粗粒含量对大型直剪强度影响的试验研究

粗粒含量对大型直剪强度影响的试验研究

1直剪试验研究降水破坏了坡面土壤，导致泥石流流失，这是国内外学者通过野外观察、室内大模型试验和理论分析而认识的。iverson等人指出，在三个过程中，斜坡转化为泥石流的第一个过程是倾斜体的重大切削破坏。斜坡体的剪切破坏都伴随着剪切位移的发展,因此,通过施加剪切力(或剪切位移)对岩土体进行试验的方法一直受到重视。其中,直剪试验由于其操作简便、适用范围广而应用最为普遍。蒋家沟流域内泥石流暴发频繁,大部分泥石流由崩塌、滑坡引发。流域内广泛分布有砾石土,粒径大于5mm的粗粒部分超过50%,土体粒径级配多样,粗粒含量差别较大。以往研究者研究中多利用常规土工仪器,对粗粒部分采取剔除、等量替换和相似级配等方法进行试验,具有一定的局限性。大型直剪仪由于试样尺寸较大,可以更大限度地保留砾石土级配特性,弱化尺寸效应。因此可以更为准确地测定砾石土强度。2试验设备和材料2.1剪切缝宽度的设置试验采用中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制的应变控制式大型室内及现场两用直剪装置。该仪器属拼装式结构,主要由整体可拆卸式外框架、水平加载系统、垂直加载系统、剪切盒、量测系统组成(图1),剪切盒的净空几何尺寸为:长×宽×高=500mm×500mm×410mm。根据文献,可对最大粒径≤50mm的试样进行剪切,并能在保证剪切中心线不变的前提下,设置不同的剪切缝宽度,同时又对剪切中心线没有影响。研究证明,该大型直剪仪与常规直剪仪相比,具有较大的优越性、良好的可靠性和实用性。2.2粗粒含量对砂性砾岩结构的影响试验所用的砾石土取自云南蒋家沟右岸距中国科学院东川泥石流观测站约500m处的崩滑体,粗粒部分主要由昆阳群浅变质板岩、砂岩,系风化后形成片状角砾。原始级配曲线如图2所示。试验前土样风干过5mm筛,将粒径大于5mm与小于5mm分开,按不同粗粒含量干密度ρd=2.0g/cm3,含水率w=7%下称量土料,拌和均匀后装填于剪切盒中,并分多层夯实,层间刨毛,即可保证各个试样干密度一致和砾石随机均匀分布。目前,各国在粒组分类名称上大体相同,在分类粒径划分标准上略有差异。郭庆国在文献中建议将5mm作为砂与砾的分界粒径,故分组试验结束后筛分计算粗粒含量5P(5P表示粒径大于5mm粗粒部分质量占总质量的百分比)。经试验测定大型直剪仪滚珠的率定摩擦系数为0.02,滚轴排的率定摩擦系数为0.08。在直剪试验中,保持剪切盒内壁的光滑,剪切缝宽度固定为5mm,采用不固结快剪,剪切速率为3.624mm/min。每组粗粒试样分别在垂直压力为50,100,150,200kPa下进行水平剪切。间隔30s记录水平位移和水平剪力,水平位移达8~9mm时停止试验。3试验结果与分析3.1剪切面粗粒部分填充的剪应力不同粗粒含量的5组试验剪应力与水平位移关系见图3~7。从图中可以看出,除5P=74.31%试样在垂直压力50,100kPa试验中具有峰值以外,其余试样没有明显峰值。试验采用不固结快剪,试验过程中由于垂直压力的压密作用以及剪切过程中剪切面上颗粒重排,小颗粒填充进入由大粗粒部分形成的孔隙中,从而剪切应力随剪切位移增大而增加,没有明显峰值。5P=74.31%试样由于粗粒含量较大,粗粒部分相互架空形成较大的孔隙,缺少足够的细粒部分填充这些孔隙,水平剪切过程中有体胀趋势。当垂直压力为50,100kPa时,由于垂直压力较低不足以限制其体胀,故在垂直压力为50,100kPa时,试样水平剪应力在剪切位移32.92mm和43.75mm时分别达到峰值强度68.22kPa和123.54kPa。当垂直压力较高时,就可以限制试样在剪切过程中的体胀趋势,所以5P=74.31%试样在垂直压力150,200kPa时没有峰值。3.2粗粒含量随垂直压力的变化试样在水平剪切过程中,剪切模量G随水平位移不断变化。为讨论G随垂直压力及粗粒含量变化特征,以剪应变γ=0.02时的剪切模量G0.02为标准讨论其变化特征。将各粗粒含量试样在不同垂直压力下的G0.02绘制在图8中。从图可知,同一粗粒含量试样的G0.02随垂直压力增加而增大;相同垂直压力下,G0.02随粗粒含量5P增加而增大,并在较低垂直压力下的G0.02随5P增长更为显著。粗粒含量越低,最大垂直力下的G0.02与最小垂直压力下的G0.02相差越大,即G0.02对垂直压力变化的敏感性随粗粒含量增加而降低。如5P=9.8%时,垂直压力50kPa下的G0.02=500kPa,垂直压力200kPa下G0.02=2986.20kPa,两个垂直压力下G0.02相差近6倍;相应粗粒含量5P=74.31%时在垂直压力50kPa下的G0.02=2562.44kPa,垂直压力200kPa下G0.02=4797.26kPa,两个垂直压力下G0.02相差不到2倍。3.3粗粒含量对摩擦角的影响根据库仑公式,砾石土的强度可以表示为式中:τ为抗剪强度;c为黏聚力或咬合力;σ为垂直压力;ϕ为内摩擦角。从式(1)可以看出,砾石土的强度由两部分组成:c和tanϕ。在由粗、细颗粒组成的砾石土中,前者c既包括细粒土的颗粒黏聚力,又有粗颗粒间相互咬合作用;后者为摩擦强度。由于曲线大多数没有明显峰值,以应变15%即剪切位移75mm处(之前有峰值的取峰值)剪切应力与垂直压力按式(1)进行拟合(图9),从图中可知,各个试样相关性较好。根据拟合得出各试样咬合力与内摩擦角随粗粒含量变化关系(图10、图11)。由此可知,强度指标受粗粒含量影响较大。(1)ϕ值随5P增加而增大,其值由5P=9.8%时的18.0°变化为5P=74.31%时的35.16°,其间没有临界点是因为ϕ值主要是受粗粒含量影响。当5P较小时,粗颗粒不能充分接触咬合,使得ϕ值较小;试样随着5P逐渐增大,粗粒部分充分接触咬合,从而使得ϕ值不断增大;(2)c值在5P=48.7%时最小其值为21.33kPa,故5P=48.7%为5P影响c值的临界点,其原因主要c值是由细粒部分的黏聚力和粗粒之间的咬合力提供;当5P<48.7%时,粗粒部分没有充分接触咬合,c值主要由细粒部分黏聚力提供,此时在试样整体平均密度一致的条件下,5P的增加使得细粒部分密度变小,故试样c值随5P增大而减小;当5P>48.7%时,土样中粗粒部分能充分接触咬合提供较大的咬合力,从而c值随5P增加而显著增大,5P=74.31%时为41.31kPa。4mpa时剪应力-水平位移关系通过对蒋家沟砾石土不同粗粒含量进行的大型直剪试验,可以得出以下几点结论:(1)蒋家沟砾石土除在5P=74.31%的低垂直压力(50,100kPa)时剪应力-水平位移关系有峰值外,其余土样没有明显峰值。(2)同一粗粒含量试样的G0.02随垂直压力增加