冰碛物工程性质研究

昌都-林芝地区广泛分布着宽级配的冰碛物，而冰碛物的物理力学性质常常是工程处治的难题。基于此，文章在现场进行调查和取样，利用Image-Pro Plus和室内大型直剪仪，对冰碛物进行粒径分析和大型直剪试验，并开展了不同粒径条件下冰碛物的剪切变形特性试验研究。研究结果表明：当试样为单一粒组2～5 mm和2 mm以下，强度主要依赖于细粒土的强度，导致重塑冰碛土抗剪强度过低；当试样为土石混合的冰碛物时，冰碛物的抗剪强度主要由块石形成的骨架结构提供，细颗粒则充填内部孔隙，增强咬合力，试样在剪切过程中出现应变软化现象；当试样为单一粒组5～20 mm，20～60 mm和60 mm以上时，试样内部全为块石，块石形成的骨架结构存在较多的空隙，导致试样的结构效应和强度有所弱化。

冰碛物； Image-Pro Plus； 大型直剪试验； 不同粒径

U213.1+4 A

［定稿日期］2022-01-11

［作者简介］王超（1997—），男，硕士，研究方向为岩土体稳定性分析。

冰碛物因其具有无分选、结构复杂、架空现象普遍、力学特征差异大等特征，对川藏铁路的建设威胁大而受到广大学者的关注。其强度特征和变形特性一直是地质灾害领域研究的热点和难点。

马泽平［1］（2013）对川藏交通走廊地区分布的冰碛物进行了大量的直剪试验，指出了粒径的大小是影响粗颗粒土抗剪强度的重要因素。李骅锦等［2］（2015）对岷江上游干暖河谷区域的冰碛堆积体进行调查研究，基于室内力学强度试验和SWCC试验探讨不同含水率情况下对冰碛物水敏特征的影响，指出了在饱和度介于10%～70%时，其力学强度特性发生显著变化。冯俊德等［3］（2008）对冰碛物进行了大量的直剪试验，对比了原状冰碛土和重塑冰碛土的强度特征。杨东旭等［4］（2020）选取帕隆藏布流域32处典型冰碛物为研究对象，利用原位试验和室内测试，总结了冰碛物的分布与沉积特征和物理力學参数特征。徐鼎平等［5］（2008）开发了生成冰碛土仿真试样的模拟程序，并利用FLAC3d对生成的试样进行三轴数值模拟试验，得到冰碛土的抗剪强度参数。江强强等［6］（2020）以土石混合体为研究对象，利用大型直剪仪进行剪切变形和强度特性的研究，得出了含石量占据主导作用的结论。

在开展冰碛物强度特性方面研究的同时，其变形特性也受到广泛关注。程强等［7］（2019）对泸定大渡河桥地区分布的冰碛土进行现场剪切蠕变试验，初步揭示了冰碛土的剪切蠕变特性。蒙进等［8］（1989）选取四川瀑布沟黑马料场的冰碛土为研究对象，利用固结排水加卸荷试验，得出冰碛土的应力应变关系，其总体趋势是从低压下的弱应变软化变为高压下的强应变软化，体变剪胀变为剪缩。屈智炯等［9］（1992）采用高压三轴仪，对比了不同级配下冰碛土的应力-应变关系曲线。张斌等［10］（1991）开展了不同围压下冰碛土的三轴试验，研究应力应变与围压的关系，指出了在围压较低时，应力应变关系表现为软化性，在围压较高时，应力应变关系表现为硬化性。

目前关于冰碛物的研究主要集中在冰碛物的形态分析、抗剪强度和变形特性方面。基于此，本文对冰碛物进行粒径分析和大型直剪试验，以冰碛物粒径大小为主要研究因素，拟展开冰碛物室内大型直剪试验和统计冰碛物粒径，并绘制冰碛物在剪切过程中的应力-应变曲线，以期进一步深化冰碛物剪切变形行为及强度产生机制的认识。

1 冰碛物的粒径分析

1.1 Image-Pro Plus 冰碛物粒径图像分析

在现场拍摄到冰碛物的图像后，为减小后期的分析难度和提高软件统计粒径的准确度，首先应对照片进行处理，包括清除图片中的干扰区域部分，然后增加图像对比度，灰度图像以及二值化，最后采用Image-Pro Plus获取图片信息。图片处理过程如图1所示。

1.2 冰碛物粒径统计

西藏高原地区浅表层均被冰雪覆盖，该地区的冰碛物是由块石、砾石、砂土、粉土等堆积而成，具有无分选、无层理、粒径差异大等特征。对冰碛物进行现场测量，如图2所示。

在现场选取了6个区域进行粒径统计，并利用Image-Pro Plus对冰碛物进行粒径分析， 为了更直观显示各区域不同粒径等级所占比例情况，分别作出了各区域0～5 cm、5～20 cm、20～60 cm、60 cm以上颗粒所占比例柱状图，如图3所示。

2 冰碛物大型直剪试验

2.1 试验设备

本文采用ZY50-2G大型直剪仪见图4。

该仪器主体分为3个部分：剪切装置、油源启动装置和数据采集系统。剪切装置又由垂直加载系统、水平加载系统、上下剪切盒、量测系统组成，剪切盒的净空儿何尺寸为：直径×高=504.6 mm×400 mm。仪器可施加的最大垂直载荷为500 kN，最大水平推力500 kN，最大水平位移可达100 mm，可对最大粒径不大于100 mm的试样进行剪切，剪切缝宽度固定为10 mm。

2.2 试样材料

试样取自西藏高原地区未扰动边坡，主要由块石、砾石、粉土组成，为土石混合体。目前，对于土和石的划分阈值没有规定，本文参照多数文献，取粒径小于5 mm颗粒为土，大于5 mm颗粒为石。

对冰碛物进行粒径划分，筛选了5个单一粒组，分别为2 mm以下、2～5 mm、5～20 mm、20～60 mm、60 mm以上，见图5。

2.3 试样制备及其测试过程

由于冰碛物具有无分选，粒级差异大，块石含量大等特征，导致其结构复杂，而粒径大小是冰碛物结构性最直接的表现指标之一。为此，本文拟在试验中考虑粒径大小对冰碛物抗剪强度的影响。

试验开始前，先施加法向压力使剪切盒中冰碛物紧密接触，然后继续施加法向压力达到预定值（本次试验的法向压力分别设定为250 kPa、500 kPa、750 kPa、1 000 kPa），试验中的剪切速率为1 mm/min，当剪切位移达到50 mm左右时，试验结束。

试验分为10个小组，前5组为土石混合级配，级配曲线如图6所示；试验的剪切应力-剪切位移关系曲线如图 7所示。

由图7可知，当试样为土石混合时，随着剪切位移的增加，剪应力呈现出先增加后减小的趋势，剪应力-剪切位移曲线主要经历3个阶段，为应变硬化、应变软化以及残余变形，有明显的峰值强度。

后5组为单一粒组，粒径区间为2 mm以下，2～5 mm，5～20 mm，20～60 mm，60 mm以上。

由于扰动过的冰碛土抗剪强度过小，采用ZJ型应变控制式直剪仪对粒径为2～5 mm和2 mm以下的2个粒组进行直剪试验，试验结果见表1、表2。

试验的剪切应力-剪切位移关系曲线如图 8所示。

当试样全为石块时，剪应力呈现出先增加后不变的趋势，表现为应变硬化特性，峰值强度不明显。

3 试验成果分析

3.1 剪切应力-剪切位移特征

从剪切应力-剪切位移关系曲线可以看到，在剪切初期，不同粒径的冰碛物在较小的剪切位移下迅速增长，法向应力越大剪切应力的增长速度越快；无论含石量和垂直压力有多大，在剪切过程中，可以看到曲线有“跳跃”现象，究其原因是剪切面上冰碛块石的破碎，翻转和错动，因此每组试验中都出现剪应力下降的现象。

3.2 抗剪强度特性

冰碛物的抗剪强度如图9所示。可以看到粒径大小是影响冰碛物抗剪强度的重要因素，冰碛物的抗剪强度变化的总趋势为随含石量的增大而增大；当全为粗颗粒时，抗剪强度基本都大于土石混合冰碛物。

冰碛物的抗剪强度主要是有粗颗粒形成的骨架作用提供，骨架间的咬合力随着粒径的增大而增大；细颗粒则充填内部孔隙，增强咬合力。粒径在20～60 mm时，冰碛物的抗剪强度最大，其次为粒径大于60 mm，究其原因是当粒径全为60 mm以上时，试样内部没有细颗粒，块石组成的骨架结构中空隙较多，造成试样抗剪强度降低的结果。

4 结论

通过冰碛物的粒径分析和开展室内大型直剪试验，对冰碛物的工程性质进行了研究，可知：

（1）冰碛物的分选性极差，粒径差异大，大到巨砾、角砾、砾石，小到砂、粉砂和黏土，通过现场测量，冰碛物粒径小到几毫米，大到十几米。

（2）从剪切应力-剪切位移关系曲线中，可以看到冰碛物在垂直压力作用下，具有明显的峰值强度特征；曲线中看到“跳跃”现象——剪应力随着应变的增加而降低，是由于剪切过程中试样的破碎，最终出现了应变软化特性。

（3）从大型直剪试验可以看出，抗剪强度的变化与冰碛物组成结构特征密切相关。随着含石量的增加，试样内部的骨架结构逐渐形成，剪切影响带的范围逐渐扩大，冰碛物的抗剪强度也逐渐增长。

（4）由试验结果可知，冰碛物的抗剪强度主要是由粗颗粒形成的骨架作用提供。当粒径为2 mm以下和2～5 mm时，冰碛土的抗剪强度远小于含有块石的冰碛物；当粒径全为20～60 mm时，冰碛物的抗剪强度最大；当粒径全为60 mm以上的冰碛物时，试样中不存在细颗粒，所形成的骨架结构空隙较多，结构不稳定，导致抗剪强度降低。

参考文献

［1］ 马泽平. 川藏交通廊道冰碛物工程性质研究［D］.成都：西南交通大学，2013.

［2］ 李骅锦，冯文凯，许强，等.四川理县小歧村冰碛物角砾土抗剪强度特性研究［J］.人民长江，2015，46（12）：37-41.

［3］ 冯俊德，李建国，汪稔，等.云南某铁路冰碛土大型直剪强度特性试验研究［J］.岩土力学，2008，29（12）：3205-3210.

［4］ 杨东旭，游勇，王军朝，等.藏东南帕隆藏布流域冰碛物典型特征及工程效应［J］.防灾减灾工程学报，2020，40（6）：841-851.

［5］ 徐鼎平，汪斌，江龙剑，等.冰碛土三轴数值模拟试验方法探讨［J］.岩土力学，2008，29（12）：3466-3470.

［6］ 江强强，徐杨青，王浩.不同含石量条件下土石混合体剪切变形特征的试验研究［J］.工程地质学报，2020，28（5）：951-958.

［7］  程强，郭喜峰，杨莹辉.泸定大渡河桥冰碛土剪切蠕变特性试验研究［J］.工程科学与技术，2019，51（3）：26-35.

［8］ 蒙进，屈智炯.高压下冰碛土的颗粒破碎及应力应变关系［J］.成都科技大学学报，1989（1）：17-22+56.

［9］  屈智炯，刘双光，刘开明，等.冰碛土作高土石坝防渗体材料的试验研究［J］.成都科技大学学报，1989（1）：1-8.

［10］ 張斌，屈智炯.冰碛土的应力-应变-强度特性的研究［J］.成都科技大学学报，1991（3）：29-34.