祁 昊，馮文凱，陳建峰，白慧林，周 強(qiáng)，曾琇舒

( 1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2. 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092 )

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降雨作用下歡喜坡冰水堆積體角礫土強(qiáng)度特性

祁 昊1,2，馮文凱2，陳建峰1,3，白慧林2，周 強(qiáng)2，曾琇舒2

( 1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；2. 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092 )

為探究降雨作用下歡喜坡冰水堆積體角礫土的強(qiáng)度變化規(guī)律，進(jìn)行了天然和4種不同降雨歷時條件下的角礫土現(xiàn)場剪切試驗(yàn)，并結(jié)合土水特征曲線探討了該類特殊土體的非飽和強(qiáng)度特性。降雨作用對歡喜坡冰水堆積體角礫土的抗剪強(qiáng)度有著顯著的影響，其近似飽和時的黏聚力和內(nèi)摩擦角比天然含水率情況分別降低64.3%和22.5%；降雨入滲使角礫土基質(zhì)吸力迅速降低，因此在短時強(qiáng)降雨條件下會導(dǎo)致角礫土抗剪強(qiáng)度喪失過大，容易誘發(fā)淺層土體滑坡；建立了歡喜坡冰水堆積體角礫土非飽和黏聚力與含水率參數(shù)χ(w)的關(guān)系式，實(shí)際應(yīng)用時可采用多項(xiàng)式函數(shù)來確定χ(w)。

冰水堆積體角礫土；降雨；現(xiàn)場剪切試驗(yàn)；非飽和土；強(qiáng)度

冰水堆積體指形成于第四紀(jì)中更新世及晚更新世，由冰川融化后形成的冰水對冰川攜帶的碎屑物質(zhì)進(jìn)行搬運(yùn)堆積而成的產(chǎn)物[1]，是由作為骨料的碎石、塊石或角礫和作為充填成分的黏土、砂土等組成的一種特殊巖土體，具有沉積演化過程特殊、物質(zhì)成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特征極其不規(guī)則、地域性等特性。隨著國內(nèi)尤其是西部山區(qū)重大工程建設(shè)的迅速開展，實(shí)際工程中遇到的冰水堆積體問題越來越多。冰水堆積體的存在會給工程建設(shè)帶來極大的影響，如對壩體、庫岸邊坡及隧道進(jìn)口邊坡、輸氣輸油管線的穩(wěn)定等極為不利，經(jīng)常引起滑坡、崩塌，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[2]。

目前關(guān)于冰水堆積體的研究主要集中在其天然和飽和狀態(tài)的物理力學(xué)特性及工程運(yùn)用上，如張永雙等[3]、謝春慶[4]在冰水堆積物成因、物質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)及水文地質(zhì)和工程地質(zhì)問題等方面作了深入研究；涂國祥等[5]利用室內(nèi)大型常規(guī)三軸試驗(yàn)對大渡河某巨型冰水堆積體變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究；馮俊德等[6]采用原狀與重塑試樣探討了冰磧物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及含水率對其的影響；王獻(xiàn)禮等[7]、呂士展等[8]從細(xì)觀角度對冰磧土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究；Feng等[9]采用粗粒土三軸剪切儀對岷江上游干熱河谷區(qū)冰水堆積體的工程特性隨氣候變化規(guī)律進(jìn)行了分析。以上研究多采用室內(nèi)手段，而現(xiàn)場試驗(yàn)則相對缺乏。另外，冰水堆積體受降雨影響大，但鮮見降雨對其力學(xué)特性的影響的報道。因此，很有必要開展降雨作用下冰水堆積體的現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

本文以岷江上游干暖河谷區(qū)歡喜坡冰水堆積體角礫土為例，通過人工模擬降雨，進(jìn)行了不同降雨歷時條件下的角礫土現(xiàn)場剪切試驗(yàn)，并結(jié)合土水特征曲線探討了該類特殊土體的非飽和強(qiáng)度特性。

1 試驗(yàn)場地

試驗(yàn)場地所在的歡喜坡堆積區(qū)位于四川省理縣薛城鎮(zhèn)歡喜村，雜谷腦河左岸，堆積區(qū)海拔高程1 580～1 850 m，總體積約1.74×104m3。勘察資料表明，堆積區(qū)內(nèi)的冰水堆積物總體由角礫土構(gòu)成，含少量碎石。試驗(yàn)場地內(nèi)以角礫土為主，總體呈褐色，干燥，密實(shí)，膠結(jié)較好。角礫成分為千枚巖及少量變質(zhì)砂巖，磨圓度較差，呈次棱角狀，其粒徑最大2 cm，一般為2～10 mm，含量在40%左右。

為了確保試驗(yàn)的科學(xué)、可靠，在場地選取時，需保證不同試驗(yàn)點(diǎn)的物質(zhì)組成、顆粒級配及結(jié)構(gòu)的相似性?；诖?，選取歡喜坡堆積體上一處較大平臺(高程1 710 m，面積約80 m2)，在其上開挖6個相鄰的長3.5 m，寬3 m，深0.15 m的試坑，作為試驗(yàn)場地(圖1)，試坑編號分別為H- 1～H- 6。

圖1 試驗(yàn)場地位置圖Fig.1 Location of testing site

2 現(xiàn)場剪切試驗(yàn)

2.1 人工模擬降雨

現(xiàn)場試驗(yàn)采用人工模擬降雨裝置(圖2)控制土體含水率變化，該裝置主要由F1- 3202型水泵、電子數(shù)顯流量計(jì)、控制閥、水管(16PE管)、管接頭、旋轉(zhuǎn)噴頭、支架等組成，其工作原理與SR型人工模擬降雨裝置[10]類似。經(jīng)調(diào)試，該裝置的降雨強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍、降雨均勻性系數(shù)、雨滴中數(shù)直徑、雨滴落地的終點(diǎn)速度等參數(shù)均滿足人工模擬降雨裝置的設(shè)計(jì)和工作要求[11]。

圖2 人工模擬降雨裝置示意圖Fig.2 Diagram showing the artificial rainfall device

據(jù)監(jiān)測資料，岷江上游干暖河谷內(nèi)最大日降水量、時降雨量、10 min降水量分別為55.9 mm，22.3 mm和 18.1 mm?？紤]到干暖河谷短時特大暴雨的極端氣候和水泵正常工作的最小額定功率，試驗(yàn)采用“短歷時、大雨強(qiáng)”的降雨模式，控制降雨強(qiáng)度為50 mm/h，于H- 6號試坑內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，以獲取土體含水率隨降雨歷時變化規(guī)律。試驗(yàn)開始前，在試坑內(nèi)埋設(shè)3個485型土壤水分傳感器，傳感器埋深為坑底下10 cm，間距為1 m，隔5 min采集1次數(shù)據(jù)。監(jiān)測開始自2016年4月8日上午10點(diǎn)17分，終止于下午13點(diǎn)17分，降雨歷時共計(jì)3 h。

圖3為角礫土含水率與降雨歷時關(guān)系曲線，由圖3可見，降雨入滲導(dǎo)致土體含水率逐漸增大。同一試坑內(nèi)，不同測點(diǎn)的監(jiān)測曲線符合情況較好，說明降雨較為均勻。降雨進(jìn)行至13點(diǎn)07分時，坑底已出現(xiàn)局部積水，且土壤水分傳感器終端實(shí)時曲線也顯示，土體含水率趨于平穩(wěn)，可近似認(rèn)為降雨約3 h后，即累計(jì)降雨量達(dá)150 mm時，土體達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖3 土體含水率與降雨歷時關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between the soil water content and rainfall duration

在H- 1，H- 2，H- 3，H- 4號試坑內(nèi)分別降雨1，2，2.5和3 h；H- 5號試坑內(nèi)不進(jìn)行降雨，對應(yīng)土體處于天然狀態(tài)，從而獲得5種不同的含水率條件。

2.2 試驗(yàn)方法及過程

降雨結(jié)束后，立即對試驗(yàn)土體進(jìn)行取樣和現(xiàn)場抗剪強(qiáng)度測試。試驗(yàn)采用XJ- 2型攜帶式巖土多功能剪切儀，其規(guī)格為長15 cm，寬15 cm，高20 cm。在每個試坑內(nèi)制備3個土樣，規(guī)格為15 cm×15 cm×22 cm(加壓過程中，試樣高度會下降；同時需預(yù)留1 cm剪切縫)。試驗(yàn)過程可概括為：①制樣→②剪切儀安裝、調(diào)試→③垂向加載控制→④剪切加載控制→⑤剪切、讀數(shù)、記錄→⑥拆卸設(shè)備、描述。試驗(yàn)采用推剪法，分別控制法向荷載為50，100和150 kPa，剪應(yīng)力按0.1 kPa逐級施加，每30 s施加一級，當(dāng)水平壓力表值不再上升甚至有所下降，或上剪切盒滑移2 cm時停止試驗(yàn)?，F(xiàn)場剪切結(jié)束后，在部分試坑的剪切樣采集區(qū)域附近取土，進(jìn)行顆分試驗(yàn)。

土體含水率通過土壤水分傳感器確定，具體做法為：對于同一試坑內(nèi)的3個土樣，待每次剪切完成后，將土壤水分傳感器插入土樣剪斷面，量測含水率的值，并求取3次量測結(jié)果的平均值，作為該試坑內(nèi)土體的含水率。5個試坑內(nèi)土體含水率分別為5.6%(天然狀態(tài))，10.3%，14.7%，21.5%和26.4%(近似飽和狀態(tài))。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4為現(xiàn)場土樣的顆粒級配曲線，“H1- 1” 表示H- 1號試坑內(nèi)采集的第1個剪切樣附近的土體，其余以此類推。由圖4可知，總體而言，試驗(yàn)場地內(nèi)不同取樣點(diǎn)土體的顆粒級配具有相似性。

圖4 角礫土顆粒級配曲線Fig.4 Grading curve of the breccia soil

圖5為根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的天然情況下5.6%含水率和降雨2 h后14.7%含水率時的試樣剪切過程剪應(yīng)力—剪切位移曲線。由圖5可見，天然情況下冰水堆積體角礫土在剪切過程中，其剪應(yīng)力與剪切位移呈典型的非線性關(guān)系，法向荷載越大，曲線越陡，其剪應(yīng)力隨剪切位移增加而增加，但其增幅隨著剪切的進(jìn)行而有所減小。與天然情況下相比，降雨溶浸后土樣在剪切初始階段曲線相對較為平緩，其余特征與前者類似。兩種含水率情況下，隨著剪切位移的增大，土體均表現(xiàn)出明顯的弱應(yīng)變硬化特性。

圖5 角礫土剪應(yīng)力- 剪切位移關(guān)系曲線Fig.5 Stress- strain curves of the breccia soil

現(xiàn)場試驗(yàn)的特點(diǎn)決定了其無法像室內(nèi)試驗(yàn)一樣確保每個剪切樣的基本性質(zhì)近乎完全相同，然而，本文土體顆粒級配和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的相似性保證了不同剪切樣中含水率變化成為影響土體抗剪強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，其確保了本次現(xiàn)場試驗(yàn)的科學(xué)性。

表1為各降雨歷時對應(yīng)的角礫土抗剪強(qiáng)度，由于現(xiàn)場試驗(yàn)為快剪試驗(yàn)，因此獲得的抗剪強(qiáng)度為總應(yīng)力強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為表觀黏聚力和表觀內(nèi)摩擦角，都隱含了基質(zhì)吸力的影響[12]。由表1可知，26.4%含水率時角礫土的抗剪強(qiáng)度較5.6%天然含水率時的強(qiáng)度降低40.1%～50.5%。

表1 不同降雨歷時下土體強(qiáng)度指標(biāo)

圖6為根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制的角礫土黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線，可以獲得以下擬合公式：

C=0.034w2-2.668 5w+64.139

(1)

φ=-0.2196w+30.878

(2)

圖6 角礫土強(qiáng)度指標(biāo)與含水率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the strength index and water content

圖6a顯示角礫土黏聚力與含水率呈二次函數(shù)關(guān)系，其隨含水率的增大在前期顯著降低，而后降低速率變緩，26.4%含水率時的黏聚力較5.6%天然含水率時降低64.3%。圖6b顯示角礫土內(nèi)摩擦角與含水率呈較好的負(fù)線性關(guān)系，26.4%含水率時的內(nèi)摩擦角較5.6%天然含水率時降低22.5%。但角礫土在含水率達(dá)到26.4%時已近似飽和，因此黏聚力和內(nèi)摩擦角在該含水率時也應(yīng)達(dá)到最小值。

一些研究也揭示了冰水堆積體角礫土及相似土體的強(qiáng)度和含水量(或飽和度)之間的關(guān)系。如曾琳潔[13]、李驊錦等[14]通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了不同飽和度對理縣小岐村冰磧物角礫土的抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)角礫土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨飽和度的增大而明顯減小，二者與飽和度呈指數(shù)關(guān)系。黃家華等[15]對桃坪冰水堆積體角礫土進(jìn)行了天然和浸水條件下的原位大剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原狀試樣具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，浸水后，其黏聚力和內(nèi)摩擦角出現(xiàn)明顯降低。

3 土水特征曲線及非飽和強(qiáng)度參數(shù)

3.1 土水特征曲線

試驗(yàn)采用TEN- 60型張力計(jì)測定野外真實(shí)環(huán)境下自然脫濕過程中冰水堆積體角礫土基質(zhì)吸力的值。將其用蒸餾水飽水24 h后攜帶至野外，待H- 4號試坑內(nèi)降雨完畢后，將張力計(jì)陶土頭插入預(yù)先挖好的孔中，為保證其與周圍土接觸良好，將陶土頭裹上少許泥漿，使陶土管與土壤緊密接觸，然后將周圍填土輕輕搗實(shí)。張力計(jì)埋置深度為坑底下10 cm，于其側(cè)相同深度埋置土壤水分傳感器，以實(shí)時采集土體含水率信息。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，降雨試驗(yàn)結(jié)束約1 h后，張力計(jì)儀表讀數(shù)趨于穩(wěn)定，此時可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖7為根據(jù)張力計(jì)實(shí)測基質(zhì)吸力值和其對應(yīng)的土體含水率繪制的角礫土土水特征曲線，由圖7可以獲得土水特征曲線擬合公式：

w=26.709-1.943ln(S+0.449)

(3)

式中：S——基質(zhì)吸力/kPa。

圖7 角礫土土水特征曲線Fig.7 Soil- water characteristic curve of the breccia soil

天然狀態(tài)時，土體含水率為 5.6%，對應(yīng)基質(zhì)吸力約為 52 260 kPa；當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)150 mm后，土體含水率為 26.4%，土體近似飽和，其基質(zhì)吸力降為0，抗剪強(qiáng)度減小幅度超過40%。對于歡喜坡冰水堆積體而言，短時強(qiáng)降雨條件下，當(dāng)雨水入滲使角礫土飽和時，基質(zhì)吸力的大幅減小導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度喪失過大，容易誘發(fā)淺層土體滑坡，其宏觀表現(xiàn)為堆積體上廣泛存在的拉裂變形和串珠狀塌陷等變形破壞跡象(圖8)。

圖8 淺層坡體變形破壞Fig.8 Deformation and failure of the shallow slope

3.2 非飽和強(qiáng)度參數(shù)

冰水堆積體角礫土作為一種特殊的非飽和土，其強(qiáng)度公式不能簡單地由飽和土強(qiáng)度理論推廣得出，必須建立符合其非飽和特性的強(qiáng)度公式。截至目前，國內(nèi)外部分學(xué)者根據(jù)研究提出了各自的非飽和土強(qiáng)度理論公式，其中最具代表性的兩類分別是Bishop抗剪強(qiáng)度公式和Fredlund雙變量抗剪強(qiáng)度公式[16～20]。根據(jù)Bishop公式，非飽和土黏聚力C可表示為：

C=C′+χ(ua-uw)tanφ′

(4)

式中：C′——飽和土黏聚力；χ——與含水率有關(guān)的參數(shù)； (ua-uw)——基質(zhì)吸力，常用S替代，其值可通過土水特征曲線擬合公式確定；

φ′——飽和土內(nèi)摩擦角。

Bishop公式形式較為簡單，利于推廣，但也存在著參數(shù)χ量化困難的問題。然而，由于χ與含水率直接相關(guān)，且土水特征曲線擬合公式已知，故非飽和土黏聚力可表示為以含水率為唯一自變量的函數(shù)關(guān)系式：

C=C′+χ(w)Stanφ′

(5)

為了確定χ(w)的函數(shù)表達(dá)式，分別利用指數(shù)函數(shù)(式 (6))、傅里葉級數(shù)(式 (7))、多項(xiàng)式函數(shù)(式 (8))對其進(jìn)行擬合分析。具體做法為：將式(6)、式(7)、式(8)分別代入式(5)中，經(jīng)擬合得到未知參數(shù)的值，進(jìn)而確定函數(shù)表達(dá)式。各式中參數(shù)的值見表2。

(6)

χ(w)=w[a1+b1cos(αw)+c1sin(αw)]

(7)

χ(w)=a2w3+b2w2+c2w+d

(8)

表2 表達(dá)式中參數(shù)的值

將量化后的χ(w)函數(shù)表達(dá)式再次分別代入式(5)，計(jì)算得到非飽和土黏聚力，結(jié)果見表3。

表3 黏聚力計(jì)算結(jié)果匯總

計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)程度可用皮爾遜相關(guān)系數(shù)來表示，該系數(shù)的值介于-1與 1之間，常用r表示，r的絕對值越大，表明兩組變量間的相關(guān)性越強(qiáng)，通常定義0.8

圖9為根據(jù)表 3數(shù)據(jù)繪制的試驗(yàn)結(jié)果與算結(jié)果對比圖，由圖9可知，采用式(8)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果近似一致，其擬合公式如式(9)所示。實(shí)際應(yīng)用時，可采用該多項(xiàng)式函數(shù)來確定歡喜坡角礫土的χ(w)。

χ(w)=2.700×10-5w3-0.006w2+0.044w-0.108

(9)

圖9 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比圖Fig.9 Comparison between the experimental results and calculated results

4 結(jié)論

(1)降雨作用對歡喜坡冰水堆積體角礫土的抗剪強(qiáng)度有著顯著的影響。近似飽和時的黏聚力和內(nèi)摩擦角比天然含水率情況分別降低64.3%和22.5%。

(2)降雨入滲使角礫土基質(zhì)吸力迅速降低，當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)150 mm時，其基質(zhì)吸力降為0，抗剪強(qiáng)度減小幅度超過40%。對于歡喜坡冰水堆積體而言，短時強(qiáng)降雨條件下，角礫土基質(zhì)吸力的大幅減小會導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度喪失過大，容易誘發(fā)淺層土體滑坡，其宏觀表現(xiàn)為堆積體上廣泛分布的拉裂變形和串珠狀塌陷等變形破壞跡象。

(3)結(jié)合土水特征曲線擬合公式建立了歡喜坡冰水堆積體角礫土非飽和黏聚力與含水率參數(shù)χ(w)的關(guān)系式，實(shí)際應(yīng)用時可采用多項(xiàng)式函數(shù)來確定歡喜坡角礫土的χ(w)。

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責(zé)任編輯：張明霞

Strength characteristics of the breccia soil in the Huanxipo outwash deposit under rainfall

QI Hao1,2, FENG Wenkai2, CHEN Jianfeng1,3, BAI Huilin2, ZHOU Qiang2, ZENG Xiushu2

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.StateKeyLaboratoryofGeo-HazardPreventionandGeo-EnvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 3.KeylaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

In order to investigate the variation in strength of the breccia soil in the Huanxipo outwash deposit under the action of rainfall, in- situ shear tests of the breccia soil are conducted under the natural condition and under four different rainfall duration conditions. The unsaturated strength characteristics of this special soil are discussed by combining the soil water characteristic curve. Rainfall has a significant effect on the shear strength of the breccia soil in the Huanxipo outwash deposit. When it is approximately saturated, the cohesion and internal friction angle are 64.3% and 22.5% respectively lower those in the case of natural water content. The infiltration of rainfall rapidly reduces the matric suction of the breccia soil, and the heavy rainfall in a short time will lead to too much loss of the shear strength of the soil, which is liable to induce the landslide of the shallow soil. The equation of the relationship between the unsaturated cohesion and the water content parameterχ(w)ofthebrecciasoilintheHuanxipooutwashdepositisestablished.Inpractice,thepolynomialfunctioncanbeusedtodeterminetheparameterχ(w).

breccia soil in outwash deposits; rainfall; in- situ shear test; unsaturated soil; shear strength

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.12

2016- 12- 04;

2017- 02- 13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41572291)

祁昊(1994- )，男，碩士研究生，主要從事巖土加固與測試工作。E- mail：1393601984@qq.com

馮文凱(1974- )，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事區(qū)域穩(wěn)定及與巖體穩(wěn)定以及地質(zhì)災(zāi)害評價與防治教學(xué)與研究工作。 E- mail：fwkhyl@163.com

TU413.1

A

1000- 3665(2017)04- 0078- 07