胡 凱 李和元 陳曉清 黃衛(wèi)國(guó)

(①江西省公路工程檢測(cè)中心，南昌 330009，中國(guó))

(②中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041，中國(guó))

0 引 言

滑坡泥石流是山區(qū)特有的一種突發(fā)性自然災(zāi)害，破壞性極強(qiáng)，常造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失(許強(qiáng)等，2018；曾慶利等，2018；崔圣華等，2019；馮文凱等，2019；周禮等，2019)。寬級(jí)配礫石土作為滑坡泥石流廣泛發(fā)育的西南地區(qū)的一種特殊巖土材料，具有獨(dú)特的顆粒級(jí)配和結(jié)構(gòu)：首先，其顆粒級(jí)配分布廣，包含小于0.005mm的黏粒，也可包含粒徑為數(shù)米的大塊石，最大顆粒與最小顆粒粒徑相差5個(gè)數(shù)量級(jí)以上；同時(shí)，其結(jié)構(gòu)為風(fēng)化、侵蝕和搬運(yùn)等各種物質(zhì)混雜在一起形成的大的塊石和顆粒形成骨架結(jié)構(gòu)，砂土顆粒充填其中：黏土顆粒包裹粗大顆粒的孔隙比較大、固結(jié)程度較低的土體(胡凱，2019)。

寬級(jí)配礫石土強(qiáng)度特性是泥石流防治工程建設(shè)和泥石流土體失穩(wěn)啟動(dòng)預(yù)測(cè)的重要參數(shù)。作為粗粒土，野外的土中可能包含大到1im或數(shù)米的巨石，但由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的限制，不可能對(duì)全粒徑的寬級(jí)配礫石土進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以獲得較接近實(shí)際的強(qiáng)度指標(biāo)，實(shí)際工作中對(duì)超過室內(nèi)儀器裝置容許最大顆粒粒徑的野外寬級(jí)配礫石土進(jìn)行縮尺處理并進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度測(cè)定，以此作為泥石流啟動(dòng)研究或防治設(shè)計(jì)參數(shù)。

縮尺強(qiáng)度的研究主要是建立強(qiáng)度參數(shù)與最大粒徑變化關(guān)系，不同的試驗(yàn)條件所得的結(jié)果不盡一致。對(duì)于相同干密度條件下的試樣，大多研究結(jié)果表明強(qiáng)度隨著最大顆粒粒徑的增大而減小。而對(duì)于相同相對(duì)密實(shí)度試樣，大多研究結(jié)果為強(qiáng)度隨著最大顆粒粒徑的增大而增大。Marsal(1967)和Marachi et al.(1972)等采用相似級(jí)配法處理，相同初始干密度試樣的三軸排水實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：隨著最大粒徑的增大，粗粒料峰值內(nèi)摩擦角減小。酈能惠等(2001)也采取相似級(jí)配法縮尺處理，相同的相對(duì)密實(shí)度試樣的三軸固結(jié)排水實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著最大顆粒粒徑的增大，抗剪強(qiáng)度增大。同時(shí)，王永明等(2013)利用DEM數(shù)值模擬方法，模擬類似于酈能惠等(2001)的實(shí)驗(yàn)條件，不考慮顆粒破碎的影響，也證實(shí)了她的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

現(xiàn)有針對(duì)寬級(jí)配礫石土的強(qiáng)度研究中并未涉及縮尺強(qiáng)度研究。因此，本文針對(duì)3種不同顆粒級(jí)配寬級(jí)配礫石土進(jìn)行縮尺強(qiáng)度試驗(yàn)，最大粒徑分別為30imm、20imm、10imm和5imm，探討寬級(jí)配礫石土的強(qiáng)度參數(shù)與最大顆粒粒徑與顆粒級(jí)配之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)土料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)針對(duì)3種不同顆粒級(jí)配的寬級(jí)配礫石土(JJG01、JJG02和JJG03)進(jìn)行縮尺強(qiáng)度試驗(yàn)，3種土料均取自云南東川蔣家溝泥石流觀測(cè)站附近不同溝道位置。采用剔除法，得到最大粒徑分別為30imm、20imm、10imm和5imm顆粒的寬級(jí)配礫石土，相應(yīng)的級(jí)配參數(shù)和級(jí)配曲線如表1和圖1所示。其中，dmax、d60、d30和d10分別為最大粒徑、限制粒徑、顆粒累計(jì)質(zhì)量比例小于30%所對(duì)應(yīng)粒徑和有效粒徑；Cu和Cc分別為不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)；C、μ和Dc分別為標(biāo)度分布函數(shù)中的參數(shù)，C和μ為無量綱指標(biāo)，參數(shù)μ為顆分參數(shù)，表征細(xì)顆粒的含量；參數(shù)Dc被定義為特征粒徑，表征粗顆粒的含量及其級(jí)配范圍(mm)。(Li et al.，2017)。標(biāo)度參數(shù)由分布函數(shù)P(D)=CD-μexp(-D/Dc)擬合而成。

表1 寬級(jí)配礫石土顆粒級(jí)配基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of particle-size distribution of widely-graded gravelly soil

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室配置的英國(guó)GDS飽和-非飽和三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖2)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由壓力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)量測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動(dòng)記錄采集。

試驗(yàn)步驟分為制樣和加載兩部分。首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，計(jì)算所需的土料和水的重量，并稱重，將其混合攪拌均勻，并密封24ih。

使水分分布均勻。制樣參照SL237-1999土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程，采用三瓣膜分層擊實(shí)法，每層高度為10icm，采用干密度控制法，計(jì)算每層所需的土料的重量，當(dāng)每層擊實(shí)到相應(yīng)高度后，將表面作刮毛處理，使各層土樣接觸良好，當(dāng)土樣達(dá)到相應(yīng)高度后，將三瓣膜拆除，并測(cè)量其相應(yīng)的直徑及高度，將試樣表面套上專用的塑料膜，制樣完成；裝樣按照相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，將土樣放入圍壓室樣品臺(tái)，并將水充滿圍壓室，充當(dāng)圍壓傳媒介質(zhì)。

GDS三軸實(shí)驗(yàn)加載過程分為飽和、固結(jié)和剪切過程。飽和階段包括排氣和反壓飽和：首先通過圍壓控制器和反壓控制器對(duì)試樣施加一定的有效圍壓(通常圍壓為30ikPa，反壓為20ikPa)，使無氣水充填試樣的空隙，然后相應(yīng)的增大圍壓和反壓(差值不變)，使多余的氣體壓入水中，并使用SkemptonB值檢測(cè)試樣的飽和度，即：在全封閉條件下，施加一定的圍壓增量(一般約50ikPa)，觀察孔隙水壓力增量與圍壓增量的比值(即為B值)，當(dāng)B值達(dá)到0.95及以上，試樣飽和，當(dāng)B值小于0.95時(shí)，繼續(xù)增大圍壓和反壓，直到B值為0.95以上，飽和結(jié)束。然后保持反壓不變，增大圍壓，將試樣壓縮至剪切過程所需的有效應(yīng)力狀態(tài)，直至試樣體變較小，固結(jié)過程結(jié)束，進(jìn)入不排水剪切過程。實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)都由數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)獲取。

1.2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)針對(duì)最大粒徑分別為30imm、20imm、10imm和5imm的JJG01、JJG02和JJG03寬級(jí)配礫石土進(jìn)行縮尺強(qiáng)度試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)控制初始干密度為1.80g·cm-3，初始含水率為7.5%，試樣尺寸為150imm×300imm(直徑×高度)。三軸實(shí)驗(yàn)共設(shè)4級(jí)有效圍壓，分別為100ikPa、200ikPa、300ikPa和400ikPa。由于泥石流物源土啟動(dòng)形成泥石流過程中，前期降雨具有重要的作用。土坡失穩(wěn)伴隨有土體的蠕動(dòng)—擾動(dòng)—崩塌—滑塌—擾動(dòng)—快速流動(dòng)過程(李德基，1997)。因此，為了更好地符合實(shí)際過程，本文選用固結(jié)不排水飽和三軸實(shí)驗(yàn)，即CU實(shí)驗(yàn)?！帮柡汀焙汀肮探Y(jié)”指示了前期降雨過程，而不排水快速“加載”表征了土體破壞過程。實(shí)驗(yàn)的加載速率考慮到土坡失穩(wěn)的快速特性，設(shè)置為1%/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將寬級(jí)配礫石土三軸固結(jié)不排水的試驗(yàn)曲線分為應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化和應(yīng)變軟化-硬化3種類型：

2.1.1 應(yīng)變硬化

圖3為最大粒徑為5imm的JJG01寬級(jí)配礫石土在σ′3=400ikPa狀況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、孔隙水壓力變化曲線和應(yīng)力路徑曲線變化情況。

由圖3可知該試樣應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，隨著軸向應(yīng)變的增大，偏應(yīng)力始終處于增大的狀態(tài)；孔隙水壓力隨著軸向應(yīng)變的增大迅速增大，當(dāng)增大到峰值孔隙水壓力a后(ua=305ikPa)，孔隙水壓力逐漸減小，最大孔隙水壓力值遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)的有效圍壓(305ikPa<400ikPa，比值約為0.75)；同時(shí)，從有效應(yīng)力路徑曲線可以看出，應(yīng)力路徑曲線顯示明顯的“肘”，由于孔隙水壓力的變化，平均有效主應(yīng)力先減小而后增大，平均有效主應(yīng)力p′的最小值，即為孔隙水壓力的峰值點(diǎn)a。試樣有出現(xiàn)過液化的跡象，但由于土體體積膨脹造成土體孔隙水壓力的下降，最終并未出現(xiàn)液化破壞，這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象常發(fā)生于密實(shí)的砂土或粉砂中。其中，a點(diǎn)我們稱之為“相變點(diǎn)”，液化理論中土體由體積壓縮狀態(tài)變化為體積膨脹狀態(tài)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。該點(diǎn)偏應(yīng)力q與平均有效主應(yīng)力p′的比我們稱之為“相變狀態(tài)應(yīng)力比”，用符號(hào)Md表示，如圖3所示。

2.1.2 應(yīng)變軟化

圖4為最大粒徑為10imm的JJG03寬級(jí)配礫石土在σ′3=100ikPa狀況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、孔隙水壓力變化曲線和有效應(yīng)力路徑變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，該試樣呈應(yīng)變軟化。隨著應(yīng)變的增大，試樣偏應(yīng)力和孔隙水壓力急劇增大，在軸向應(yīng)變?chǔ)?=1.07%時(shí)，偏應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)qp=33.14ikPa，此時(shí)的孔隙水壓力增大到u=59ikPa，由于孔隙水壓力的增大，平均有效正應(yīng)力p′逐漸減小，如圖4中所示a點(diǎn)即為試樣峰值點(diǎn)，稱其為失穩(wěn)啟動(dòng)點(diǎn)。試樣失穩(wěn)后，隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大，孔隙水壓力繼續(xù)增大，偏應(yīng)力急劇下降，當(dāng)孔隙水壓力增大到峰值點(diǎn)u=91ikPa后(與有效圍壓比值約為0.91)，偏應(yīng)力qs=7.86ikPa，隨后兩者保持相對(duì)穩(wěn)定值，如圖4中所示b點(diǎn)即為相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。有效應(yīng)力路徑中有效平均主應(yīng)力始終減小，并不出現(xiàn)相應(yīng)的“肘”形態(tài)。我們將這種現(xiàn)象就稱為液化現(xiàn)象，試樣越松散時(shí)，其液化的可能性越高。有效應(yīng)力路徑中，并沒有出現(xiàn)相應(yīng)的“肘”形態(tài)，試樣一直處于體積壓縮狀態(tài)，通常認(rèn)為相變狀態(tài)等同于穩(wěn)態(tài)。

不排水實(shí)驗(yàn)中，將不同圍壓條件下峰值點(diǎn)a的連線定義為不穩(wěn)定線(instability line)，不穩(wěn)定線經(jīng)過原點(diǎn)，不穩(wěn)定線和穩(wěn)態(tài)線所對(duì)應(yīng)的區(qū)間我們稱之為試樣的失穩(wěn)區(qū)間，試樣處于亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在該區(qū)域土體強(qiáng)度逐漸喪失，如圖4中的陰影區(qū)間。

2.1.3 應(yīng)變軟化-硬化

圖5為最大粒徑為20imm的JJG03寬級(jí)配礫石土在σ′3=400ikPa狀況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、孔隙水壓力變化曲線和應(yīng)力路徑變化情況。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化-硬化型。隨著應(yīng)變的增大，軸向應(yīng)力迅速增大到峰值點(diǎn)a，孔隙水壓力迅速增大，且平均有效應(yīng)力p′逐漸減小。失穩(wěn)破壞后，偏應(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的繼續(xù)增大而減小，同時(shí)孔隙水壓力繼續(xù)增大，試樣在該過程都處于體積壓縮狀態(tài)。當(dāng)偏應(yīng)力q達(dá)到最小值b點(diǎn)后，隨著應(yīng)變的增大，偏應(yīng)力由減小改變?yōu)樵龃?，同時(shí)，試樣由剪縮變?yōu)榧裘?，孔隙水壓力逐漸降低。有效應(yīng)力路徑中有效平均主應(yīng)力開始一直減小，當(dāng)減小到一定值時(shí)(偏應(yīng)力最小值所對(duì)應(yīng)的值)，偏應(yīng)力和平均主應(yīng)力都開始增大，有效應(yīng)力路徑出現(xiàn)“肘”，我們稱之為相變點(diǎn)。我們稱這種現(xiàn)象為有限液化，常發(fā)生于試樣處于中密-密實(shí)狀態(tài)。

2.2 強(qiáng)度結(jié)果及分析

2.2.1 強(qiáng)度結(jié)果

不排水實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)稱之為失穩(wěn)點(diǎn)，表示液化發(fā)生的啟動(dòng)點(diǎn)，對(duì)于滑坡或泥石流的啟動(dòng)研究具有重要的意義。所以根據(jù)上述寬級(jí)配礫石土三軸固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)于縮尺強(qiáng)度分析的強(qiáng)度取值點(diǎn)我們作如下規(guī)定：對(duì)于液化和有限液化破壞土體，取相應(yīng)的峰值點(diǎn)作為其強(qiáng)度值；而對(duì)于應(yīng)變硬化土體，取有效應(yīng)力路徑轉(zhuǎn)變點(diǎn)(即相變點(diǎn))計(jì)算其強(qiáng)度。根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程，寬級(jí)配礫石土粗顆粒土在固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)條件下，相應(yīng)的有效黏聚力c′取為0，利用莫爾應(yīng)力圓求取有效內(nèi)摩擦角，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

表2 縮尺強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of scale strength tests

2.2.2 峰值強(qiáng)度與最大粒徑關(guān)系

圖6為不同顆粒級(jí)配寬級(jí)配礫石土有效峰值內(nèi)摩擦角φp′與最大顆粒粒徑dmax的變化關(guān)系。從圖中明顯可以看出，由于JJG01中最大粒徑為5imm試樣應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變硬化，未出現(xiàn)液化，其強(qiáng)度相對(duì)其他液化土體強(qiáng)度高；而對(duì)于所有出現(xiàn)液化或有限液化的土體來說，隨著最大粒徑dmax的增大，有效峰值內(nèi)摩擦角φp′幾乎呈線性增大。

本文對(duì)于寬級(jí)配礫石土縮尺強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與以往大多數(shù)相同初始干密度條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，只有李鳳鳴等(1991)的研究結(jié)果與本文一致。孟憲麒等(1983)針對(duì)最大粒徑相同而顆粒級(jí)配不同的抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，無論是相同的初始干密度還是相同的初始相對(duì)密實(shí)度，試樣加權(quán)平均粒徑越大，其抗剪強(qiáng)度值越大。由于本文針對(duì)寬級(jí)配礫石土的縮尺強(qiáng)度效應(yīng)實(shí)驗(yàn)采用的是直接剔除法，分別剔除大于30imm、20imm、10imm和5imm的顆粒，所以隨著最大粒徑的減小，相應(yīng)寬級(jí)配礫石土中粗顆粒含量減小，細(xì)顆粒含量增加，造成寬級(jí)配礫石土加權(quán)平均粒徑的減小。所以，對(duì)于寬級(jí)配礫石土在剔除法縮尺處理后，縮尺后的顆粒級(jí)配變化對(duì)強(qiáng)度的影響，使得縮尺后寬級(jí)配礫石土的強(qiáng)度隨著最大粒徑的增大而呈線性增大。

2.2.3 峰值強(qiáng)度與顆粒級(jí)配關(guān)系

粗粒土的液化發(fā)生受顆粒級(jí)配、圍壓、干密度等因素的影響，其中顆粒級(jí)配是研究者最感興趣，同時(shí)也是研究最多的一個(gè)因素。圖7和圖8為所有寬級(jí)配礫石土的有效峰值內(nèi)摩擦角與不均勻系數(shù)Cu和特征粒徑Dc的關(guān)系。從圖中可以看出，對(duì)于出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)發(fā)生液化或者有限液化的寬級(jí)配礫石土，隨著不均勻系數(shù)Cu和特征粒徑Dc的增大，有效峰值內(nèi)摩擦角呈增大趨勢(shì)，但隨兩個(gè)因素增長(zhǎng)的形式不同：有效峰值內(nèi)摩擦角隨不均勻系數(shù)呈二次多項(xiàng)式增大；而隨特征粒徑呈分段線性增大，存在一個(gè)臨界特征粒徑(Dc=6.7)，當(dāng)特征粒徑小于臨界特征粒徑，有效峰值內(nèi)摩擦角緩慢增大，當(dāng)特征粒徑大于一定值后，增大的幅度變大。相應(yīng)的擬合關(guān)系如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

不均勻系數(shù)被廣泛應(yīng)用于考察顆粒級(jí)配Cu對(duì)砂土強(qiáng)度特性影響研究。但不同的研究所得的結(jié)果不同。一些研究成果表明，顆粒級(jí)配對(duì)砂土的強(qiáng)度特性影響較小(Kuerbis et al.，1988; Pitman et al.，1994)。同時(shí)，另外一些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)指出，砂土的固結(jié)不排水強(qiáng)度隨著不均勻系數(shù)的增大而減小(Monkul et al.，2011，2016)。

本文針對(duì)相同干密度不同顆粒級(jí)配的寬級(jí)配礫石土固結(jié)不排水強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于液化的寬級(jí)配礫石土，隨著不均勻系數(shù)的增大，有效內(nèi)摩擦角呈二次多項(xiàng)式增大，表明增大不均系數(shù)就增大了寬級(jí)配礫石土的抗液化能力。主要原因是，粗顆粒的剪切變形主要由試樣中固體顆粒之間的相對(duì)滑動(dòng)所引起，而對(duì)于不均勻系數(shù)大的試樣，各種粒徑大小的固體顆?；旌显谝黄?，大顆粒形成骨架，小顆粒聚集填充與骨架所形成的空隙中，形成緊密的整體，增大顆粒之間的抗滑能力。這與Kokusho et al.(2004)、Igwe et al.(2007)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。他們指出，無論是峰值強(qiáng)度還是穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度，兩者都隨著不均勻系數(shù)的增大而增大。

特征粒徑Dc是Li et al.(2017)所提出的顆粒級(jí)配統(tǒng)一表達(dá)式中的一個(gè)參數(shù)，表征顆粒組成的范圍。而對(duì)于具有相同粒徑范圍的土體，粗粒含量越多，特征粒徑越大，某種意義上，特征粒徑可以很好地表征粗粒料中粗粒部分的特征?？讘?yīng)德(2014)和呂東(2017)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，內(nèi)摩擦角隨特征粒徑的增大而呈線性增大。

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)3種不同顆粒級(jí)配、最大粒徑為30imm、20imm、10imm和5imm的寬級(jí)配礫石土進(jìn)行三軸固結(jié)不排水強(qiáng)度試驗(yàn)，探討了寬級(jí)配礫石土在不排水條件下的試驗(yàn)曲線特征、強(qiáng)度參數(shù)與最大顆粒粒徑、不均勻系數(shù)和特征粒徑的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1)寬級(jí)配礫石土具有液化特性，固結(jié)不排水試驗(yàn)曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化、應(yīng)變軟化-硬化和應(yīng)變硬化3種形態(tài)，對(duì)應(yīng)土體液化、有限液化和不液化狀態(tài)。

(2)對(duì)于液化的土體，有效內(nèi)摩擦角隨著最大顆粒粒徑的增大而增大。

(3)有效內(nèi)摩擦角隨著不均勻系數(shù)的增大呈二次多項(xiàng)式增大，隨著特征粒徑的增大呈分段線性增大。