密实状态。

2.2 强度结果及分析

2.2.1 强度结果

不排水实验结果中，应力-应变曲线的峰值点称之为失稳点，表示液化发生的启动点，对于滑坡或泥石流的启动研究具有重要的意义。所以根据上述宽级配砾石土三轴固结不排水实验结果分析，对于缩尺强度分析的强度取值点我们作如下规定：对于液化和有限液化破坏土体，取相应的峰值点作为其强度值；而对于应变硬化土体，取有效应力路径转变点(即相变点)计算其强度。根据土工实验规程，宽级配砾石土粗颗粒土在固结不排水实验条件下，相应的有效黏聚力c′取为0，利用莫尔应力圆求取有效内摩擦角，所得实验结果见表2所示。

表2 缩尺强度实验结果Table 2 Test results of scale strength tests

2.2.2 峰值强度与最大粒径关系

图6为不同颗粒级配宽级配砾石土有效峰值内摩擦角φp′与最大颗粒粒径dmax的变化关系。从图中明显可以看出，由于JJG01中最大粒径为5imm试样应力-应变为应变硬化，未出现液化，其强度相对其他液化土体强度高；而对于所有出现液化或有限液化的土体来说，随着最大粒径dmax的增大，有效峰值内摩擦角φp′几乎呈线性增大。

本文对于宽级配砾石土缩尺强度实验所得的实验结果与以往大多数相同初始干密度条件下的实验结果不同，只有李凤鸣等(1991)的研究结果与本文一致。孟宪麒等(1983)针对最大粒径相同而颗粒级配不同的抗剪强度实验结果指出，无论是相同的初始干密度还是相同的初始相对密实度，试样加权平均粒径越大，其抗剪强度值越大。由于本文针对宽级配砾石土的缩尺强度效应实验采用的是直接剔除法，分别剔除大于30imm、20imm、10imm和5imm的颗粒，所以随着最大粒径的减小，相应宽级配砾石土中粗颗粒含量减小，细颗粒含量增加，造成宽级配砾石土加权平均粒径的减小。所以，对于宽级配砾石土在剔除法缩尺处理后，缩尺后的颗粒级配变化对强度的影响，使得缩尺后宽级配砾石土的强度随着最大粒径的增大而呈线性增大。

2.2.3 峰值强度与颗粒级配关系

粗粒土的液化发生受颗粒级配、围压、干密度等因素的影响，其中颗粒级配是研究者最感兴趣，同时也是研究最多的一个因素。图7和图8为所有宽级配砾石土的有效峰值内摩擦角与不均匀系数Cu和特征粒径Dc的关系。从图中可以看出，对于出现实验发生液化或者有限液化的宽级配砾石土，随着不均匀系数Cu和特征粒径Dc的增大，有效峰值内摩擦角呈增大趋势，但随两个因素增长的形式不同：有效峰值内摩擦角随不均匀系数呈二次多项式增大；而随特征粒径呈分段线性增大，存在一个临界特征粒径(Dc=6.7)，当特征粒径小于临界特征粒径，有效峰值内摩擦角缓慢增大，当特征粒径大于一定值后，增大的幅度变大。相应的拟合关系如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

不均匀系数被广泛应用于考察颗粒级配Cu对砂土强度特性影响研究。但不同的研究所得的结果不同。一些研究成果表明，颗粒级配对砂土的强度特性影响较小(Kuerbis et al.，1988; Pitman et al.，1994)。同时，另外一些学者通过实验指出，砂土的固结不排水强度随着不均匀系数的增大而减小(Monkul et al.，2011，2016)。

本文针对相同干密度不同颗粒级配的宽级配砾石土固结不排水强度实验结果表明，对于液化的宽级配砾石土，随着不均匀系数的增大，有效内摩擦角呈二次多项式增大，表明增大不均系数就增大了宽级配砾石土的抗液化能力。主要原因是，粗颗粒的剪切变形主要由试样中固体颗粒之间的相对滑动所引起，而对于不均匀系数大的试样，各种粒径大小的固体颗粒混合在一起，大颗粒形成骨架，小颗粒聚集填充与骨架所形成的空隙中，形成紧密的整体，增大颗粒之间的抗滑能力。这与Kokusho et al.(2004)、Igwe et al.(2007)所得实验结果一致。他们指出，无论是峰值强度还是稳态强度，两者都随着不均匀系数的增大而增大。

特征粒径Dc是Li et al.(2017)所提出的颗粒级配统一表达式中的一个参数，表征颗粒组成的范围。而对于具有相同粒径范围的土体，粗粒含量越多，特征粒径越大，某种意义上，特征粒径可以很好地表征粗粒料中粗粒部分的特征。孔应德(2014)和吕东(2017)所得实验结果，内摩擦角随特征粒径的增大而呈线性增大。