粗粒含量對大型直剪強度影響的試驗研究

粗粒含量對大型直剪強度影響的試驗研究

1直剪試驗研究降水破壞了坡面土壤，導(dǎo)致泥石流流失，這是國內(nèi)外學(xué)者通過野外觀察、室內(nèi)大模型試驗和理論分析而認識的。iverson等人指出，在三個過程中，斜坡轉(zhuǎn)化為泥石流的第一個過程是傾斜體的重大切削破壞。斜坡體的剪切破壞都伴隨著剪切位移的發(fā)展,因此,通過施加剪切力(或剪切位移)對巖土體進行試驗的方法一直受到重視。其中,直剪試驗由于其操作簡便、適用范圍廣而應(yīng)用最為普遍。蔣家溝流域內(nèi)泥石流暴發(fā)頻繁,大部分泥石流由崩塌、滑坡引發(fā)。流域內(nèi)廣泛分布有礫石土,粒徑大于5mm的粗粒部分超過50%,土體粒徑級配多樣,粗粒含量差別較大。以往研究者研究中多利用常規(guī)土工儀器,對粗粒部分采取剔除、等量替換和相似級配等方法進行試驗,具有一定的局限性。大型直剪儀由于試樣尺寸較大,可以更大限度地保留礫石土級配特性,弱化尺寸效應(yīng)。因此可以更為準確地測定礫石土強度。2試驗設(shè)備和材料2.1剪切縫寬度的設(shè)置試驗采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自行研制的應(yīng)變控制式大型室內(nèi)及現(xiàn)場兩用直剪裝置。該儀器屬拼裝式結(jié)構(gòu),主要由整體可拆卸式外框架、水平加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)、剪切盒、量測系統(tǒng)組成(圖1),剪切盒的凈空幾何尺寸為:長×寬×高=500mm×500mm×410mm。根據(jù)文獻,可對最大粒徑≤50mm的試樣進行剪切,并能在保證剪切中心線不變的前提下,設(shè)置不同的剪切縫寬度,同時又對剪切中心線沒有影響。研究證明,該大型直剪儀與常規(guī)直剪儀相比,具有較大的優(yōu)越性、良好的可靠性和實用性。2.2粗粒含量對砂性礫巖結(jié)構(gòu)的影響試驗所用的礫石土取自云南蔣家溝右岸距中國科學(xué)院東川泥石流觀測站約500m處的崩滑體,粗粒部分主要由昆陽群淺變質(zhì)板巖、砂巖,系風化后形成片狀角礫。原始級配曲線如圖2所示。試驗前土樣風干過5mm篩,將粒徑大于5mm與小于5mm分開,按不同粗粒含量干密度ρd=2.0g/cm3,含水率w=7%下稱量土料,拌和均勻后裝填于剪切盒中,并分多層夯實,層間刨毛,即可保證各個試樣干密度一致和礫石隨機均勻分布。目前,各國在粒組分類名稱上大體相同,在分類粒徑劃分標準上略有差異。郭慶國在文獻中建議將5mm作為砂與礫的分界粒徑,故分組試驗結(jié)束后篩分計算粗粒含量5P(5P表示粒徑大于5mm粗粒部分質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比)。經(jīng)試驗測定大型直剪儀滾珠的率定摩擦系數(shù)為0.02,滾軸排的率定摩擦系數(shù)為0.08。在直剪試驗中,保持剪切盒內(nèi)壁的光滑,剪切縫寬度固定為5mm,采用不固結(jié)快剪,剪切速率為3.624mm/min。每組粗粒試樣分別在垂直壓力為50,100,150,200kPa下進行水平剪切。間隔30s記錄水平位移和水平剪力,水平位移達8~9mm時停止試驗。3試驗結(jié)果與分析3.1剪切面粗粒部分填充的剪應(yīng)力不同粗粒含量的5組試驗剪應(yīng)力與水平位移關(guān)系見圖3~7。從圖中可以看出,除5P=74.31%試樣在垂直壓力50,100kPa試驗中具有峰值以外,其余試樣沒有明顯峰值。試驗采用不固結(jié)快剪,試驗過程中由于垂直壓力的壓密作用以及剪切過程中剪切面上顆粒重排,小顆粒填充進入由大粗粒部分形成的孔隙中,從而剪切應(yīng)力隨剪切位移增大而增加,沒有明顯峰值。5P=74.31%試樣由于粗粒含量較大,粗粒部分相互架空形成較大的孔隙,缺少足夠的細粒部分填充這些孔隙,水平剪切過程中有體脹趨勢。當垂直壓力為50,100kPa時,由于垂直壓力較低不足以限制其體脹,故在垂直壓力為50,100kPa時,試樣水平剪應(yīng)力在剪切位移32.92mm和43.75mm時分別達到峰值強度68.22kPa和123.54kPa。當垂直壓力較高時,就可以限制試樣在剪切過程中的體脹趨勢,所以5P=74.31%試樣在垂直壓力150,200kPa時沒有峰值。3.2粗粒含量隨垂直壓力的變化試樣在水平剪切過程中,剪切模量G隨水平位移不斷變化。為討論G隨垂直壓力及粗粒含量變化特征,以剪應(yīng)變γ=0.02時的剪切模量G0.02為標準討論其變化特征。將各粗粒含量試樣在不同垂直壓力下的G0.02繪制在圖8中。從圖可知,同一粗粒含量試樣的G0.02隨垂直壓力增加而增大;相同垂直壓力下,G0.02隨粗粒含量5P增加而增大,并在較低垂直壓力下的G0.02隨5P增長更為顯著。粗粒含量越低,最大垂直力下的G0.02與最小垂直壓力下的G0.02相差越大,即G0.02對垂直壓力變化的敏感性隨粗粒含量增加而降低。如5P=9.8%時,垂直壓力50kPa下的G0.02=500kPa,垂直壓力200kPa下G0.02=2986.20kPa,兩個垂直壓力下G0.02相差近6倍;相應(yīng)粗粒含量5P=74.31%時在垂直壓力50kPa下的G0.02=2562.44kPa,垂直壓力200kPa下G0.02=4797.26kPa,兩個垂直壓力下G0.02相差不到2倍。3.3粗粒含量對摩擦角的影響根據(jù)庫侖公式,礫石土的強度可以表示為式中:τ為抗剪強度;c為黏聚力或咬合力;σ為垂直壓力;?為內(nèi)摩擦角。從式(1)可以看出,礫石土的強度由兩部分組成:c和tan?。在由粗、細顆粒組成的礫石土中,前者c既包括細粒土的顆粒黏聚力,又有粗顆粒間相互咬合作用;后者為摩擦強度。由于曲線大多數(shù)沒有明顯峰值,以應(yīng)變15%即剪切位移75mm處(之前有峰值的取峰值)剪切應(yīng)力與垂直壓力按式(1)進行擬合(圖9),從圖中可知,各個試樣相關(guān)性較好。根據(jù)擬合得出各試樣咬合力與內(nèi)摩擦角隨粗粒含量變化關(guān)系(圖10、圖11)。由此可知,強度指標受粗粒含量影響較大。(1)?值隨5P增加而增大,其值由5P=9.8%時的18.0°變化為5P=74.31%時的35.16°,其間沒有臨界點是因為?值主要是受粗粒含量影響。當5P較小時,粗顆粒不能充分接觸咬合,使得?值較小;試樣隨著5P逐漸增大,粗粒部分充分接觸咬合,從而使得?值不斷增大;(2)c值在5P=48.7%時最小其值為21.33kPa,故5P=48.7%為5P影響c值的臨界點,其原因主要c值是由細粒部分的黏聚力和粗粒之間的咬合力提供;當5P<48.7%時,粗粒部分沒有充分接觸咬合,c值主要由細粒部分黏聚力提供,此時在試樣整體平均密度一致的條件下,5P的增加使得細粒部分密度變小,故試樣c值隨5P增大而減小;當5P>48.7%時,土樣中粗粒部分能充分接觸咬合提供較大的咬合力,從而c值隨5P增加而顯著增大,5P=74.31%時為41.31kPa。4mpa時剪應(yīng)力-水平位移關(guān)系通過對蔣家溝礫石土不同粗粒含量進行的大型直剪試驗,可以得出以下幾點結(jié)論:(1)蔣家溝礫石土除在5P=74.31%的低垂直壓力(50,100kPa)時剪應(yīng)力-水平位移關(guān)系有峰值外,其余土樣沒有明顯峰值。(2)同一粗粒含量試樣的G0.02隨垂直壓力增加