粗粒含量对含粗粒滑带土剪切特性影响研究★

李鸿钊 李泽闯 袁安泰 赵金炎 苏新成

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

滑坡出现，对人民生活、经济建设和人民财产造成巨大的损失，滑坡滑带土存在于多数滑坡的滑床与滑体之间，成为滑坡中力学强度最低的软弱带。大量滑坡的滑带土勘察数据表明，土质滑坡的滑带土多为含粗粒土，即根据SL 237—1999土工试验规程，试样中粗粒组质量为总质量的25%～50%的土。对含粗粒滑带土的研究有很多问题。首先，现在对其力学性质的研究没有好的方法；除此之外，力学参数取值是一个备受讨论的话题，很少研究不同粗颗粒含量和其他因素作用下参数变化情况。

含粗粒土的粗粒含量是决定其变形破坏的关键因素，对其力学性能有着重要的影响。Shakoor等[1]对含粗粒土进行过直接剪切试验，得到含石率增加，含粗粒滑带土试样的无侧限抗压强度下降[2]。提出了一种基于加利福尼亚弗朗西斯卡地区滑坡现场分析的反演方法，可用于评测不同岩土体的力学特性。Vallejo等[3，4]探讨了粗粒含量对含粗粒滑带土抗剪强度及其内部孔隙比的影响。方庆军等[5]利用光学测试技术，获取试样观测面在荷载作用下连续变化的数字图像，并结合数字相关法，进行试样表面相对位移场的测量，以确定剪切带通过的区域，进而确定剪切带细观结构的观测区域。

本项研究利用室内直剪仪，借助有机钢化玻璃对剪切盒进行可视化改造，在钢化玻璃前放置高清数字视频录制设备，录摄剪切盒中含粗粒土试样中的土颗粒的变化情况，研究滑坡滑带土的力学行为特性。首先进行滑带土野外取样，通过调整滑带土的粗粒含量得到不同类别的滑带土重塑试样，利用室内剪切试验得到滑带土抗剪强度参数。通过这些研究，希望能对今后滑坡滑带土强度参数的选取提供参考。我们把含粗粒滑带土的宏观的力学特征与细观参数联系起来，完善滑带土受力后的宏、细观机理。

1 试验方法

实验室试验是滑带土力学性能研究的基础，这方面的研究一直是岩土工程专家学者的热点，直剪试验由于其操作简便、适用范围广而应用最为普遍。直剪试验仪器虽在近年得到了发展，但仍存在不足，由于传统剪切盒均是由不透明的钢板制作而成，很难直接观测到试样在剪切过程中粗颗粒错动、剪碎、翻滚等细观参数的变化情况。

传统的直剪试验只能得出土体的强度参数，而无法探究含粗粒土在受剪时的土颗粒的运动变形过程，为了测出含粗粒土在受剪时的变形状态，需要对剪切盒进行可视化改造。本项研究将上剪切盒由完全透明的有机钢化玻璃制成，上剪切盒主体为83 mm×83 mm×25 mm的长方体(见图1)。可直接观测含粗粒土的变形破坏情况。通过观察颗粒运动及土体变形，能更加深刻的了解含粗粒土剪切破坏情况及理解直剪试验的原理，从而更好地理解含粗粒土的受力情况和剪切带的发育过程。

利用高清数字视频录制设备通过透明的有机玻璃录摄剪切盒中土颗粒变化情况，由数字图像细观结构分析软件，统计分析含粗粒滑带土颗粒长轴定向等细观组构参量的变化规律。

试验其他方面可按照直剪试验要求操作，首先配置试样，测定原状土的成分，并使用一组不同孔径大小的标准土壤筛分离一定量的对应于筛孔尺寸的土粒，通过称重得到各组的质量，即可得到各粒组相对含量。此试验的含粗粒土重塑样细粒组含量与原状样相同，不断增加粗粒含量部分，粒径为2 mm～0.5 mm，0.5 mm～0.25 mm和0.25 mm～0.075 mm间颗粒质量相同程度增加。根据相关公式计算粗粒干土和水的质量。将分层的土放入置于电子秤上的容器中，慢慢将水喷入其中，防止加水过量。

本次试验采用应变控制式直剪仪，所需环刀尺寸为直径61.8 mm，高度20 mm，采用标准的试验方法进行试验，得出不同垂直压应力P(100 kPa,200 kPa,300 kPa, 400 kPa)对应的抗剪强度τ，τ和P符合库仑方程，绘制τ—P关系曲线，得出抗剪强度指标内摩擦角Φ和粘聚力C。

直剪试验过程中，剪切面附近上剪切盒中颗粒会因受力而运动，可视化剪切盒可以使直剪试验中土颗粒的受剪过程直观的展现出来，利用高清数码摄录装置记录下来，并利用图像处理软件进行分析处理(见图2)。

2 试验结果

直剪试验研究表明：粗粒含量的变化会引起滑动带内部结构的变化，从而对滑动带抗剪强度产生影响。当含粗粒土中粗粒含量大于25%并小于30%时，抗剪强度基本上决定于细粒土；粗粒含量在30%～50%时，粗细粒的组合一起决定抗剪强度，抗剪强度随着粗粒含量的上升而迅速增大。

本项研究尝试运用数字图像分析软件，对滑动带滑动过程细观图像进行处理分析，发现：含粗粒滑带土试样的粗粒含量大于25%并小于30%时，粗颗粒悬浮于细颗粒中，可定义为“悬浮结构”；当粗颗粒含量在30%～50%时，由于粗颗粒所占比重多，形成骨架，其在受力时起主要作用。开始剪切试验后，随着剪位移的增加，剪切盒内粗颗粒产生平移、挤压、转动和错动，滑动带中孔隙率逐渐降低。

3 试验结论

本项目通过调整滑带土粗粒含量得到不同类别的滑带土重塑试样，利用直剪试验得到滑带土抗剪强度参数。常规的直剪试验无法直接观察直剪过程中内部土样的变化过程，本项研究利用有机钢化。玻璃对直剪试验仪的剪切盒进行可视化改造，借助高清数码摄录装置观察含粗粒滑带土剪切过程中粗颗粒翻转等细观情况。所得结论如下：

1)含粗粒土的抗剪强度特性，当粗粒含量在25%～30%范围时，基本上细粒土决定含粗粒土的抗剪强度，粗粒含量的增加对抗剪强度的影响很小；粗粒含量在30%～50%时，粗细粒的组合一起决定抗剪强度，抗剪强度随着粗粒含量的上升而迅速增大。粗粒含量是决定抗剪强度的主要因素。

2)含粗粒土，由粗粒和细粒共同组成，当含粗粒土中粗粒含量不同时，试样中粗粒和细粒的分布状态不同，其接触受力状态也不同，当粗粒含量在25%～30%范围时，含粗粒土中粗颗粒所占比例较低，粗颗粒悬浮于细颗粒中，其工程性质与力学性能的特点类似于细粒土。其强度主要由细粒土决定，此时可定义为“悬浮结构”。当粗颗粒含量在30%～50%时，由于粗颗粒所占比重多，形成骨架，其在受力时起主要作用，细颗粒存在于粗颗粒的空隙中。含粗粒土强度由粗颗粒间的嵌锁和细粒的胶结作用构成。

3)可视化直剪初期，位移和应变分布不均匀，只有部分颗粒表现出较大的位移和剪应变，随着剪切运动的进行，试样中粗颗粒产生平移、挤压、错动和转动，颗粒接触不断调整。