砾质滑带土剪切特性试验研究

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(1.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆400074；2.重庆交通大学重庆市高校水工建筑物健康诊断技术与设备工程研究中心，重庆400074)

三峡库区滑坡治理工程的大量资料表明，滑带土的抗剪强度对滑坡稳定性评价和滑坡治理工程设计有很大影响。对滑带土力学行为的研究主要集中在剪切强度和变形特性上，其基本研究方法可以概括为：试验和理论研究相结合、微观和宏观研究相结合[1]。最基本也最有效的方法为：通过室内试验，结合理论研究分析滑带土的峰值强度、残余强度、完全软化强度和长期剪切强度[2]；现场试验虽然也是一种有效的研究方法，但与室内试验相比，现场试验有试验耗时长、成本高昂、方法较单一的缺点。

目前，为满足滑坡稳定性评价和滑坡灾害防治的需要，在滑带土研究上已积累了大量的工程地质研究成果，这些成果主要体现在滑带土的强度特性方面[1]。一方面，土体抗剪参数具有较为明显的区域特征[3]；另一方面，滑带土又具有不同于其他类型土的结构、成分及受力特性，如一般均含碎石[4]，历史上大多受过剪切变形。目前的滑带土研究，大多数都是以一般的细粒黏性土为研究对象进行的[5—7]，刘小丽等[1]对此进行过系统的总结和分析，指出研究工作中应加强特殊滑带土(如砾质滑带土)的研究、推动新的试验技术和研究方法的发展以及正确运用反分析法等。值得注意，三峡库区滑带土的明显特征为：多数含有一定量的碎石[4]。而砾石对于滑带土的剪切特性有着明显的影响[8-9]。

正交试验法是一种利用正交表科学地安排和研究多因素多水平的试验设计方法，正交试验法根据正交性原理，在全面试验中选出一部分具有代表性的试验进行研究，这些被挑选出来的试验点均匀分散，整齐,同时具有可比性。正交试验法具有效率高、更快速、更经济的特点[10]。正交表是一种规范化的根据正交原理设计的表格，是进行正交试验时安排试验和分析试验结果的基本工具。其符号为Ln(rm)。其中，L为正交表代号；n为正交表横行数，反映需要做的试验次数；r为各因素的水平数；m为正交表纵列数，反映最多可安排的因素数。例如L8(27)，表示该正交表最多可安排7个2水平的因素，需要进行8次试验，而相应的7因素2水平全面试验的次数为：27=128次，显然大大减少了试验次数[11]。

为研究三峡库区砾质滑带土剪切特性，本文采用人工重塑土样，模拟三峡库区采集的砾质滑带土，采用直剪试验对其在不同法向压力下的剪应力、剪应变、剪切强度参数，进行试验研究，并结合正交试验，分析和讨论砾质滑带土剪切特性的影响因素。

1 试验方法

1.1 试验仪器

试验选用DZ-4型电动四联直剪仪(图1)，重塑土试样的尺寸为φ61.8 mm×H20 mm。四联直剪仪由电机驱动，经变速箱变速后，得到各档转速，再将推力传递给剪切盒，法向应力通过悬挂不同砝码控制，剪切位移和法向位移通过水平和垂直方向上的千分表分别读取并记录。

图1 试验仪器

1.2 试验材料

对三峡库区多处采集到的砾质滑带土的组成成分进行分析，发现其主要成分均为高塑性黏土，含有的砾石以砂岩或泥岩为主。故本文采用高塑性黏土与砂岩、泥岩砾石混合的重塑土来模拟三峡库区砾质滑带土。试验用黏土为采自重庆地区的天然土料，其基本物理性质为：土粒比重Gs=2.71，液限wL=50%，塑限wP=30%，塑性指数Ip=20；试验用砾石料采自长江沿岸典型砂岩-泥岩互层地层。

对三峡库区多处采集到的砾质滑带土进行筛分，并按照试验粒径与原粒径1∶10的比例进行缩尺，运用相似级配法和等量替代法处理超粒径颗粒后，得到a、b、c 3种级配，试验用砾石级配见表1。

表1 砾石级配 %

根据前期击实试验研究，确定了不同砾石含量和不同砾石种类条件下的重塑土最优含水率和最大干密度(表2)。

表2 击实试验结果

1.3 试验方案

a) 为了研究砾石含量、砾石级配、砾石强度等因素各自对砾质滑带土剪切特性的影响，采用控制变量法设计实验。对于本文研究的3个因素，每次试验仅选定1个因素为变量，保持另外2个因素不变，以此研究单个因素变化对砾质滑带土剪切特性的影响。试验方案见表3。

表3 单变量试验方案

按表3试验方案，在DZ-4型四联直剪仪上进行快剪试验，每个试样分别施加4种法向应力：100、200、300、400 kPa，为避免偶然性，每次试验安排3组平行试验，并对试验结果取平均值。根据SL 237—1999《土工试验规程》，试验采用的剪切速率为1.2 mm/min，剪切位移为6 mm。

b) 为了获得各影响因素对砾质滑带土剪切强度参数的影响程度大小排序，设计了正交试验。本次试验采用3因素3水平正交试验方案，设定3个因素，分别为砾石含量、砾石级配、砾石强度；砾石含量、砾石级配各选取3个水平，砾石强度选取2个水平；不考虑因素之间的交互作用，最终选用L9(34)正交表安排试验。其中，对于砾石种类的水平采用拟水平法设计。本试验因素水平安排见表4，具体试验方案见表5。法向应力、剪切速率、剪切位移等条件与a)相同。

表4 因素水平

注：A——砾石含量；B——砾石级配；C——砾石种类。下表同

表5 正交试验方案

2 控制变量的试验结果分析

2.1 砾石含量对砾质滑带土剪切特性影响

通过不同砾石含量下的滑带土直剪试验，得到黏聚力、内摩擦角与砾石含量之间的关系曲线，以及砾质滑带土剪切强度与砾石含量之间的关系。

图2是砾石含量与黏聚力、内摩擦角的关系曲线。从图中可以看出，内摩擦角随砾石含量的增加而增大。内摩擦角增大的主要原因是砾石含量增加后，经过团粒化的作用，一部分粗颗粒砾石被细粒的黏性土包裹，从而形成较大的团粒，其余未被包裹的砾石与黏土充填于较大团粒之间的孔隙中，增大了颗粒之间的咬合力，进而提高了颗粒之间的摩擦作用，使砾质滑带土的内摩擦角增大；另一方面，随着砾石含量的增大，砾质滑带土中的砂岩颗粒更容易建立完整的砂骨架，进而更显著地增大滑带土的内摩擦角。砾石含量增加后，滑带土的黏聚力呈现减小趋势，原因主要在于黏土中加入的砂岩颗粒，砂岩颗粒本身没有黏聚力，砂岩颗粒含量增加后，降低了黏土颗粒之间的胶结作用，从而使黏聚力减小。

图2 砾石含量～黏聚力～内摩擦角

图3是砾石含量与滑带土剪切强度的关系。由曲线图可得，滑带土的剪切强度随着砾石含量的增加呈现出增大的趋势。主要原因是：砂岩的强度远大于黏性土，黏性土中砂岩颗粒含量增加，提高了土体的强度。当试样受到剪切力时，试样中的砂砾相互挤压，砂岩颗粒含量越大，越容易形成完整的砂岩骨架，因而砾石含量越大剪切强度越大。

图3 砾石含量～剪切强度

2.2 级配对砾质滑带土剪切特性影响

为进一步研究砾石级配对滑带土的剪切强度特性的影响，在砾石含量为30%的条件下，按不同级配(a、b、c)配置砾石，进行直剪试验，整理出砾质滑带土黏聚力和内摩擦角与砾石级配之间的关系曲线，以及砾石滑带土剪切强度与砾石级配之间的关系。

图4是砾石级配与黏聚力和内摩擦角的关系曲线。在a、b、c 3种级配中，级配a的平均粒径d50为1.35 mm，级配b的d50为0.55 mm，c的d50为0.35 mm，从图中可以看出，其他因素不变的条件下，内摩擦角和黏聚力均随平均粒径d50的减小而减小。内摩擦角的减小的原因是：砾石粒径的减小导致剪切面的不整合度降低，土体的咬合力下降；黏聚力降低的原因是：滑带土的黏聚力主要来源于黏土的胶凝作用，滑带土砾石含量一定时，砾石粒径越小，砾石的颗粒数量越多，对黏土的胶凝作用削弱越大。因此，黏聚力和内摩擦角值均随平均粒径d50的减小而减小。

图4 砾石级配～黏聚力～内摩擦角

图5反映了砾石级配与滑带土剪切强度的关系。从图中可以看出其他因素不变的条件下，砾质滑带土的剪切强度与砾石颗粒粒径之间的关系是：砾石粒径越小，剪切强度越小。试验结果符合摩尔-库伦准则。

τf=c+σtanφ

(1)

式中τf——剪切强度，kPa；c——黏聚力，kPa；φ——内摩擦角，(°)；σ——正应力，kPa。

砾石粒径的减小降低了重塑土样的黏聚力和内摩擦角，根据摩尔-库仑准则可知剪切强度随砾石粒径的减小而减小。

图5 砾石级配～剪切强度

2.3 砾石种类对砾质滑带土剪切特性影响

表6为砾石强度与砾质滑带土剪切强度参数的关系表。从表中可以看出，含砂岩滑带土的黏聚力值和内摩擦角值均大于含泥岩滑带土。

表6 砾石种类与黏聚力及内摩擦角关系

图6为砾石种类与砾质滑带土剪切强度的关系曲线。由图可知，含砂岩滑带土的剪切强度大于含泥岩滑带土，但差值相对较小。一方面，砂岩的强度高于泥岩，导致剪切过程中形成的砂岩骨架强度高于泥岩骨架；另一方面，由于黏土的强度远低于砾石强度，因此剪切过程中应力和应变主要还是通过黏土进行调整，因此砾石自身的强度对砾质滑带土剪切强度影响不大。

图6 砾石种类～剪切强度

3 正交试验结果及分析

黏聚力和内摩擦角是重要的剪切强度参数，确定砾石含量、砾石级配、砾石种类对黏聚力和内摩擦角的主次影响，对研究砾质滑带土的剪切特性具有重要意义。根据既定正交试验方案进行试验，试验结果见表7。运用极差分析法分析试验结果，2种参数极差分析见表8。

其中Ki分别表示第各列因素第i水平所对应的试验指标值之和，例如第一列K1=5.34+6.93+8.945=21.216，以此类推，可得其他值。

ki=Ki/s

(2)

式中s——任一列上各水平出现的次数。k1、k2、k3分别表示任意一列上当因素取水平i时所得试验指标值的算术平均值，例如本次试验s=3，k1=4.31/3=1.44，以此类推可得其他值。值得注意的是，由于采用拟水平法，因素C的2水平在试验中出现6次，因此C因素k3=K3/6=97.968。

R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}

(3)

极差R反映了各因素的水平波动时，试验指标变动幅度，值越大，说明该因素对试验指标值影响越大。例如第1列R=18.427，以此类推可得其他值。

由表7易得各因素对2种指标值的影响大小排序。对于内摩擦角，各因素大小排序为A>B>C，即砾石含量影响最大，砾石级配次之，砾石种类影响最小；对于黏聚力，各因素大小排序为B>A>C，即砾石级配影响最大，砾石含量次之，砾石种类影响最小。

4 结论

通过直剪试验，结合正交试验理论，得出了砾石含量、砾石级配、砾石种类对砾质滑带土剪切特性的影响以及3种因素的敏感性排序。

a) 随砾石含量增加，内摩擦角增大，黏聚力降低，剪切强度提高；随平均粒径d50的减小，内摩擦角和黏聚力均减小，剪切强度降低；含砂岩滑带土的黏聚力值、内摩擦角值以及剪切强度均略大于含泥岩滑带土。

b) 对于内摩擦角，各因素影响大小排序为：砾石含量>砾石级配>砾石种类。对于黏聚力各因素影响大小排序为：砾石级配>砾石含量>砾石种类。