吴旻硕 李晓 赫建明
（中国科学院地质与地球物理研究所工程地质重点力学实验室 北京 100029）
摘要 在长江三峡库区沿岸普遍存在着由于滑坡、崩塌、风化卸荷、残坡积和冲洪积等复杂成因而形成的第四纪松散堆积体，其力学特性介于土体与碎裂岩体之间，为了强调其组成及结构上的特点，称之为“土石混合体”。在大量现场调查的基础上，对三峡库区土石混合体的成因进行了总结。在滑坡现场对土石混合体进行了原位压剪以及推剪试验研究，揭示了土石混合体在原位受剪情形下的变形与破坏规律。
关键词 土石混合体 水平原位推剪试验 含石率
土石混合体广泛分布于我国各个地区，在工程建设中经常需要处理这种特殊的地质材料。但是由于其复杂性，目前还没有一种理论系统地阐述土石混合体的力学性质。岩土体在受剪状态下的力学响应及其变形破坏特征是岩土体力学特性的一个最为重要的方面，因为许多建筑物地基的破坏、人工和自然边坡的滑动以及挡土墙的移动和倾倒等都主要是由于作用在岩土体上的剪应力超过了材料自身的抗剪强度而引起的，所以对于土石混合体在受剪状态下所表现出来的力学特性的研究也就显得尤为重要［1］。
对于土石混合体，由于目前还没有建立起一套具体针对这种特殊工程地质材料的完整试验体系，而且现有的规范中也查找不到相应的试验方法，这就造成了在确定试验方案方面具有一定的困难，本文中对土石混合体的现场原位试验主要参考了现有规范中针对土体以及岩体的现场原位试验方法。针对土体的现场直剪试验方法主要有：大剪仪法、水平推挤法、十字板剪切等［2～5］；针对岩体的现场直剪试验主要有：岩体直剪试验、岩体沿软弱结构面试验和岩体单点法抗剪试验等［6～8］。根据以上内容再结合本文的现场实际情况，最后决定采用现场推剪法对土石混合体进行现场原位试验研究，具体试验地点选择在重庆奉节县白衣庵滑坡堆积体上进行。
1 试验目的和方案
试验主要通过大型原位推剪试验探讨土石混合体的剪切变形破坏特点和强度性质，同时在对试验结果进行分析的基础上，根据现场试验情况确定支配土石混合体抗剪强度的主要因素，为今后土石混合体抗剪强度的确定提供一定的依据。
推剪试验法的基本原理是对土体施加推力，使土体达到极限强度后失去稳定而滑动。推力作用在土石混合体上，试样受到挤压，除了沿着推力方向传递位移外，还要向四周挤压发生侧向应变，这种应变受到周围土体的约束，产生侧压力，而表面为临空面，土石混合体不受约束，其余三个侧面则受到约束作用，故需要考虑侧压力的作用。这样作用在试样上的力，除了本身重力外，还有水平推力和由它产生的侧压力，这些力形成了滑动力和抗滑力。当滑动力等于抗滑力时，土石混合体就处于极限平衡状态。根据这一原理，可求出土石混合体的抗剪强度指标。
1.1 试验地点及岩性描述
本次试验主要在三处试验地点进行了试验，推剪试验总共进行了9组。在第一处试验地点进行了两组推剪试验，在第二处试验地点进行了3组推剪试验，在第三处试验地点进行了4组推剪试验。由于推剪试验是破坏性实验，不具备可重复性，因此，即使在同一处实验地点的试样也有稍许的不同，但是推剪试验由于试验简单并且可以简单推导得出材料的摩擦角与粘聚力等力学参数，有利于我们取得土石混合体的抗剪强度主要受什么因素影响。试验地点共分三处，各个试验地点岩土体的性质描述见表1。
表1 推剪以及压剪试验地点以及试样描述
1.2 推剪试验装置以及测试方法
试验所需要的主要设备为：推力用千斤顶或者油缸一个，侧面约束用千斤顶两个，液压泵两台，大量程百分表数块以及传压板、钢板、钢卷尺等。试验装置见图1。
具体试验方法如下：
（1）在选定的试验地点，清除地表浮土，向下开挖40cm，同时平整表面，放线布置。
（2）开挖施加推力设备的安装坑，预留三面临空面，两边各开挖20cm的小槽，三个面都用粘土抹平。在开挖过程中，同时测定土体的天然容重、含水量等基本指标。
（3）在两侧开挖边槽，安装侧向约束用千斤顶，务必使传压板直立并与试样的侧面紧贴，用液压泵给出少许油压，将千斤顶固定在试样侧面的中心位置。该装置的作用是：①测定侧压力；②切断连续土体，使之近似于平面问题。
图1 推剪试验装置示意图
1—推剪土体；2—水平推力槽；3—两侧断裂槽；4—千斤顶；5—支撑板；6—传力板；7—垫板
（4）为了摸清滑动面的形状和规律，在测试用试样体上，沿推力方向打几个孔柱，灌进白色石灰，这样当土体滑动后，灰柱在滑动面处折断，土体错开，试验后开挖到这一位置，将切断点连成线，即形成滑弧面。
（5）在试样的前部安装施加推力用的大千斤顶，在试样两侧安装量测约束压力用的千斤顶，同时安装量测位移用的大量程百分表和侧压力用的油压表等测试设备。
（6）待各种安装设备安装完毕后，记录各起始读数，开始分级施加水平推力。千斤顶加载速度控制在每分钟水平位移在3 mm左右。控制百分表读数，每3 mm读一次压力表的值。每施加一级荷载，测记推力、位移、侧压力等，不间断加压一直到土体出现剪切面时，压力表上的读数达到最大值，继续加荷，压力表的读数不仅不增加，反而下降，此时认为土体已经被推剪破坏，这时记录压力表的读数作为Pmax值。使油压表读数后退并达到一稳定值。松开油阀释放油压，然后关上油阀重新加压，以其峰值作为Pmin值。
2 推剪试验结果及其分析
通过对土石混合体所进行的推剪试验，最直接得到的结果就是土石混合体的推剪过程中量测得到的应力-位移关系曲线、推剪作用在土石混合体中所形成的推剪面，通过推剪面我们可以通过公式间接计算出土石混合体的c，φ值，并且推剪试验过程中剪切面是在推力作用下自由发展形成的，所以通过剪切面还可以观察到土石混合体中由于块石的存在而导致剪切面基本沿着块石之间的土体发展的过程。这些结果的得出对于分析土石混合体在受剪力作用下的变形破坏特性以及影响土石混合体的剪切强度性质因素方面有着特殊重要的意义。
2.1 土石混合体推剪试验 c、φ 值的确定和分析
通过在土石混合体上绘制相应的网格，可以在推剪的过程中绘制滑动体实测网格变形图，见图2。根据滑动弧的转折点或按等距将滑动体划分成若干条块，计算单位宽度的每块土体的重力。然后根据公式（1）以及公式（2）来计算土石混合体的c，φ值。
图2 土石混合体推剪网格变形图
土石混合体
土石混合体
式中：Pmax为最大水平推力，kN；Pmin为最小水平推力，kN；gi为第i条块的重力，kN；G为滑动体的重力，kN；αi为第i条块滑动面与水平面的夹角，（°）；li为第i条块滑动线的长度，m；b为条块的宽度，m。
试验和计算得出上述三处地点9块试样的具体c，φ值见表2。
表2 试样c，φ值试验结果
通过水平推剪试验得出的不同试样的c，φ值可以看出以下特点：
（1）L1—L5的5块试样分别是在两处试验地点进行试验的，土石混合体推剪试验的试验尺寸是相同的且含石率基本接近，但是L4，L5的c，φ值明显高于L1—L3三块试样，其主要原因是同L1，L2试样相比，L4，L5两块试样中的石块主要以砂岩为主，另有少量灰岩，砂岩体积较大、风化较弱，强度较高；L3虽然与L4，L5处于同一地区，但是L3试样中的砂岩风化程度较高、强度较低。因此，L1—L3的c，φ值与L4，L5有较大差别。这说明土石混合体中石料的强度对土石混合整体的c，φ值有较大影响。
（2）B1—B4试样的试验尺寸是不同的，B1，B2的体积较B3，B4大3.6倍，但是B1、B2与B4的c，φ值基本相同，唯独B3与其余三块试样差别较大。通过含石率来看，B3的含石率仅为30%，而其余试样的含石率为45%～50%，这说明含石率的不同是导致B3的c，φ值偏低的主要原因。
2.2 相同尺寸土石混合体推剪应力 －应变曲线结果分析
在1号试验地点进行的推剪试验所得到的应力-位移曲线见图3和图4，在2号试验地点进行的推剪试验应力-位移结果曲线见图5至图7。
图3 L1的剪应力-位移关系曲线
含石率约为40%
图4 L2的剪应力-位移关系曲线
含石率约为40%
图5 L3的剪应力-位移关系曲线
含石率约为46%
图6 L4的剪应力-位移关系曲线
含石率约为48%
图7 L5的剪应力-位移关系曲线
含石率约为50%
通过对以上两处试验地点试验所得到的应力-应变曲线可以看出，在水平推剪过程中，土石混合体表现出明显的应力屈服和塑性变形特征。由于土石混合体组成的多相性和结构的不均匀性，其变形破坏具有与一般岩土体材料明显不同的特点。通过对曲线进行比较可以发现以下特点：
（1）以上5组曲线的试验是分别在1号试验地点和2号试验地点进行的，两处试验地点所进行的土石混合体推剪试验的试验尺寸都是相同的。总体来看，1号试验地点的两个推剪试验结果其极限应力值基本相同，在2号试验地点的L3试样的推剪试验结果与L5试样相比出入较大，这主要是由于在2号试验地点主要以砂岩为主，而在L3位置处的砂岩由于风化程度较为严重在土体与砂岩块体之间夹有细砂层，造成了其强度与L4，L5试样相比有大幅度的降低。
（2）通过对以上推剪试验的应力-应变曲线可以看出，土石混合体基本上表现为全应力-应变曲线。整个曲线的发展呈现几个明显的阶段，在曲线的起始段，可以看出应力与应变之间近似于线性发展。之后材料转变为弹塑性变形，这时试样中开始产生破裂，但是在该阶段破裂传播的速度比较缓慢，在这一阶段曲线上大都出现了一些不规则的变化段，通过在试验中观察，这种现象主要是由于试样中的块石与土体相互作用而造成。随着应力的增大，应变速度明显增大，破裂开始快速传播，这一阶段应力值只有较小增加，而应变增幅较大，最终导致试样在极限位置产生破坏。达峰值应力点以后，由于软化，出现应力随着应变继续增大而下降的现象，最后达到强度的残余值。由于土石混合体是一种高度非均质的材料，故在应力-应变曲线上可以看到由于土体中块石与土体的相互作用而导致在应力-应变曲线上产生高低起伏的不规则变化段。
2.3 不同尺寸土石混合体推剪应力－应变曲线结果分析
由于土石混合体中夹杂有大量的块石，所以当试件尺寸发生变化的时候，试件尺寸与块石尺寸之间相对比例发生了变化，土石混合体的剪切破坏以及强度也略有变化。在3号试验地点设计了两种尺寸的试样，一种推剪试样的尺寸和前两处试验地点的试样尺寸0.8m×0.8m×0.25m 相同，另外一种在原来尺寸的基础上进行了增大，改为1.2m×1.2m×0.4m，分别进行了两组试验，这样共进行了4组试验，通过这些试验得到的剪应力-应变曲线见图8至图11。
图8 B1的剪应力-位移关系曲线
含石率约为50%
图9 B2的剪应力-位移关系曲线
含石率约为45%
图10 B3的剪应力-位移关系曲线
含石率约为30%
图11 B4的剪应力-位移关系曲线
含石率约为50%
2.4 含石率对应力 －应变关系以及峰值的影响
含石率是衡量土石混合体的一个重要指标。为了便于观察含石率的变化对土石混合体变形以及强度的影响，可以选择几个比较典型的推剪试验应力-应变曲线，将其绘制在同一个坐标系中，就可以一目了然地进行对比。这里选择了B3，L2，L5，B4试件的试验结果，将4条推剪应力-位移曲线放置在同一坐标中进行比较（图12）。
通过对3号试验地点不同尺寸试件（B1和B4）的剪应力-位移曲线进行分析可以看出：在含石率基本相同的情况下，随着试件尺寸的增大，在剪应力-位移曲线上所反映出来的峰值强度明显下降。这主要是由于在同一试验地点随着试件尺寸的加大，试件内砾石的尺寸与整个试件尺寸相比变小，所以对整个试件抗剪强度所作出的贡献也相应减小，造成试件的整体抗剪强度下降。另外，随着试件尺寸的增大，强度在到达峰值前沿推剪方向产生的位移量也明显增大，几乎是小尺寸试样位移距离的2～3倍，试样有很长一段时间处于弹塑性变形区内，这说明在同一试验地点随着试件整体尺寸的加大，试件在受推剪应力达峰值强度值前所发生的应变值也相应增大。在曲线上同样能够看出，由于试样内部块石的存在而使得应力-应变曲线出现不规则起伏变化。从图中可以看出土石混合体的变形与强度特性与其含石量密切相关。当试体的含石量较低时，块石与块石几乎不直接接触，而由土体作为其间的胶结质。由于块石与土块的变形与强度参数相差很大，这时土石混合体的变形特性主要受土的制约，表现为变形模量较小、强度较低，接近于土的力学特性（如B3和L2试件）。当试体含石量较大时，多数块体已直接接触，土只作为一种充填物。这时土石混合体的变形特性主要受块石和土体的联合控制，表现为强度显著提高（如L5和B4试体）。因此，土石混合体的强度随含石率增加而增加并非是呈线性增加，可能存在一个含石量的阈值，当含石量超过此值时，土石混合体的强度将显著增大。
图12 推剪试验在含石率不同情况下的应力-应变曲线比较
在含石率较高的情况下，土石混合体到达峰值前的剪切位移值要比含石率低的情况下大得多。这是由于随着推剪力的增大，虽然作为胶结质或充填物的土体结构在屈服后已基本被破坏，但随之土体与岩石之间又形成新的交错结构，土石混合体的整体结构性尚未丧失，故其承载力没有明显降低。
3 结论
通过野外原位试验探讨了土石混合体在剪切情况下的变形特点和强度性质，在大量试验结果的基础上，对推剪情况下的土石混合体的c，φ值影响因素和应力-应变特性进行了总结。主要有如下一些结论：
（1）土石混合体在推剪实验中具有明显的应力屈服和塑性变形特征，基本上表现为全应力-应变曲线，整个曲线的发展呈现几个明显的阶段。由于土石混合体组成的多相性和结构的不均匀性，其变形破坏具有与一般土体材料明显不同的特点。
（2）相同尺寸下，土石混合体中的石料强度对土石混合体整体的c，φ值有一定的影响。通过L1—L5推剪试验可以看出，土石混合体中石料强度越大，土石混合体整体c，φ值越高。
（3）含石率作为土石混合体的一个重要指标，其变化对材料的整体力学特性影响较大。推剪试验中发现土石混合体在较高含石率的条件下其c，φ值和抗剪强度显著提高。这主要是由于作为胶结质或充填物的土体结构在屈服后虽然已基本遭破坏，但随之土体与岩石之间又形成新的交错结构，土石混合体的整体结构性尚未丧失，故其承载力没有明显降低。但是土石混合体的强度随含石率增加并非线性关系，可能存在一个含石量的阈值。
（4）土石混合体存在尺寸效应，自然界所存在的土石混合体在一定范围内由于其成因及组成比较接近，其强度以及力学性质也就相当接近。但是随着尺度范围的扩大，其整体差别加大。
参考文献
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