土石混合体剪切强度的室内外对比试验研究

黄宜胜 方鼎元 李建林 王彦海 李新哲

(1. 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002)

土石混合体是指第四纪以来形成的一种介于均质土体和裂隙岩体之间，由具有一定工程尺度的强度较高岩块和强度相对较低的细粒土体及相应的孔隙等组成的极端不均匀的松散岩土介质系统[1]．在我国广泛存在由土石混合体组成的滑坡和边坡，据统计，仅长江上游地区100 km2范围内就有1 736处滑坡，总体积为133.9亿m3，其中90%为土石混合体滑坡[2]．同时三峡库区还存在着前缘高程低于175 m，总面积达135.9 km2的崩塌体，约占水库总面积的12.5%[3]．这些边坡及滑坡的稳定性是区域工程地质稳定性的关键因素，也与库区人民的生活生产及安全密切相关．因此，研究土石混合体的力学性质，特别是在剪切状态下的力学响应是非常有必要的．

土石混合体的高度离散性特征决定了土石混合体变形破坏和内部细观机理的特殊性，也决定了其研究方法与传统岩土力学方法存在着重大差异．土石混合体含有不同大小、不同种类、不同数量的砾石块体，具有典型的非均质、非连续性，很难在现场采集到原状样来进行室内试验，而室外大尺度原位试验可以直接对原位样进行测试，简单易行、费用低、结果可靠，因此室外原位试验已成为研究土石混合体力学特性的一种有效手段．油新华、李晓、徐文杰等通过大量室外原位试验，详细介绍了土石混合体分布特点、地质成因、结构特征及其变形破坏特性，为室内试验的开展奠定了良好的基础[4-6]．室外原位试验多以获取土石混合体宏观力学参数为目的，难以深入揭示土石混合体变形破坏的本质规律、内在机理和决定性因素．因此，室内试验成为揭示土石混合体力学响应及变形破坏机理的重要途径．邓华锋、赵明华、胡峰等基于大量的室内直剪试验，研究了不同组成结构特性如含石量、粒度组成与分布、含水率等对土石混合体的剪切强度和变形破坏的影响[7-9]．可是常规的土石混合体室内试验均为小试样试验，其结果不可避免地受到尺寸效应的影响，而且原状样在取样和运输工程中会对试样有一定损伤作用，其结构性发生了变化，导致其强度参数也会发生变化．

上述研究成果一般是单方面进行室外原位试验或者室内原状样试验，这就势必提出这样一个问题，原位试验与室内试验所得指标是否一致？为解决上述问题，本文以三峡库区具有代表性的藕塘滑坡为例，对滑坡体上的土石混合体采用室外原位与室内原状样直剪试验相结合的研究方法，综合分析，互相验证，初步获得了土石混合体更加准确而全面的力学特性及其相应的强度参数研究方法．

1 试验方案设计

1.1 试验点选取

试验地点为三峡库区代表性滑坡藕塘滑坡，其位于重庆市奉节县安坪镇长江右岸，藕塘滑坡为古滑坡，面积约1.78 km2．滑坡区上层岩性主要为第四系覆盖层，试验点岩土体类别主要由粉质粘土夹砂岩、粉砂岩及粘土岩碎块石组成，颜色为黄褐色，粉质粘土呈可塑、可硬塑状，块石块径1～70 cm，多呈棱角状或次棱角状，块石含量一般为40%～80%．

根据高程由下至上在滑坡上依次选取4组试验点，每组试验点开挖3个试样，为了保证每个试样土石混合体的结构及组成的相似性，每组的3个试样以临近位置为主．室外试验点编号根据高程由下至上分别为YW1、YW2、YW3、YW4．为保证室外原位样与室内原状样力学特性的可比性，在每组室外原位试验结束后原地采集4个原状样，每组室内原状样编号与室外原位样一一对应，4组室内原状样编号分别为YZY1、YZY2、YZY3、YZY4，共计16个原状样运回实验室开展室内直剪试验．

1.2 直剪试验法向应力选取

藕塘滑坡滑体厚度一般为40～70 m，平均厚度约为50.8 m[10]．经室内称重，室外原位4个试验点土石混合体平均密度约为1.916 g/cm3，由此可以得出主滑带处平均法向应力约为50.8×1.916×10=973.328 kPa．综合考虑藕塘滑坡三级滑带深度的差异性及室内外试验设备加载能力的限制，室外原位直剪试验3级法向应力定为50.86、76.30、101.73 kPa，室内原状样直剪试验4级法向应力定为100、200、300、400 kPa．

1.3 室外原位直剪试验方案

1.3.1 试验设备

室外原位试验所包括的设备有：①剪切盒：用于制备试样，试样尺寸为500 mm×500 mm×300 mm；②位移计：在剪切盒前后各安放一个位移计，用于测量土石混合体试样在剪切过程中的位移变化，试验完成后取两个位移计读数的平均值为剪切位移；③千斤顶：用于对土石混合体试样施加法向应力和剪切应力；④反力装置：运用地锚提供垂直压力反力，以达到直剪结构系统的力平衡．如图1所示．

图1 室外原位直剪试验设备

1.3.2 试验步骤

对室外原位每组3个原位样分别施加3级法向应力，3级法向应力分别为50.86、76.30、101.73 kPa．室外原位直剪试验采用平推法，在不同的法向应力下，施加水平剪力使其破坏，记录试样剪切过程中的剪切应力和剪切位移，绘制出土石混合体试样的剪切应力-剪切位移关系曲线，从而得出每组试验点土石混合体的抗剪强度．

1.4 室内原状样直剪试验方案

1.4.1 试验设备

室内原状样试验所包括的设备有：①PVC管：采用外径250 mm内径240 mm，高200 mm的PVC管运输及保存原状样，同时室内原状样采用直径240 mm，高200 mm的圆柱体进行直剪；②直剪仪：为了更加准确获得土石混合体的强度特性，选用YZW1000型应力式直剪仪对原状样进行剪切．如图2所示．

图2 室内原状样直剪试验设备

1.4.2 实验步骤

对每个室外原位试验点现场所采集的4个原状样分别施加4级法向应力，4级法向应力分别为100、200、300、400 kPa．将原状样置于直剪仪中，采用不固结不排水剪切方式，并设置直剪仪剪切参数，其中水平剪切荷载加载速率为1.0 mm/min，最大剪切位移36 mm．直剪试验完成后，导出直剪仪自动生成的数据，绘制室内原状样的剪切应力-剪切位移关系曲线．

2 粒度组成分析

根据室外原位各试验点的分布，分别对YW1、YW2、YW3、YW4试验点的土石混合体采用室内筛分法进行了粒径分析，同时采用室内烘干法进行了含水率的测量．通过标准筛可得原位每组试验点土石混合体的级配曲线(如图3所示)及粒径分布直方图(如图4所示)．在图4中，组别1：大于60 mm；组别2：40～60 mm；组别3：20～40 mm；组别4：10～20 mm；组别5：5～10 mm；组别6：2～5 mm；组别7：1～2 mm；组别8：0.5～1 mm；组别9：0.25～0.5 mm；组别10：0.075～0.25 mm；组别11：小于0.075 mm．经统计，不同试验点含水率、含石量、不均匀系数及曲率系数见表1．

图3 原位每组试验点级配曲线图

图4 原位每组试验点粒径分布直方图

试验点W/%R/%CcCuYW116.6128.724.970.33YW215.6732.326.770.93YW315.3935.848.570.67YW415.1536.227.420.87

通过对上述图表的分析，可以得出：

1)滑坡不同位置上土石混合体粒径分布差异明显，含石量各不相同(粒径大于5 mm)，离散性较大，这也在一定程度上反映出土石混合体研究的困难性．但是从粒径分布整体上来看，又有一定的共性．该土石混合体滑坡每组试验点粒径组别的质量百分含量最高的均为第六组，也就是该滑坡2～5 mm的粒径含量最高，同时从图4可以看出粒径的大小基本上符合对数正态分布，呈现偏正态，这也说明自然界土石混合体的粒径分布具有一定的规律可循．

2)通过级配曲线，采用内插法计算出每组室外原位试验点的不均匀系数(Cu)和曲率系数(Cc)，如表1所示．从表中综合分析，该土石混合体滑坡各粒径分布极度不均匀，离散程度较大，不均匀系数(Cu)均大于24，最大甚至达到48.57，但曲率系数(Cc)较小，且都不过1，说明该滑坡粒径组成在d30与d60范围内有台阶，这一范围内缺失某大小粒径，该土石混合体滑坡级配不良．

3)通过比较各试验点含水率及含石量情况，可以看出越靠近库岸，其含水率越高，但相应的含石量却越低．

3 室外原位与室内原状样直剪试验结果对比

3.1 剪应力-剪切位移关系曲线结果分析

图5、图6分别为每组室外原位样与每组室内原状样在不同法向应力下剪应力-剪切位移关系曲线，两种试验方式抗剪强度统计表分别见表2、表3．

图5 室外原位直剪试验剪应力-剪切位移关系曲线

图6 室内原状样直剪试验剪应力-剪切位移关系曲线

表2 室外原位直剪试验抗剪强度统计表(单位：kPa)

表3 室内原状样直剪试验抗剪强度统计表(单位：kPa)

分析上述曲线及数据，可知：

1)室内原状样与室外原位直剪过程基本上表现为全应力-应变曲线，变化特征表现为明显的应力屈服及塑形变形．两种试验曲线总体规律一致．

2)室外原位试验和室内原状样试验的峰值强度均随法向应力的增大而增大，且曲线初始线弹性变形阶段也随之变长，且更陡，弹性模量因此更大．剪切过程有峰值强度，但不显著，所有试样的剪应力-剪切位移关系曲线在峰值强度前后很大的范围内几乎呈现水平状发展，这也说明土石混合体这种材料具有较高的承载能力和大变形性特征．

3.2 直剪试验抗剪强度参数误差分析

根据直剪试验做出抗剪强度-法向应力关系曲线，根据曲线中的回归直线方程可得出土石混合体的内摩擦角φ及粘聚力c．图7、图8分别是室外与室内直剪试验抗剪强度-法向应力关系曲线，相关系数基本在95%以上，拟合效果较好．相比于室内原状样直剪试验，做出室外原位直剪试验抗剪强度参数的变化率统计表，增大为正，减小为负，见表4．

图7 室外原位试验抗剪强度-法向应力关系曲线

图8 室内原状样试验抗剪强度-法向应力关系曲线

组号室外试验强度参数φ/° c/kPa室内试验强度参数φ/° c/kPa参数变化率φ/° c/kPa128.8169.9327.0266.25-6.21-5.26234.0265.0630.0559.48-11.67-8.58338.6560.5433.4853.15-13.38-12.21439.5260.4134.2752.67-13.28-12.81

分析上述曲线及数据，可知：

1)室外原位试验和室内原状样试验抗剪强度参数在整体变化趋势上是一致的，仅仅是数值上有点变化，这也说明在一定误差范围内，室内原状样试验能真实反映出室外原位试验特性的变化趋势．

2)从室外原位直剪试验结果来看，土石混合体的抗剪强度的c、φ值明显大于室内原状样试验结果，c值降幅在5.26%～12.81%，φ值降幅在6.21%～13.38%之间，且φ值下降的程度略大于c值．室内原状样在取样、运输、贮存过程中会对试样有一定的扰动和应力释放，内部的原始粘聚力遭到破坏而降低．同时室外原位土含有大量风化不完全的膨胀岩块，在震动情况下，会导致其一定程度上的破碎，表现为尺寸的变小和外轮廓由粗糙变得相对规则，内摩擦角因此降低．综上，土石混合体的结构性发生了改变，变得相对不稳定，表现出抗剪强度的降低．

3)室外原位样YW1抗剪强度参数降低的幅度最小，φ值降低了6.21%，c值降低了5.26%，其他3个试验点降幅均超过10%．由于YW1试验点处在滑坡坡脚消落带上，长期的库水作用早已经对土石混合体剪切强度造成了很大的劣化作用，削弱了其原始粘聚力．此外由于库水的润滑作用，粒间摩擦系数也会减小．因此，YW1试验点试样强度已经降低了很大程度，结构早已改变．即使取样、运输等过程会进一步削弱其强度，但是影响程度由于库水作用会比其他原位试验点低，表现为降低幅度低．

4 结 论

1)土石混合体滑坡不同位置粒径分布差异明显，含石量各不相同，但在研究范围内从整体性上分析粒径分布又有一定的共性与相似性．

2)通过综合分析室外原位直剪试验和室内原状样直剪试验结果，土石混合体在剪切过程中变化特征均表现为明显的应力屈服及塑形变形，这说明土石混合体这种材料具有较高的承载能力和大变形特征．

3)在两种试验方式下可以看出，反映在土石混合体的变化规律及力学特性基本是一致的，这为今后开展的土石混合体室内试验的准确性提供了一定的理论支撑．