江強強 徐楊青 王 浩

(①中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，武漢 430064，中國)(②中國科學院武漢巖土力學研究所，武漢 430071，中國)

0 引 言

土石混合體是指由土體與塊石隨機混合的一種介于均質土體和碎裂巖體之間的極端不均勻巖土松散介質(徐文杰等，2009；鐘祖良等，2016)。自然界中土石混合體分布廣泛，在三峽庫區(qū)，兩岸就分布諸多由殘積層、坡積層、崩滑堆積等組成的松散土石混合體滑坡(鄧清祿等，2000；李曉等，2008)。這類滑坡體結構松散、強度剛度較低，在自重及外力作用下，容易產生塑性變形，呈現局部應力-應變集中區(qū)，進而演化形成剪切滑移面，使滑坡的復活形式趨于多樣化，即不僅有沿土石混合體與基巖接觸面的整體滑動，亦不乏在滑體內孕育新的次級滑面而滑移失穩(wěn)(張永雙等，2018)。為此，探究土石混合體的強度和變形特性，對開展土石混合體滑坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)機制研究具有重要意義。

近些年，隨著土石混合體這一概念被廣泛認同后，圍繞其結構要素(含水量、含石量、塊石尺寸、塊石形狀等)與物理力學特性方面開展了一系列研究。徐文杰等(2006)對金沙江虎跳峽地區(qū)分布的土石混合體進行了大量的原位水平推剪試驗，對比了土石混合體在天然和浸水狀態(tài)下的強度特征。廖秋林等(2010)開展不同含石量土石混合體室內單軸試驗，研究彈性模量和抗壓強度與含石量的關系。歐陽振華等(2010)基于室內試驗探討了含石量、塊石排列、塊石尺寸對土石混合體力學性能的影響，指出就土石混合體抗剪強度而言，其影響順序塊石尺寸>含石量>塊石排列。唐建一等(2018)利用土石混合體單剪試驗探究了含石量和土石混合體結構形式對強度指標的影響，指出土石混合體結構特征的的變化是造成了其抗剪強度改變的本質原因。楊忠平等(2020)基于離散元數值模擬方法研究了土石混合體的剪切特性，初步揭示了土石混合體宏觀強度和變形特征的細觀機理。胡瑞林等(2020)利用多尺度的宏-微觀試驗及模擬開展了土石混合體的結構控制機理研究，系統(tǒng)闡明了含石量、塊石形狀、基質組分、土-石級配等關鍵結構因子對土石混合體強度、變形、滲透特性的影響規(guī)律。

在開展土石混合體強度特性方面研究的同時，其變形破壞特征也受到廣泛關注。鄭博寧等(2019)基于CT掃描圖像技術建立了反映塊石真實形態(tài)的土石混合體三維細觀結構模型，研究了三軸剪切過程中土-石的變形及運動特征。王宇等(2015)介紹了土石混合體重塑樣的制備工藝，利用室內試驗結合CT掃描研究了土石混合體單軸受壓下應力-應變特征及試樣裂紋開裂、擴展、聚集和貫通破壞的全過程，認為土-石彈性不匹配及界面差異性滑移是引起裂紋產生的根本原因。夏加國等(2017)采用特制的大型三軸剪切試驗儀，研究了含超徑顆粒土石混合體的剪脹效應與含石量的關系。劉新榮等(2017)利用三維激光掃描技術分析了塊石對土石混合體的剪切面三維形態(tài)影響，發(fā)現隨含石量增加，土石混合體剪切破壞起伏程度增大。

以上研究在一定程度上揭示了土石混合體強度和變形特性，但限于試樣內部變形觀測手段的不足，對土石混合體剪切變形行為，特別是塊石轉動、運移及剪切變形帶形成演化過程等卻研究較少?；诖耍疚囊院繛橹饕刂埔蛩?，擬開展土石混合體室內大型直剪試驗，通過打孔-插絲-灌砂的方法監(jiān)測土石混合體剪切過程中的變形破壞特征，以期進一步深化土石混合體剪切變形行為及強度產生機制的認識。

1 土石混合體大型直剪試驗

1.1 試驗設備

本試驗采用中國科學院武漢巖土力學研究所THE-1000型室內大型直剪試驗機如圖1所示。該直剪試驗設備主要包括承載框架、剛性剪切盒、水平剪切加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)和數據量測系統(tǒng)等五大組成部分，其中：上、下剪切盒內部尺寸均為500imm×500imm×200imm(長×寬×高)，加載系統(tǒng)最大輸出荷載為1000ikN，最大剪切位移為150imm，試驗過程中加載系統(tǒng)可以采用應力或位移控制實現上、下盒對推剪切，能夠滿足較大范圍粗顆粒土剪切試驗要求。此外，該試驗機還裝有垂直位移傳感器，可自動采集剪切過程中試樣的垂直位移變化。

圖1 室內大型直剪試驗儀

1.2 試驗材料

試樣取自三峽庫區(qū)某大型堆積層滑坡前緣，埋深1.0～2.0im，主要由粉質黏土和砂質泥巖碎石組成，為典型的土石混合體。試樣運回實驗室后，采用烘干法測得天然含水率為10.6%，干密度1.66 g·cm-3，篩分后的顆粒級配曲線如圖2所示。天然狀態(tài)土石混合體中<2imm的細粒含量占48.4%，按照《土工試驗規(guī)程》中關于土的工程分類的規(guī)定，可初步定名為粗粒土。

圖2 土石混合體的顆粒級配曲線

對于土石混合體而言，土和石的劃分閾值目前尚無明確規(guī)定，但多數文獻建議采用5imm作為土石混合體中的土和石的粒徑界限，本次試驗遂取土石閾值為5imm，即認為小于5imm的顆粒為“土”，大于5imm的顆粒為“石”。因此，現場取回的試樣含石量約為41.4%，含石量相對較高。

為盡量減小粗粒土剪切試驗的尺寸效應，試驗規(guī)程規(guī)定剪切盒尺寸與試樣最大粒徑間需滿足：H/dmax為4～8，D/dmax為8～12(H為直剪盒的高度，D為直剪盒的長度，dmax為試樣最大顆粒粒徑)，本次直剪試驗機剪切盒尺寸為500imm×500imm×410imm，為此試樣在所有試驗中控制土樣顆粒的最大粒徑為60imm，篩分后的各粒組如圖3所示。

圖3 試驗材料

1.3 試樣制備及測試過程

由于含有數量眾多、尺度不一且隨機分布的塊石，土石混合體在細觀層次上呈現明顯的結構性特征，而含石量是土石混合體結構性最直接的表現指標之一。為此，本文擬在試驗中主要考慮含石量的影響。根據含石量的不同，試驗分為6個小組，試樣均由過5imm篩的“細粒土”和粉砂質泥巖礫石混合而成，其含石量分別為0%，20%，41.4%，60%，80%，100%，相應的設計級配曲線如圖4所示，其中41.4%為天然含石量。

圖4 不同含石量試樣的顆粒級配曲線

為進一步研究剪切試驗過程中試樣內部剪切變形特征及剪切帶形成演化規(guī)律，本試驗采用在試樣頂部打孔-埋線-灌砂的方法(胡峰等，2018)，以實現在封閉剪切條件下獲取剪切帶范圍及變形演化過程。該方法是在試樣裝填完成后，在頂部垂直打入鋼筋成孔，貫穿至下盒試樣底部，隨后在孔內插入直徑為1imm的柔軟銅絲并灌石英粉砂充填，其實施過程如圖5所示。因此，通過銅絲與粉砂的變形特征，可以獲取剪切帶附近土、石顆粒的滑移特征及剪切帶厚度等信息，并可間接反映剪切變形帶的形成發(fā)展過程。

圖5 監(jiān)測方法示意圖(單位：mm)

試驗開始時，先施加較小的法向壓力使各部件緊密接觸，然后再施加法向壓力(本次試驗法向壓力分別設定為100ikPa、200ikPa、400ikPa、800ikPa)，達到預定值后進行快剪，剪切速率為2imm·min-1，當上下盒相對水平位移達到100imm左右時剪切完成。試驗終止后，在預埋銅絲位置處開挖豎直剖面，觀察、測量監(jiān)測孔及銅絲變形情況等。

2 試驗成果分析

2.1 剪切應力-剪切位移特征

不同含石量的6組試驗剪切應力-剪切位移關系曲線如圖6所示。由圖可知，當含石量較低時(0～20%)，隨剪切位移的增大，剪應力不斷增長，表現應變硬化特性，達到塑性屈服之后，變形表現為塑性流動，應力基本保持不變，剪應力-剪切位移曲線無明顯峰值剪應力，表現為塑性應變破壞模式。高含石量時(≥41.4%)，剪應力-剪切位移曲線主要經歷應變硬化、應變軟化和殘余變形3個階段，存在明顯的峰值剪應力，表現為應變軟化破壞模式。

圖6 不同含石量試樣剪切應力-剪切位移關系曲線

從圖中還可以看出，無論含石量和垂直壓力多大，剪切過程中剪應力-剪切位移關系曲線均存在一定程度的“跳躍”現象，特別是在試樣屈服和破壞階段更加顯著。究其原因除了加載系統(tǒng)伺服控制特點外，主要還是剪切過程中粗顆粒破碎、錯動和翻轉引起的。初始階段，試樣剪切變形主要為壓密和連續(xù)體變形，顆粒之間相互作用力較小尚不足以使足夠多的顆粒破碎、錯動和翻轉，剪應力和剪切位移都以較穩(wěn)定的趨勢增長；隨著剪切位移的增大，顆粒間的咬合力因剪密而不斷增大，達到一定程度后可能引起顆粒破碎、錯動或翻轉，顆粒間因咬合而儲存的應變能急劇釋放，剪應力降低，隨后顆粒再次被咬合，剪應力回升，導致剪應力一定范圍內波動，如此反復直至剪切面貫通，從而使剪應力-剪切位移呈現一系列的“跳躍”現象。

2.2 剪脹性

不同含石量試樣剪切位移-垂直位移關系如圖7所示，總體而言，在垂直壓力σ≤200ikPa時，試樣均發(fā)生剪脹；在垂直壓力σ≥400ikPa時，試樣則表現為剪縮，且剪縮量隨垂直壓力增加而增加，符合粗粒料低壓剪脹、高壓剪縮的特性。不同含石量試樣的剪脹差異主要體現在最大剪脹量或剪縮量，具體見表1，表現為隨含石量增加，最大剪脹量逐漸增大，而最大剪縮量趨于降低，即含石量越大其剪脹特性越明顯；結合剪應力-剪切位移曲線，試樣剪切過程中的應變軟化現象也更顯著。

圖7 不同含石量試樣剪切位移-垂直位移關系

表1 不同含石量試樣的最大剪縮(mm)及剪脹量(mm)

盡管在低垂直壓力下(σ≤200ikPa)，試樣均表現剪脹特性，但剪脹并不是從一開始就產生的，而是先發(fā)生剪縮，待剪縮到一定程度后，剪脹才開始發(fā)生。相同含石量、不同垂直壓力時，剪縮轉化為剪脹的剪切位移隨垂直壓力增加而增加，如100%含石量時，垂直壓力100ikPa剪縮轉化為剪脹的剪切位移約為1.35imm，垂直壓力200ikPa時的剪切位移約為9.79imm，垂直壓力400ikPa時的剪切位移約為61.18imm，表明垂直壓力增強了土石混合體試樣的剪縮特性。而另一方面，隨含石量的增加，剪縮轉化為剪脹的剪切位移逐漸減小，以垂直壓力100kPa為例，含石量20%、41.4%、60%、80%、100%時的剪縮轉化為剪脹的剪切位移分別為5.92imm、5.5imm、3.29imm、2.38imm、1.35imm，說明隨含石量增加，剪縮越容易轉為剪脹，即進一步驗證了含石量的增加使其剪脹特性得到增強。

2.3 剪切變形特性

通過前述打孔-埋線-灌砂監(jiān)測試樣剪切過程中內部變形情況，試樣剪切完成后的典型剖面如圖8所示。針對監(jiān)測孔及銅絲變形特征，定義水平位移S與剪切帶厚度D兩個特征參量，其中水平位移S為鉆孔上、下起彎點水平間距，剪切帶厚度D為上、下起彎點豎向間距。

圖8 典型剖面剪切變形示意圖

圖9、圖10分別為不同含石量下1#、2#、3#監(jiān)測孔水平位移及剪切帶厚度變化圖。試驗剪切位移約為11icm，監(jiān)測孔水平位移S為7～11icm，且表現為2#監(jiān)測孔小于1#、3#監(jiān)測孔的特點，即剪切盒內試樣中部的剪切水平位移小于前后兩端，表明剪切變形由兩端逐漸向中間傳遞的特性。監(jiān)測孔處剪切帶厚度D為6～12.5icm，且表現為2#監(jiān)測孔大于1#、3#監(jiān)測孔的特點，即剪切盒內試樣中部的剪切帶厚度大于前后兩端，表明試樣并非簡單地沿著剪切縫平直剪切，而具有更為復雜的剪切形態(tài)。為進一步揭示剪切過程中試樣內部剪切形態(tài)，將試樣的不同監(jiān)測孔起彎點空間位置繪于圖11。

圖9 不同位置處水平位移圖

圖11 不同含石量試樣監(jiān)測孔起彎點位置圖

根據監(jiān)測孔變形特征可知，上、下起彎點圍成的范圍即為試樣剪切過程中變形影響區(qū)域。從圖11可以看出，低含石量時(≤20%)，剪切面空間上與上下盒剪切縫成一定夾角，且上下盒較為對稱，形態(tài)平直；隨著含石量增加(20%～80%)，上剪切面逐漸呈“凸形”，下剪切面逐漸呈“凹形”，且剪切帶厚度增加；含石量進一步增加(80%～100%)，盡管剪切面上仍呈“上凸下凹”形態(tài)，但凹凸趨勢減小。根據鉆孔起彎點反映的試樣剪切面形態(tài)，可以將其試樣剪切變形概化為“錯動式”和“啃掘式”兩種類型，分別如圖12a、圖12b所示。低含石量時，塊石間未有有效接觸而近似懸浮于細顆粒土內，土石混合體試樣細顆粒土占主導作用，剪切過程中表現為細顆粒間錯動式的剪切變形；隨含石量增加，塊石開始接觸并逐漸形成骨架結構，加之細顆粒土的嵌合作用，塊石間咬合效應增加，剪切過程中表現為混合體間啃掘式的剪切變形；當含石量大于80%時，試樣內塊石占主導作用，但由于細顆粒較少，塊石間的骨架結構存在較多空隙，塊石間咬合效應反而有所降低，剪切過程中混合體間啃掘式的剪切變形強度逐漸降低。

圖12 試樣剪切變形模式

2.4 抗剪強度特性

不同含石量下土石混合體試樣的抗剪強度如圖13所示?？梢钥吹酵潦旌象w抗剪強度隨著含石量的變化規(guī)律基本一致，總體趨勢是隨著含石量的增加，土石混合體的抗剪強度是先增大后減小的。結合前述試樣剪切變形特征可知，抗剪強度的變化主要是由含石量所引起的土石混合體結構特征及剪切變形模式改變所造成的。隨含石量增加，試樣內部形成骨架結構，塊石間的嵌固咬合作用增強，使試樣由細顆粒間的錯動式剪切變形發(fā)展為混合體間的啃掘式剪切變形，并帶動更大范圍內顆粒受力變形，試樣抗剪強度增長；當含石量大于80%時，由于細顆粒較少，塊石間的骨架結構存在較多空隙，塊石間咬合效應反而有所降低，剪切過程中混合體間啃掘式的剪切變形作用強度減弱，試樣抗剪強度降低。

圖13 不同含石量試樣抗剪強度變化

4 結 論

通過開展室內大型直剪試驗，對土石混合體剪切變形特性進行初步研究，可知：

(1)土石混合體具有低壓剪脹、高壓剪縮的特性，且隨含石量增加，試樣最大剪脹量逐漸增大，而最大剪縮量趨于降低，即含石量的增加使土石混合體剪脹特性得到增強。

(2)隨含石量增加，試樣剪切應力-位移曲線“跳躍”現象顯著且具有明顯的峰值強度特征，表現為應變軟化特性，認為是含石量增加引起的試樣顆粒破碎和剪脹共同作用導致了軟化現象的產生。

(4)不同含石量直剪試驗揭示，抗剪強度變化與土石混合體結構特征及剪切變形模式密切相關。隨含石量增加，試樣內部形成骨架結構，使試樣由細顆粒間的“錯動式”剪切變形發(fā)展為混合體間的“啃掘式”剪切變形，并形成更大范圍的剪切影響帶，試樣抗剪強度增長；當含石量大于80%時，由于細顆粒較少，塊石間的骨架結構存在較多空隙，結構不穩(wěn)定，剪切過程中混合體間啃掘式的剪切變形作用強度減弱，試樣抗剪強度降低。