摘要：影響滑坡的主要因素是粘聚力和內(nèi)摩擦角兩個抗剪強度參數(shù)。文章通過實驗室模擬實驗的方式，研究了不同級配碎石土的粘聚力和內(nèi)摩擦角變化規(guī)律，并進(jìn)一步探討了這兩個抗剪強度參數(shù)對碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)論對碎石土邊坡的穩(wěn)定性評價和施工設(shè)計具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：碎石土;安全系數(shù);粘聚力;內(nèi)摩擦角

一、研究背景

堆積碎石土是一種特殊形態(tài)的土石混合體，是在風(fēng)化卸荷、殘坡積以及沖洪積等各種復(fù)雜成因作用下形成的石塊和土混合體[1]。對于堆積碎石土，目前學(xué)界并沒有統(tǒng)一的定義，通常認(rèn)為是2mm以上粒徑的顆粒含量在50%以上的土石混合體[2]。受到地質(zhì)環(huán)境和作用的影響，我國存在比較廣泛的天然碎石土邊坡，同時在部分水利工程建設(shè)中還存在大量的人工碎石土邊坡。這類邊坡的成因比較復(fù)雜，主要有人工填土、風(fēng)化殘積、崩塌堆積以及滑坡堆積等多種形式。由于物質(zhì)的組成十分復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)分布上又具有不規(guī)則性，給其工程力學(xué)性質(zhì)研究帶來了較大困難[3]。同時，碎石土邊坡滑坡又是我國最常見的滑坡類型。在水利工程建設(shè)和運行期間，一旦發(fā)生碎石土滑坡，必將給工程建設(shè)和運行造成十分顯著的不利影響[4]。相關(guān)研究顯示，顆粒接觸緊密的碎石土，一般抗剪強度較大，在荷載的干擾下一般不會發(fā)生較大的變形，而結(jié)構(gòu)疏松的碎石土抗剪強度小，在荷載作用下往往會產(chǎn)生較大的變形[5]。因此，抗剪強度對碎石土邊坡的穩(wěn)定性存在顯著影響?；诖?，本次研究通過實驗室模擬試驗的方式，展開抗剪強度參數(shù)對庫岸堆積碎石土邊坡穩(wěn)定性影響的試驗研究，以便為相關(guān)工程設(shè)計和建設(shè)提供必要的支持。

二、試驗設(shè)計

（一）碎石土的制備

根據(jù)相關(guān)研究成果，顆粒級配對碎石土的抗剪強度存在比較顯著的影響，甚至可以認(rèn)為顆粒級配對碎石土的物理力學(xué)性能存在決定性的影響。另一方面，顆粒組成方面的差異也會造成碎石土內(nèi)部顆粒之間的粘聚力和摩擦力存在比較明顯的差別。因此，研究中設(shè)計了五種不同級配的碎石土進(jìn)行試驗，具體的級配設(shè)計如表1所示。

（二）試件制作

在試件制作過程中，采用散體材料擊實的方式進(jìn)行碎石土試件的制作。制作的流程按照《土工試驗規(guī)程》SL237-1999中的相關(guān)要求進(jìn)行。根據(jù)試驗中乘膜筒的大小，采用2.5kg的擊實桿分兩層對試件進(jìn)行擊實，每層的擊打次數(shù)為5次，在試件擊打完畢之后，平整好上表面，并放入透水石以及吸水紙，然后在套上一層完整的橡膠模。為了防止試驗中出現(xiàn)意外情況，每種級配的試件需要多做一個備用件。

（三）試驗方法

研究中對不同級配的碎石土試樣在不同圍壓條件下進(jìn)行三軸試驗，并記錄試驗過程中的各項指標(biāo)參數(shù)，研究試件抗剪強度的變化規(guī)律，并進(jìn)一步獲取抗剪強度參數(shù)對庫岸堆積碎石土邊坡穩(wěn)定性影響，為碎石土邊坡的穩(wěn)定性預(yù)測和治理工程措施的選擇提供必要的參考。試驗中設(shè)計的了100kPa、200kPa和300kPa三種不同的圍壓，剪切速率設(shè)定為1.2mm/min，振幅和振動次數(shù)分別設(shè)計為2mm和30次。在不固結(jié)、不排水方式下分別對不同級配的碎石土試樣進(jìn)行靜力三軸試驗。試驗采用SDT-20型試驗機進(jìn)行，具體的試驗步驟如下：首先檢查試驗儀器設(shè)備，并做好必要的調(diào)適;在指定位置安裝好碎石土試件;關(guān)閉上下孔壓閥門，并在電腦界面上觀察各個參數(shù)是否歸零;通過電腦操控上升底座，排除試件和橡皮膜之間的空氣;手動放下壓力罩;打開閥門向壓力室內(nèi)注水;在電腦界面點擊開始按鈕并開始試驗。最后，根據(jù)試驗過程中記錄的數(shù)據(jù)，利用莫爾-庫倫公式進(jìn)行整理和計算，獲得主應(yīng)力和軸向應(yīng)變之間的關(guān)系，最終獲得粘聚力和內(nèi)摩擦角兩個抗剪強度參數(shù)的結(jié)果和關(guān)系曲線。

三、試驗結(jié)果分析

（一）抗剪強度參數(shù)變化規(guī)律

對設(shè)計的A、B、C、D、E五種不同顆粒級配的試件按照上述試驗方法進(jìn)行三軸試驗， 根據(jù)試驗結(jié)果計算和整理出不同級配條件下的碎石土粘聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果如表2所示。由試驗結(jié)果可知，粘聚力數(shù)值最大的是試樣B，粘聚力最小的是試樣C。根據(jù)試樣的顆粒級配設(shè)計可知，碎石土的粘聚力隨著碎石含量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的特點。內(nèi)摩擦角最大的是試樣C，內(nèi)摩擦角最小的是試樣A。由此可見，隨著碎石土中碎石含量的增加，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)出逐漸遞增的特征，同時適當(dāng)?shù)膿缴傲繉μ岣咚槭恋膬?nèi)摩擦角也有一定的作用。究其原因，主要是砂、土和碎石之間的有效黏結(jié)能夠有效提升碎石土內(nèi)部的嵌合力，從而使碎石土的整體明顯提升。因此，隨著碎石量的不斷增加，碎石土試樣的抗剪強度也不斷增大。但是，當(dāng)碎石含量超過某一定值的情況下，細(xì)顆粒的減少會導(dǎo)致內(nèi)部黏結(jié)性的降低，并表現(xiàn)為粘聚力的下降;對內(nèi)摩擦角而言，碎石含量的增加會造成碎石土內(nèi)大小不同的顆粒不斷擠壓和鑲嵌，造成土體結(jié)構(gòu)的重新排列，使碎石土呈現(xiàn)出土和石的雙重特征，使土體的抗剪強度提高。

（二）抗剪強度參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響

研究中以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用概率論中的相關(guān)理論，利用方差對數(shù)據(jù)的離散程度進(jìn)行度量，并估計碎石土邊坡產(chǎn)生滑坡的概率。同時，研究中選用瑞典條分法進(jìn)行計算，并以計算結(jié)果為基礎(chǔ)，分析粘聚力和內(nèi)摩擦角兩個主要抗剪強度參數(shù)對碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響，以便對碎石土邊坡的穩(wěn)定性研究以及具體整治措施的選擇提供支持。

（1）粘聚力的影響

利用上文提出的方法，將粘聚力視為變量，在其余參數(shù)值保持不變的情況下對試樣的安全系數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。由表中的計算結(jié)果可知，五組試樣的穩(wěn)定性系數(shù)和試樣的粘聚力之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，也就是試樣的粘聚力越大，試樣的穩(wěn)定性就越高。其中，中安全系數(shù)最大的為試樣B，安全系數(shù)為1.698，安全系數(shù)最小的為試樣C，安全系數(shù)值為1.625。究其原因，主要是試樣B中土的含量要明顯多于試樣C，由于土顆粒較細(xì)，粘結(jié)作用十分明顯。由此可見，粘聚力的變化會對試樣的穩(wěn)定性存在顯著影響，兩者之間呈現(xiàn)出近似的正比關(guān)系。

（2）內(nèi)摩擦角的影響

利用上文提出的方法，將內(nèi)摩擦角視為變量，在其余參數(shù)值保持不變的情況下對試樣的安全系數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果如表4所示。由表中的計算結(jié)果可知，五組試樣的穩(wěn)定性和試樣的內(nèi)摩擦角之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，也就是試樣的內(nèi)摩擦角越大，試樣的穩(wěn)定性就越高。其中，中穩(wěn)定性系數(shù)最大的為試樣C，穩(wěn)定性系數(shù)為1.951，安全系數(shù)最小的為試樣A，安全系數(shù)值為1.158。究其原因，主要是試樣C的級配較為理想，顆粒之間具有較強的咬合作用，因此抗剪強度也較高。由此可見，內(nèi)摩擦角的變化會對試樣的穩(wěn)定性存在顯著影響，兩者之間呈現(xiàn)出近似的正比關(guān)系。

四、結(jié)論

本次研究通過實驗室試驗的方法，研究了粘聚力和內(nèi)摩擦角量兩個抗剪強度參數(shù)對碎石土邊坡穩(wěn)定性的影響，并獲得如下主要結(jié)論：

（1）隨著碎石含量的增加，碎石土的粘聚力呈現(xiàn)出先增加后減小的特點，內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)出逐漸遞增的特征。

（2）粘聚力的變化會對碎石土邊坡的穩(wěn)定性存在顯著影響，兩者之間呈現(xiàn)出近似的正比關(guān)系。內(nèi)摩擦角也呈現(xiàn)出相似的特征，其變化會對碎石土邊坡的穩(wěn)定性存在顯著影響，兩者之間也呈現(xiàn)出近似的正比關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

秦于單（1994.1-），四川內(nèi)江人，漢族，碩士，助理工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的工作。