柿树沟泥石流物源体直剪强度特性试验研究

王硕楠，余宏明，师华鹏

（1．中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074；2．河南省地质矿产勘察开发局第五地质勘查院，郑州 450002）



柿树沟泥石流物源体直剪强度特性试验研究

王硕楠1，2，余宏明1，师华鹏1

（1．中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074；2．河南省地质矿产勘察开发局第五地质勘查院，郑州 450002）

摘 要：柿树沟泥石流为暴雨型泥石流，研究该物源土体前期的含水率及密实程度对于分析该类型泥石流的形成具有重要意义。在降雨过程中物源土体逐渐饱和且细颗粒也随之发生运移，造成了土体密度的改变及强度特征的影响。以柿树沟泥石流物源土体为研究对象，采用室内大型直剪试验，研究其在不同饱和度和干密度条件下的强度特性，分别得到饱和度、干密度与抗剪强度指标c和φ的关系，与强度包线的关系，与剪应力及位移的关系。结果表明：土样c值与饱和度成反比，与干密度成正比关系，且饱和前期变化较为明显；剪应力－位移曲线随着饱和度的增加峰值逐渐明显；前期充分降雨情况下，土体逐渐饱和且抗剪强度迅速下降，在径流作用下表层松散堆积物易被裹挟带走，形成泥石流。通过试验的研究，可以获取此类粒径组合下的泥石流物源体的强度指标变化特性，对该类泥石流的形成机制或预测预报的研究具有一定的参考和指导意义。

关键词：柿树沟泥石流；物源土体；大型直剪试验；饱和度；干密度；抗剪强度

1 研究背景

泥石流是一种典型的固液两相流，也是山区特有的一种突发性自然灾害现象。在我国，绝大部分泥石流暴发都是由于暴雨激发引起的，其中前期降雨量为爆发的重要条件［1］。在降雨作用下，物源土体的抗剪强度随着饱和度的增加而变化，当其小于剪切力时会出现剪切破坏［2］，在强降雨条件下，易形成泥石流［3］。而在含水率相同条件下，不同密实程度的土体其抗剪强度也是不同的。因此，通过直剪试验对岩土体施加剪切力（或剪切位移）进行试验的方法一直受到重视。大型直剪仪由于试样尺寸较大，可以更大限度地保存研究对象的土体级配特性，更为准确地测定土体强度［4］。通过大型直剪试验，魏厚振等［5］分析了蒋家沟砾石土在不同含水量下的直剪强度特性；方华［3］选取了文家沟滑坡堆积体不同位置的3组土样进行不同含水率下的直剪强度特性对比分析；谢凯等［6］对栾川县3种类型泥石流不同饱和情况下的直剪强度特性进行了分析。

柿树沟位于河南省栾川县陶湾镇以西5 km的伊河右岸，沟长约2．4 km，流域面积为1．17 km2，平均纵坡降206．46‰。根据资料记载，历史上曾多次发生小型泥石流，但2010年7月24日所暴发的泥石流破坏严重。经过调查，其暴发原因主要为在长达10 d的前期降雨情况下，又发生3h左右的短时强降雨，致使以往泥石流暴发时留存于沟道内的堆积体，在暴雨激发下启动形成泥石流。因此通过大型直剪试验，对柿树沟泥石流物源土体抗剪强度与饱和度及土体密实度的关系进行研究，分析土体特征变化对其抗剪强度的影响，对该类型泥石流启动的研究具有重要意义。

2 试验设备与材料

2．1 试验设备

大型直剪仪由于试样尺寸较大，可以更大限度地保存研究对象的土体级配特性、弱化尺寸效应，可以更为准确地测定土体强度［4］，试验所用仪器如图1所示，型号为STJY－5直剪仪。该仪器传感度精度高，是目前国内较先进的土工合成材料检测试验仪器，数据获取直观精确。其上、下盒长宽均为30 cm，上、下盒高分别为6 cm和8 cm，盒壁厚为2．5 cm，剪切面积为0．09 m2。

2．2 试验材料及制备

试验所用土样取自柿树沟内留存的以往泥石流暴发形成的沟床堆积体，试验采用粒径≤60 mm的重塑土样。土样的原始颗粒级配曲线如图2所示，其不均匀系数Cu＝20．6，曲率系数Cc＝1．56，级配良好，其中2～5 mm粒径所占比重为42%。试验土样液限WL为24．69%，塑限WP为17．53%，塑性指数为7．16。

图1　STJY－5直剪仪Fig．1 Direct shear apparatus STJY－5

首先控制土样干密度为1．65 g／cm3，设计土样饱和度分别为18%，50%，75%，100%，其对应的质量含水率分别为4．2%（天然含水率），11．72%，17．57%，23．43%进行配样；随后分别控制干密度为1．75，1．85 g／cm3且在4种不同饱和度条件下配置土样。在配置同种饱和度时，需将土样静置并使其水分充分消散；在配置同种干密度时，需保证土样中干密度均匀一致。

为了不固结快剪，剪切时尽量使土样与剪切盒充分接触。控制位移速度为0．8 mm／min，当位移达到16．8 mm时停止试验。剪切时土样加载的垂直压力分别为50，100，150，200 kPa。

图2　颗粒级配累积曲线Fig．2 Grading curve of grain size

3 结果与分析

3．1 水平剪切力和水平剪切位移的关系

根据试验结果，不同饱和度下剪应力与水平位移曲线具有相似规律，因此文中就不一一赘述。选取中等密实程度即干密度为1．75 g／cm3土样为例，对剪切过程中4种不同饱和度下剪应力与水平位移数据进行分析，其剪应力与水平位移关系见图3。

从图4中可以看出，随着饱和度的增加，剪应力位移曲线在4种垂直压力下均逐渐收敛；土样在垂直压力为50，100 kPa时较150，200 kPa时收敛更为明显，峰值出现较早；而在垂直压力为150，200 kPa下，剪应力位移曲线随着饱和度的增加也逐渐收敛，在达到100%饱和度时也明显具有峰值。

图3　不同饱和度下的剪应力与水平位移关系曲线Fig．3 Relationship between horizontal displacement and shear stress under different degrees of saturation

由于物源土体中粗粒含量较高，因此饱和度较低时未出现峰值的原因，魏厚振等［5］、徐文杰等［7］认为是由于图样中粗粒含量较高，孔隙率较大，在对其施加垂直荷载情况下，细小颗粒填充孔隙产生剪缩效应，峰值出现较晚，如水平位移继续增大，土体体变会趋于稳定，最终产生峰值。而垂直压力较高时不容易出现峰值的原因，方华［3］认为是由于此时土样受较大的垂直荷载作用体胀体现不明显所致。而当物源土体饱和度为100%时，由试验结果可知，3种干密度情况下剪应力位移曲线均较低饱和度时出现明显收敛，该现象较文献［3－4］中更为明显，可以认为原因之一是由于试验中采用剪切位移超过16．8 mm时停止试验，较文献［3］中的4～5 mm和文献［4］中的8～9 mm时停止试验观察的数据更多，使得试验结果更为明显；原因之二是由于试验中最大含水率为达到土体100%饱和度时进行的，而前人的研究成果中，没有考虑饱和土体的含水率，其试验中最大含水率分别为21%和11%，也使得本次试验结果中规律更为明显。

3．2 c，φ与饱和度、干密度的关系

根据摩尔库仑定律，土体的抗剪强度主要由黏聚力c和内摩擦角φ控制。根据试验结果进行整理，可得出c值分别与饱和度、干密度的关系，如图4；φ值分别与饱和度和干密度的关系如图5。

由图4（a）可知，c值与土体的饱和度呈现出反比关系，饱和度越大，黏聚力越小，特别是当饱和度由18%增加到50%时，c值变化非常明显；当饱和度继续增大到100%时，c值变化较小。说明在饱和过程中，土体间空隙被水填充，颗粒间的引力也随之变小，黏聚力呈现骤减的现象；同时物源土体强度的破坏主要发生在饱和度增加的前期，因此应尽早控制土体的含水率，避免其强度的骤然减小。由图4（b）可知，c值与土体的密实程度呈现出正比关系，干密度越大，土体间的孔隙率越小，黏聚力越大；且土体饱和度越大，其干密度与黏聚力的变化趋势越趋于相同。说明土体越密实，颗粒之间距离越小，黏聚力也就越大。

图4　c与饱和度、干密度的关系曲线Fig．4 Relationships of saturation and dry density vs．cohesion

图5　φ与饱和度、干密度的关系曲线Fig．5 Relationships of saturation and dry density vs．inner friction angle φ

与c值不同，从图5（a）可以看出内摩擦角φ随饱和度的变化呈波动趋势，无明显趋势；从图5（b）可以看出内摩擦角φ随干密度的变化也无明显趋势。主要原因是物源土体中的粗颗粒主要成分为花岗岩风化物所形成的粒径为2～5 mm的石英和长石，以砂砾为主，黏粒所占比重较小，因此内摩擦角受土体饱和度和密实度的作用效果有限。其次，从试验过程考虑，也可能是由于采用重塑样进行试验，且土样在试验中反复使用，很难使试样土粒的均匀性得到保证，所以对φ值的结果也有一定影响。由此可以看出，土体不断饱和的过程中，其强度主要是由土体颗粒之间黏聚力决定的。

3．3 抗剪强度曲线与饱和度及干密度的关系

土体抗剪强度与饱和度以及干密度的关系可以很直观地由抗剪强度曲线观察出。土体在饱和度分别为18%，50%，75%，100%情况下的强度曲线见图6，干密度分别为1．65，1．75，1．85 g／cm3情况下强度曲线见图7。

图6　土体在不同饱和度下的强度曲线Fig．6 Strength curves of soil under different degrees of saturation

图7　土体在不同干密度下强度曲线Fig．7 Strength curves of soil under different dry densities

从图6可以看出物源土体抗剪强度与天然密度成正比，土体越密实抗剪强度越大。从图7可以看出物源土体抗剪强度与土体饱和度成反比，饱和度越大抗剪强度越小。这就再次验证土体密实度以及饱和度对抗剪强度的影响较大。说明结构松散的物源土体应做好防水排水措施以尽量控制其饱和度，以免其在降雨作用下强度破坏进而形成泥石流。

根据匡乐红［8］对暴雨型泥石流在降雨入渗过程中的变化的研究，可以分别对应试验结果进行分析［6］。当物源从天然含水率到逐渐饱和的过程中，降雨持续入渗进入土体，土体强度不断降低；当物源土体快要达到饱和时，土体黏聚力及抗剪强度进一步下降，近似于饱和度100%时的大小；当物源土体达到饱和时，地表出现径流，对松散堆积体进行侵蚀，随着进一步的降雨作用，径流的挟沙能力增强，侵蚀能力也随之增强，造成泥石流的形成。

3．4 试验结果分析

通过试验结果可知，在相同干密度条件下，柿树沟沟道内物源土体在持续降雨过程中饱和度逐渐增加，其黏聚力不断降低，抗剪强度也随着饱和度的增加而降低，当该趋势达到一定程度时，土体强度遭到破坏。同时由于土体中粗粒含量较多的关系，其渗透系数较大，持水能力较弱，较易形成地表径流，冲刷侵蚀沟道内的物源土体，致使物源开始逐渐启动；伴随着降雨的进一步进行，径流开始汇集，产能也逐渐增大，开始冲刷并大量裹挟沟道内的物源土体运动，最终形成泥石流。

在其他条件相同的情况下干密度越大，物源土体的抗剪强度越大，越不容易产生剪切破坏并启动形成泥石流。因此在泥石流防治中，应当重视沟道内结构松散的堆积体，对其进行及时清理，在不方便清理的情况下也要及时采取压实处理，以尽量避免泥石流形成条件得以满足。

4 结 论

本文采用室内大型直剪仪，对柿树沟泥石流物源土体进行不同饱和度和不同干密度土样进行试验，得出以下结论：

（1）物源土体的黏聚力与饱和度成反比关系，随饱和度的增加而减小，该现象在18%～50%的饱和度之间下降最为明显，说明黏聚力的降低主要发生在土体饱和的前期。而c值随干密度的增加而增大，说明土体密实度以及饱和度对抗剪强度的影响较大。物源土体的内摩擦角φ受饱和度、干密度的影响较小，无明显变化趋势。因此对于结构松散的物源土体应加强防水排水措施，以有效控制其饱和度处在安全范围，以免其在降雨作用下强度进一步破坏进而形成泥石流。

（2）由于物源土体中粗粒含量较高，天然状态下，剪应力位移曲线未出现峰值，但随着饱和度的增加，物源土体的剪应力位移曲线的峰值逐渐明显，其中垂直压力为50，100kPa时较150，200kPa时曲线的收敛更为明显。说明在同样垂直荷载情况下，抗剪强度与土体的饱和度成反比关系，其随着饱和度的增加而减小。

（3）柿树沟泥石流物源土体在降雨条件下逐渐达到饱和的过程中，土体黏聚力急剧下降，抗剪强度降低，同时随着土体的饱和，出现地表径流并伴随持续降雨而使其侵蚀和挟沙能力也加强，造成泥石流的发生。

（4）由于柿树沟泥石流物源土体中粗粒含量较高的特性，其持水能力降低，在持续降雨条件下易形成地表径流，对物源土体造成冲刷侵蚀，使其强度降低，易形成泥石流。因此应加强对此类物源泥石流沟的监测及防范。

参考文献：

［1］ 费祥俊．泥石流运动机理与灾害防治［M］．北京：清华大学出版社，2004：18．

［2］ 刘雷激，朱平一，张 军．泥石流源地土抗剪强度指标φ、c值同含水量Q的关系［J］．山地研究，1998，（2）：99－102．

［3］ 方 华．文家沟泥石流源地土体直剪强度特征试验研究［J］．工程地质学报，2011，19（增）：146－151．

［4］ 刘小丽，罗锦添，闵 弘，等．大型现场室内两用直剪仪研制（II）：试验测试［J］．岩土力学，2006，（2）：336－340．

［5］ 魏厚振，汪 稔，胡明鉴，等．蒋家沟砾石土不同粗粒含量直剪强度特征［J］．岩土力学，2008，（1）：48－51．

［6］ 谢 凯，余宏明，彭祖武，等．河南省栾川县泥石流源地土大直剪试验［J］．山地学报，2013，31（6）：738－744．

［7］ 徐文杰，胡瑞林，岳中琦，等．基于数字图像分析及大型直剪试验的土石混合体块石含量与抗剪强度关系研究［J］．岩石力学与工程学报，2008，27（5）：996－1007．

［8］ 匡乐红．区域暴雨泥石流预测预报方法研究［D］．长沙：中南大学，2006．

（编辑：姜小兰）

Strength Characteristics of Direct Shear Test on Source Materials of Debris Flow in Shishu Gully

WANG Shuo⁃nan1，2，YU Hong⁃ming1，SHI Hua⁃peng1
（1．Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2．No．5 Institute of Geo⁃exploration Bureau of Henan Province，Zhengzhou 450002，China）

Abstract：Debris flows of Shishu gully are induced by rainstorm，and it is important to study the impacts of moisture content and compaction rate of source⁃region soil on the formation of debris flow at early stage．During rainfall，source⁃region soil is gradually saturated and fine grain moves，which leads to the changes of soil mechanical proper⁃ties such as density and strength．In this paper，we carry out direct shear test on source⁃region soil of debris flow in Shishu gully by using large⁃scale apparatus to explore strength behavior in the presence of different degrees of satu⁃ration and dry densities．We obtain the relationships of saturation and dry density vs．shear strength index c（cohe⁃sion）and φ（inner friction angle），as well as relationships of saturation and dry density vs．strength envelope，shear stress，and horizontal displacement，respectively．The results show that：1）relationship between c and satu⁃ration shows tendency of inverse proportion，whereas c is in proportion with dry density，especially at early stage of saturation；2）shear stress vs．horizontal displacement curve’s peak becomes obvious as the degree of saturation in⁃creases；3）in the presence of adequate rainfall at early stage，source⁃region soil gradually becomes saturated and sudden drop of shear strength occurs；then，loose deposits at the surface layer are easy to be taken away by water flow，which causes the formation of debris flow．Through the experiment，we obtain the variation behavior of strength index for source⁃region soil of such grain size distribution．The results offer reference for the research of for⁃mation mechanism and the forecast of such debris flow．

Key words：debris flow in Shishu gully；soil of source region；large⁃scale direct shear test；saturation；dry density；shear strength

作者简介：王硕楠（1984－），女，河南郑州人，工程师，博士，主要从事地质灾害分析方向的研究，（电话）15639916103（电子信箱）30726534＠qq．com。

收稿日期：2015－01－26；修回日期：2015－03－17

中图分类号：TU411

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0093－05