郭喜峰，晏鄂川，劉 洋

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

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三峽庫區(qū)碎石土滑坡體抗剪強度研究

郭喜峰1,2，晏鄂川1，劉 洋2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

以奉節(jié)縣三處典型滑坡體原位直剪試驗為依據(jù)，分析了泡水前后碎石土抗剪強度及其與顆粒分布的關(guān)系；得出了碎石土的抗剪強度參數(shù)及其與碎石含量、含水量的關(guān)系；為類似滑坡治理和穩(wěn)定分析提供試驗依據(jù)及力學(xué)參數(shù)，以指導(dǎo)設(shè)計和施工。

巖土工程；碎石土；滑坡；抗剪強度

三峽庫區(qū)特殊的地質(zhì)條件以及多雨的氣候特征，為區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育提供了有利條件，受庫水漲落的影響，區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害將更加頻繁，使滑坡穩(wěn)定性問題成為三峽庫區(qū)滑坡研究的重點，其破壞大多屬于剪切破壞，與滑坡巖土體的抗剪強度直接相關(guān)[1]?；聨r土體抗剪強度指標(biāo)是滑坡穩(wěn)定性評價和治理工程設(shè)計的重要力學(xué)參數(shù)[2]。

三峽庫區(qū)存在大量的滑坡、崩塌等復(fù)雜成因的第四系松散堆積體[3]。這些松散堆積體主要由滑坡積物、殘坡積物、沖洪積物、泥石流、強風(fēng)化物組成，物質(zhì)成分上以土夾碎石或碎塊石組成，碎、礫石的含量一般在30%～70%之間。其力學(xué)性質(zhì)既不同于一般的巖體，又不同于一般的土體，而是介于土體與巖體之間的一種特殊地質(zhì)體。該地質(zhì)體由于夾雜著大小不等的碎塊石，很難制成常規(guī)的小試件，需要做原位直剪試驗[4]。

由于碎石土室內(nèi)抗剪強度參數(shù)試驗很難實現(xiàn)，以往的設(shè)計多根據(jù)經(jīng)驗確定抗剪強度參數(shù)。原位直剪試驗可在一定程度上保持土體的天然狀態(tài)，減少對土體的擾動，保持含水量不變，能較真實的測試土體的實際抗剪強度及相關(guān)特性[5]。筆者以奉節(jié)縣三處典型碎石土滑坡體為例，通過天然狀態(tài)和泡水狀態(tài)兩種不同含水狀態(tài)的原位直剪試驗結(jié)果進行對比分析，為評價碎石土的抗剪強度提供依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

奉節(jié)縣南岸閔家包、獅子包、木瓜溪庫岸綜合整治工程均為滑坡及塌岸防治、岸線及沿線景觀整治于一體的工程建設(shè)項目。

2 碎石土物理性質(zhì)

工程界常根據(jù)土的粒徑組成對土(尤其是粗粒土)進行分類，并把粒徑組成作為土的工程性質(zhì)的重要因素。因此，筆者先對三峽庫區(qū)奉節(jié)縣三處滑坡的碎石土進行了顆粒分析并評估其分類及工程性質(zhì)，作為后續(xù)原位直剪試驗設(shè)計的參考。

在3處試驗部位分別取土樣用篩分法進行顆粒分析試驗，得到其級配曲線，如圖1。顆粒分析結(jié)果說明，粗粒徑土粒含量明顯高于細(xì)粒土含量。

圖1 試驗土樣級配曲線

為了進行有效的對比研究，測試了三處試驗部位土樣的主要物理性質(zhì)，結(jié)果如表1。從表1中可以看出，閔家包試驗部位碎石土的含水量明顯低于獅子包和木瓜溪試驗部位，干密度明顯要大。獅子包試驗部位所取土樣的天然密度明顯低于閔家包和木瓜溪兩處所取土樣。

表1 試點的物理性質(zhì)

3 直剪試驗方案

首先，在選定試點位置，開挖試坑，試坑尺寸以方便布置試件及進行試驗操作為原則。試驗方法和程序嚴(yán)格按照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》進行，在人工修整好的試體周邊套上剪切盒，試驗方法采用平推法，剪切面積為2 500 cm2左右。將土體鑿制成長×寬×高為50 cm× 50 cm×35 cm的試體，對加壓過程中可能出現(xiàn)破裂或松動的試體，綁扎鐵絲，用鋼模板套住試體，在試體頂面和四周澆筑混凝土保護套，頂面平行預(yù)剪面，保護套底部預(yù)留約1 cm的剪切縫。試驗時先安裝法向加載系統(tǒng)再安裝剪切加載系統(tǒng)，其合力的作用點通過剪切面中心。試驗安裝見圖2。

圖2 原位直剪試驗安裝示意

鉛直載荷采用堆載配重法，剪切荷載使用試坑壁支撐，剪力方向水平。在選定的試驗位置人工開挖約2 m×2 m的試坑，深度方向上首先清除上部塊石，再下挖約0.5 m深。在試坑中心位置用細(xì)砂找平后，開始安裝加載系統(tǒng)和沉降量測系統(tǒng)。

待混凝土保護套達(dá)到足夠的剛度和強度后，安裝法向和切向加載系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。剪切試驗過程中始終保持法向壓力不變。最大法向壓力按上覆自重考慮，但以不破壞土體性狀為原則。每個試體的法向荷載分3～5級施加，施加法向壓力后土體壓縮，待最后一級法向荷載作用下的法向位移相對穩(wěn)定后，架設(shè)測試水平位移的百分表，再施加剪切荷載。剪切荷載按預(yù)估的最大值分8～12級施加，剪切荷載每隔1 min加載一次，加載前后均測讀各位移測表。當(dāng)剪切變形急劇增長或剪切變形量達(dá)試體尺寸的1/10時停止試驗。

在每個試坑做完一組天然土體的直剪試驗后，向下開挖，待試件制備完畢，剛模板套住試體后，泡水48 h進行飽和土體的直剪試驗。試驗方法與天然土體的試驗方法相同。

4 試驗測試成果及分析

圖3 直剪試驗-σ關(guān)系曲線

圖4 直剪試驗典型-u關(guān)系曲線

由圖4可見，碎石土在壓剪作用下發(fā)生變形直到剪切破壞的整個過程中，其剪應(yīng)力-剪位移曲線大致可分為如下3個主要的變形破壞階段：

1)試樣剛開始受力變形階段，碎石土體主要表現(xiàn)為彈性變形，在這一階段曲線呈現(xiàn)由直線逐漸變彎的過程。在實驗現(xiàn)場可以看到，這一階段試樣只是在底部產(chǎn)生了一些小變形，沒有形成明顯的貫通剪切面；

2)碎石土體產(chǎn)生屈服點，緩慢進入塑性變形，之后試樣的變形快速增大，曲線增長趨勢趨于平緩，整個試樣雖然變形增大但依然具有承載能力，整個材料的變形表現(xiàn)出塑性流動，應(yīng)力表現(xiàn)為強化過程，而這也恰恰是碎石土體所特有的變形破壞特征。同時觀察到整個試樣的剪切面已經(jīng)基本發(fā)展形成，強度的提高主要依靠土體與碎塊石之間相互作用所形成的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，經(jīng)過一定的變形后應(yīng)力最終達(dá)到峰值強度；

3)曲線達(dá)到峰值后，材料的整體結(jié)構(gòu)開始破壞，整個試件沿剪切面整體推動明顯，只剩上、下剪切面之間的摩擦力在起作用。

抗剪強度參數(shù)和物理參數(shù)綜合成果見表2，現(xiàn)場試驗成果基本反映了試點所處部位土體的抗剪強度特性，結(jié)合顆分試驗所反映出的顆粒組分情況進行分析，兩者基本吻合。就顆粒分析成果及試驗破壞面地質(zhì)描述情況來看，獅子包部位土體的角礫含量高于木瓜溪，但由于獅子包在進行土體的原位直剪試驗過程中，遭遇時間較長的強降水天氣，試坑內(nèi)部積水較深，試點泡水時間較長，因此得到的直剪強度參數(shù)較木瓜溪偏低。同一組試驗中，試驗對象巖土類型相同，含水狀態(tài)不同導(dǎo)致抗剪強度不同，飽和狀態(tài)抗剪強度明顯低于天然狀態(tài)。含水量越高，抗剪強度越低?？梢?，碎石含量和含水量是影響碎石土抗剪強度的重要因素。

表2 滑坡土體試驗綜合成果

Table 2 Synthetic result list of landslide soil test

試驗成果基本符合一般規(guī)律：碎石土抗剪強度(f、c值)受碎石含量及含水量影響較為顯著，總的趨勢為隨著碎石含量的增加而增大，隨著含水量的增加而減小。對于庫區(qū)其他類似滑坡治理工程，庫區(qū)蓄水后水位的變化及季節(jié)的變化使碎石土滑坡體的含水量發(fā)生變化，因地理位置及地貌特征等導(dǎo)致滑坡體碎石含量也有不同，均可合理類比利用此類試驗成果及其普遍規(guī)律[6-8]。

5 結(jié) 語

通過對三處典型碎石土滑坡體的原位直剪試驗及分析，得到了試驗區(qū)碎石土抗剪強度參數(shù)，分析了試驗曲線特征及抗剪強度參數(shù)變化規(guī)律。天然狀態(tài)f=0.42～0.58，c=34～90 kPa；飽和狀態(tài)f=0.36～0.40，c=31～65 kPa，抗剪強度隨著碎石含量的增加而增大，隨著含水量的增加而減小。試驗結(jié)果可用于類似滑坡治理和穩(wěn)定分析，以指導(dǎo)設(shè)計和施工。

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Shear Strength of Gravel Soil Landslide in the Three Gorges Reservoir Zone

Guo Xifeng1, 2, Yan Echuan1, Liu Yang2

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, Hubei, China;2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics & Engineering of the Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, Hubei , China )

According to the in-situ shear test for three typical landslides in Fengjie County, the shear strength of gravel soil before and after immersion in water was analyzed, and its relationship with the grain distribution was also analyzed. The shear strength parameters of gravel soil were obtained and its relationship with the gravel content and water content was also obtained. The analysis provides experimental basis and mechanical parameters for the analysis of similar landslide treatment and stability, which guides the design and construction.

geotechnical engineering; gravel soil; landslide; shear strength

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.15

2013-12-15；

2014-02-26

國家自然科學(xué)基金項目(41172282); 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2011CB710603)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(CKSF2013039)

郭喜峰(1984—)，男，湖北英山人，博士研究生，主要從事巖石力學(xué)特性與工程應(yīng)用方面的研究。E-mail：xifeng1984@126.com。

TU413.1

A

1674-0696(2015)01-068-04