土石混合體大型直剪設備研發與應變鎖骨強度特征試驗研究*

李志清 文吉英 姚國明 周應新 胡瑞林 胡 峰

(①中國科學院地質與地球物理研究所,中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室,北京 100029,中國)(②中國科學院大學,北京 100049,中國)(③中國科學院地球科學研究院,北京 100029,中國)(④中南冶勘資源環境工程有限公司,武漢 430035,中國)(⑤北京中巖天地科技有限公司,北京 101513,中國)(⑥保山隆營高速公路有限公司,保山 678000,中國)(⑦云南省交通投資建設集團有限公司,昆明 650100,中國)

0 引 言

土石混合體(soil-rock mixture,SRM)是經歷一定地質作用形成,既不同于一般的均質土體,又不同于一般的碎裂巖體,是一種介于均質土體和碎裂巖體之間的特殊工程地質材料(廖秋林等,2006)。土石混合體是由塊石作為粗骨料及黏土、粉土或砂作為細骨料組成的含石量在30%到70%之間的原位或擾動地質體(郭國慶,2018; 胡峰等,2018),具有較強的異質性特征(Wu et al.,2019; 蘭恒星等,2022)。碎石土強調的是塊石與土的混合狀態,粗粒土強調的是由粗粒與細粒組成的擾動混合土,而土石混合體強調的是因含石量及其形態不同導致的差異性結構特征。土石混合體在我國分布廣泛,長江上游100km2范圍內的發育1736個滑坡,總體積133.97×108m3,其中64%為堆積層土石混合體滑坡(夏金梧等,1997)。土石混合體的力學特性是該類介質的研究重點,一般采用數值模擬方法或試驗測試方法,試驗測試設備主要包括大型三軸儀與直剪儀。

直剪儀是最早并直接測定地質體抗剪強度的試驗設備,但存在不能控制排水條件、剪切過程中試樣有效面積逐漸減少、主應力方向變化等缺點(錢家歡,1995)。而直剪試驗由于其操作簡便、適用范圍廣而應用最為普遍(Jewell,1989),其所測得的抗剪強度參數能基本代表整個滑動面上的平均值,用于土石邊坡圓弧滑動穩定計算更為合理(劉斯宏等,2010)。因此,研發一臺大型直剪設備,對于深入研究土石混合體的物理力學特性至關重要。

第1臺現代應力控制直剪儀是1932年Casagrande在哈佛大學設計的。1936年麻省理工學院將位移控制引入到直剪儀試驗中,研究巖土材料應力-應變關系和峰值后的強度特性(Lings et al.,2004)。Jewell(1989)改進了傳統直剪儀,提出了“對稱直剪試驗”的概念,即將傳力板與上剪切盒在剪切過程中保持固定連接,形成與下剪盒對稱的結構。Potyondy(1961)最早采用直剪儀研究了巖土體與混凝土接觸面的力學特性。Desai et al.(1985)研制了多自由度循環剪切儀。Fakharian et al.(1997)研制了循環三維接觸面剪切儀。目前國外生產的大型直剪設備以Whkeham Farrance大型直剪儀為主要代表,該設備可以測試邊長為300mm或12英寸的方形試樣。

國內1972年第三機械工業部勘測公司最早研制了現場大型剪力儀,剪切環的內徑356.9mm,高140mm,可實現垂直壓力與試樣同步移動,解決了剪切過程中垂直壓力的偏心問題(第三機械工業部勘測公司,1974)。長沙交通學院研制了室內大型直剪儀,每個剪力盒直徑和高度分別為15.2cm和6.0cm(周志剛等,1999)。清華大學巖土工程研究所研制的大型土與結構接觸面循環加載剪切儀,剪切盒尺寸為500mm×360mm(張嘎等,2003)。長江科學研究院研發了DHJ60型疊環式剪切試驗機,試樣尺寸為600mm×600mm×600mm的立方體,該直剪儀消除了常規直剪儀中剪切面單一的缺點,使試樣有可能沿最弱的剪切面發生破壞(周小文等2005)。重慶交通科研設計院研發了新型土石混合料室內大型直剪試驗系統,剪切盒分為1000mm×1000mm×800mm 或 500mm×500mm×400mm兩種,實現了正應力恒定,并可鎖定剪切面中心位置(董云等,2005)。中國科學院武漢巖土所研制了大型現場室內兩用應變控制式直剪儀最大剪切位移可達140mm(閔弘等,2006)。四川大學研制了大型粗粒土直剪試驗機,采用齒輪齒條機構來固定剪切面中心位置,采用線性比例調壓技術使正應力恒定,剪切盒邊長100cm,最大剪切位移達到50cm(徐進等,2008)。南京水利科學研究院研制了高性能大接觸面直剪儀,剪切盒尺寸為500mm×500mm,適用于粗粒土與其他建筑材料接觸面的力學特性研究(蔡正銀等,2010)。吉林大學巖土工程實驗室研制了SZJ8-2型數字顯示巖芯直剪儀,剪切盒尺寸為孔徑50mm,孔深為上下各25mm,可進行巖芯尺寸的剪切試驗(羅永江等,2010)。河海大學劉斯宏等(2010)研制了便攜性現場和室內兩用直剪儀,設計了十字形剪切框,采用柔性繩鏈張拉剪切框,使試樣受剪,凈空幾何尺寸為長×寬×高=14.1cm×14.1cm×2.5cm。紹興文理學院杜時貴等(2010)針對巖體結構面強度量測問題研發了多尺度直剪試驗儀,試樣最大尺寸可達50cm×50cm。中國科學院地質與地球物理研究所李志清等(2012)研發了室內土石混合體大型直剪儀,可進行直剪試驗與疊環試驗,剪切盒尺寸為30cm×30cm×30cm。南京林業大學研制了大型多功能凍土-結構接觸面循環直剪系統,能實現-20～0℃范圍內對接觸面溫度的精確控制,能夠模擬多種粗糙度的接觸面,實現循環和單調兩種剪切形式,試樣尺寸為長20cm×寬10cm(趙聯楨等,2013)。河海大學施建勇等(2013)研發了斜面剪切儀,剪切面為橢圓,長軸距為316mm,短軸距為300mm,可研究填埋場斜坡上的襯墊結構在垂直應力作用下沿斜坡滑移的剪切狀態。北京交通大學研發了凍土動荷載直剪儀,將水平靜載部分改造為動荷載作動器,可以提供0.1～6Hz、20kN的動荷載,上直剪盒尺寸為150mm×150mm×40mm(長×寬×高),下直剪盒尺寸為150mm×150mm×30mm(長×寬×高)(崔穎輝等,2013)。桂林理工大學研發了組裝式兩用大型直剪儀,試樣直徑34cm,高33cm,最大開縫12mm,整體可進行拆裝(邢心魁等,2013)。成都理工大學研制了粗粒土大型剪切試驗系統,可用于剪切帶變形特征分析,試樣規格為Φ618mm×H500mm的圓柱樣(張茜等,2015)。國內外主要大型直剪儀的性能與參數對比如表1所示。中國科學院地質與地球物理所克服目前大型直剪儀存在的正應力不恒定、垂直荷載偏心、剪切破壞面固定、液壓系統控制不穩定等測試問題,研發了SRM-1000型電機伺服控制大型土工抗剪強度實驗設備(以下簡稱SRM設備)(李志清等,2018)。

表1 國內外部分大型直剪儀設備參數對比

采用大型直剪設備進行土石混合體強度測試,與一般的土體的強度測試具有很大區別。作者采用該研發設備,進行了土石混合體大型直剪強度試驗,揭示了土石混合體剪切帶的變形特性(胡峰等,2018; 江強強等,2020)和剪應力波動、跌落行為(胡峰等,2021)。國內外相關研究表明,土石混合體剪切帶附近的塊石棱角在剪切過程中會發生咬合鎖固作用(Guo et al.,2007)?，F場原位土石混合體直剪試驗表明,剪切過程中由于顆粒破碎,會出現應力跳躍的現象(徐文杰等,2008)。在土石混合體三軸試驗中也可以觀察到明顯的應力驟降現象(夏加國等,2017),尤其是以硬巖為主的土石混合體三軸剪切試驗,剪應力跳躍現象會更加明顯(董云等,2005; 鄧華鋒等,2013)。采用數值模擬方法,如未考慮塊石間剪斷或破碎的影響,一般只能模擬出高含石量條件下的應力“波動”(嚴穎等,2017),很難模擬出應力的驟降現象。因此,采用大型直剪設備開展土石混合體的強度特性試驗研究,對于認識土石混合體力學特性、評價土石混合體邊坡穩定性等方面,具有重要應用價值。

1 設備概況

1.1 主要功能

SRM設備可用于研究土石混合體大尺度、蠕變、凍融與滲流多物理場電機伺服控制條件下抗剪強度與變形測試。具體功能包括:飽和/非飽和水平直剪/反復直剪強度試驗; 飽和/非飽和高壓固結試驗; 飽和/非飽和凍融循環條件下的直剪/反復直剪試驗; 飽和/非飽和斜剪強度試驗; 飽和/非飽和剪切帶變形試驗(疊剪試驗)等。SRM設備變傳統油壓為電機伺服控制,可實現長期蠕變性能控制。

1.2 設備組成

SRM設備主要包括垂直荷載加載系統、水平荷載加載系統、伺服控制系統、剪切盒、量測系統、數據采集與軟件控制系統、框架裝置與導軌部件、吊裝及輔助系統等,如圖1所示。

圖1 SRM-1000型伺服控制大型土工抗剪強度實驗設備

1.2.1 主機系統

主要包括垂直荷載加載系統、水平荷載加載系統、伺服控制系統等,設計如圖2所示。

圖2 SRM-1000型伺服控制大型土工抗剪強度實驗設備設計圖

(1)垂直荷載加載系統:由伺服電機、蝸輪蝸桿減速機、升降機、傳感器組成。垂直荷載加載架可向試樣施加垂直荷載,機架上橫梁內安裝伺服控制電機。

(2)水平荷載加載系統:水平加載是通過下剪切盒向試樣施加剪切力,水平固定端連接上剪切盒,水平加載端剛性連接下剪切盒,施加水平推力與拉力。

(3)伺服控制系統:由計算機、伺服控制器、伺服驅動器、傳感器及控制軟件組成。計算機將控制命令發送給控制器,根據傳感器傳回數據與計算機發出命令進行對比和計算,根據計算結果對伺服電機發出控制指令,電機驅動絲桿動作,使傳感器示值發生變化,并再次傳送到控制部分,組成伺服閉環控制系統。伺服控制系統主要用于水平荷載與垂直荷載控制。

1.2.2 剪切盒

剪切盒尺寸包括30cm和50cm兩種,類型包括:水平直剪剪切盒、斜剪剪切盒、疊剪變形剪切盒、低溫凍融剪切盒4種,如圖3所示。

圖3 具備不同功能的剪切壓力盒設計圖

直剪剪切盒由上剪切盒、下剪切盒、開縫控制單元、防翹滑軌機構、底板、透水板等組成(圖3a)。上剪切盒與下剪切盒采用具有支撐架的滾動軸承的防翹滑軌機構,實現上下剪切盒之間的摩擦為滾動摩擦。剪切過程中由于剪切盒前后剪切力不均勻性,上盒發生上翹的現象,該剪切盒增加了滾動軸承約束機構,保證上盒在導軌中移動,并且磨阻力為滾動摩擦力。剪切盒的結構保證上下剪切盒在剪切過程中剪切材料剝離剪切盒的問題。剪切盒的開縫調節范圍為10～30mm,其中上下盒的調節范圍分別為5～15mm。剪切盒內安置了8個側壓力傳感器,位置處于各側面的中部,測量壓縮或剪切過程中側壓力的變化。底板上留有進氣水通道,可以實現抽氣、進液等功能,并設置水槽結構,保證剪切面飽和等需要。斜剪剪切盒由上斜剪盒、下斜剪盒、開縫控制單元、防翹滑軌機構、水槽、滾珠軸排等組成(圖3b)。剪切過程中,上下斜剪切盒沿開縫控制滑移,使試樣發生剪斷,剪切面處法向應力保持不變,垂直壓力逐漸變小。疊剪剪切盒上剪切盒、下剪切盒、疊環組件、滑軌機構等組成(圖3c)。剪切面尺寸為500mm×500mm,上盒高度為250mm,下盒高度為160mm,疊環200mm分10層。疊環之間使用滾珠軸承,減小摩擦阻力。疊環上的測量桿連接位移計,可以測量該疊環的位移,獲得剪切過程中的軟弱變形帶尺寸。低溫凍融剪切盒由上剪切盒、下剪切盒、開縫控制結構、滑軌機構、保溫蓋層、保溫箱、溫度測量裝置等組成(圖3d)。剪切面尺寸為300mm×300mm,上盒高度為250mm,下盒高度為150mm。上剪切盒與下剪切盒的連接方式采用直剪剪切盒的方式,采用滑動導軌結構,達到放置上盒剪切上翹,減小上下盒間的摩擦阻力。設置了保溫箱用于控制剪切溫度,并在上下剪切盒的四周設計通水管道。恒溫冷浴作為冷源或熱源,利用水泵將冷凍液泵入循環管道,剪切盒的四壁將冷熱量傳遞到試樣,對試樣的溫度進行控制。設置試樣溫度傳感器,控制水泵工作,達到控溫的目的。剪切盒采用方形設計,大剪盒內可套裝小剪盒,形成多尺度量測設計。剪切盒系統分為上、下剪切盒,且上下剪切盒間配有滾珠軸排、鎖緊裝置,并可調節開口寬度。通過寬度的調節,可有效的擴展剪切帶范圍。上剪盒頂部和下剪盒底部設有透水板和集水槽,下剪盒還設有放水孔和放水閥。

1.2.3 量測主系統

量測系統主要采用各種傳感器及顯示控制系統對垂直荷載、垂直位移、水平荷載、水平位移、孔隙水壓力等參量進行監測與顯示。采用單片機控制單元,用一臺上位機控制多臺下位機的控制方式,解決控制系統問題,采用多機通信方式提高儀器的性能,保證系統的穩定性(蔡正銀等,2010)。

1.2.4 數據采集與軟件控制系統

數據采集處理系統可根據設定時間間隔對垂直荷載、垂直位移、水平荷載、水平位移、孔隙水壓力等參量進行記錄、顯示與處理。采用Delphi編程,利用Table組件管理數據庫。在數據采集方面,引入Spcomm控件,根據控制單元間通信協議完成數據回傳、指令發出等功能(蔡正銀等,2010)。數據采集通過數據顯示系統傳到由計算機控制的數據采集卡,由配套軟件控制。

1.3 主要技術參數

(1)剪切盒內尺寸:上盒 500mm×500mm×350mm; 下盒 500mm×625mm×250mm。

(2)上下剪切盒間隙可調范圍:0～50mm。

(3)法向載荷、水平荷載:0～1000kN,精度0.34kN。

(4)側壓力測量范圍:0～1000kN,測量誤差小于0.5% FS。

(5)應力加載速率:0.025～4.00mm·min-1。

(6)水平剪切位移與垂直位移:0～100mm,分辨率0.05mm; 疊剪位移:0～100mm,分辨率0.02mm。

(7)電源:220V,50Hz,功率:3000 W,三相電源。

2 設備的設計研究

2.1 設備工作原理

SRM設備利用計算機總線控制技術,采用兩塊PCI采集卡將豎向荷載施加裝置、水平荷重施加裝置、傳感器測量單元有機聯系在一起,實現法向載荷、水平載荷的復雜應力和應變控制方式,自動測量法向載荷、法向位移、水平載荷、水平位移、側向載荷以及剪切面變形等參數,自動保存數據,實時顯示實驗過程曲線。剪切形式采用推拉兩種方式,導軌采用滾動排桿結構,減小了滑動摩擦力。

2.2 設備關鍵技術

2.2.1 高精度測控系統

采用DSP核心控制驅動器與交流閉環伺服控制電機,實現位移、速率與力矩的伺服傳動定位,實現驅動荷載分辨率達到0.3kN,伺服位移速率達到0.025～4.00mm·min-1。

2.2.2 位移與內應力量測

采用多點位移同步測量多剪切帶的協調變形,通過自主研制活塞式油壓傳感器同步測量壓力室內的內應力,實現最弱剪切帶強度變形的量測,獲取剪切過程中試樣內部應力重分布的狀態,如圖4所示。

圖4 位移與內應力測量

2.2.3 正應力補償與剪脹開縫設計

通過延長下盒尺寸、減小滾動界面摩擦,實現正應力補償; 通過設置滾軸開縫,防止剪切過程中發生剪脹變形,如圖5所示。

圖5 正應力補償與開縫設計

2.3 設備優勢

(1)采用壓力傳感器閉合回路與伺服電機控制系統,精確施加垂直與水平荷載,實現多應力路徑控制試驗系統,可以達到長期蠕變性能測試,避免伺服液壓系統穩定性低引發的數據偏移及油缸滲漏等問題(胡瑞林等,2019)。

(2)采用面向字符的同步協議與多機通信的控制方式,將垂直荷載施加裝置、水平推力施加裝置、測量單元及計算機控制軟件相結合,組成一個測量控制系統,以確保系統的數據安全與穩定,實現自動控制與人為控制有機結合。

(3)硬件電路采用低通濾波措施,降低了測量值的波動; 軟件采用定量預測法和移動平均法,以平滑傳輸信號,降低信號噪聲,從而有效保障傳感器穩定。

2.4 主要技術難點與解決方案

2.4.1 垂直荷載與水平推力的精度控制技術

垂直荷載施加裝置和水平推力施加裝置均包括伺服電機、蝸輪蝸桿減速機和傳感器。荷載驅動裝置采用3.5kW/2000 rpm的三菱伺服電機驅動,裝置的效率可以超過20%。在主機框架上增加快進/停、快退/停、啟動等按鈕,能快速調整垂直荷載頂頭移動速度。垂直荷載的最大量程可達1000kN,進行恒定垂直荷載和水平推力控制時,精度達到0.34kN,豎向頂頭延伸長度超過40cm。采用數字模糊控制方式,通過總線數據采集、計算,輸出控制變量等,以最佳數字控制參數滿足垂直荷載控制精度的要求。通過數值軟件模擬,控制整套設備剛度需求,從而更好的控制加載力的控制精度。

2.4.2 閉合回路電機伺服控制技術

在計算機控制的應力路徑測試系統中,各壓力控制器通過壓力傳感器閉合回路伺服控制系統精確控制壓力。垂直壓力控制系統用來控制和顯示壓力室中的軸向力,同時具有垂直壓力的產生、測量和顯示功能。而垂直壓力通過荷重傳感器測量,荷重傳感器的輸出傳遞到垂直壓力外置傳感器,該外置傳感器通過遠程反饋模塊,將控制信息反饋給壓力控制器,命令活塞移動,形成閉合回路伺服控制技術。水平推力的遠程反饋模塊,用來采集水平推力傳感器信號,控制器通過多功能轉換器與計算機連接,實現自動控制。

2.4.3 壓力控制器自動控制技術

控制器采用步進電機實現精確驅動,壓力控制器一方面與壓力室相連,一方面與多功能轉換器相連。壓力控制器通過控制器壓力腔中的傳感器獲取壓力,然后轉換為數字信號,反饋給步進電機,根據試驗要求增加或減少壓力輸出。同時,儀器連接的外部傳感器通過遠程反饋模塊由采集器傳輸給多功能轉換器,再傳遞給電腦。當外部傳感器輸出量和控制器壓力均衡時,控制器可直接控制傳感器讀取的參數。

2.4.4 操作系統控制技術

直剪儀的控制單元包括垂直荷載施加裝置、水平推力施加裝置、測量系統和軟件控制系統等部分。通過采用多機通信控制方式,將多個控制單元有機聯系起來,充分發揮單片機實時控制、計算機數據處理的優勢,可達到計算機控制垂直加載系統盒水平剪切系統的目的,且可避免單片機數據處理能力差,計算機控制實時性不夠等問題(蔡正銀等,2010)。

3 直剪試驗研究

3.1 試驗材料

土石混合體樣品中的細粒采用粒徑小于5.0mm的砂土、粗粒塊石分別采用3種粒徑的硬巖礫石,如圖6所示。根據Marsal(1973)的建議,顆粒的最大尺寸需約為剪切盒尺寸的1/6,因此該樣品顆粒尺寸配置滿足尺寸要求。

圖6 土石混合體粗粒與細粒組成

3.2 試驗設計

試驗考慮3種影響因素包括:質量含石量(0、30%、50%、70%)、顆粒尺寸(L0、L1、L2、L3)和上覆壓力(50kPa、200kPa、300kPa、400kPa)。制樣密度為1.80g·cm-3,細粒含水量為5%,塊石強度為42.6MPa,剪切速率為0.4mm·min-1,剪切位移達到60mm后停止剪切。通過在樣品頂部鉆孔、安插鋁絲、補灰的方式,在試樣內安裝φ1.5mm極柔軟鋁絲,共設置兩排鋁絲,每排3根。鋁絲隨樣品滑動發生協調變形,從而監測剪切過程中剪切帶厚度變化規律(胡峰等,2018)。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 剪切強度曲線與參數變化特征

不同含石量的土石混合體在直剪過程中多表現出應變硬化的特征,不同于土體直剪試驗多為應變軟化的特性,部分剪切應力、垂直位移(體變)隨水平剪切位移變化的規律如圖7所示。在低垂直壓力水平下,由于剪切過程中垂直方向位移約束不足,塊石多發生轉動、滑移等剪脹現象。在高垂直壓力水平下,剪切過程中垂直方向位移約束大,塊石沒有足夠能量發生剪脹作用,而以剪切壓密的體縮變形為主,且垂直壓力越大,剪切壓密作用越強。在相同含石量條件下,塊石粒徑越大,不同垂直壓力對剪切壓密的影響越不顯著,主要原因在于塊石越大、塊石間細?；|壓密越困難。隨著上覆垂直壓力與含石量的增加,剪切影響帶的范圍逐漸增加,主要原因在于塊石克服約束力發生翻滾的能力不足,以塊石間滑移、錯動(爬升)為主,在應力曲線上表現為高垂直壓力條件下,應力波動大且持續加工硬化。

圖7 土石混合體水平位移-應力-垂直位移曲線

對于持續加工硬化的強度曲線(如圖7b～圖7d),最大剪切應力還沒有統一的取值標準。如圖8a所示,分別取剪切應變達到6.47%(即環刀樣品4mm取值位置)、15%、20%時對應的剪切應力作為最大剪切強度,繪制莫爾-庫侖線。3種取值方法獲取的內摩擦角大小相當,按應變15%、20%時取值得到的黏聚力較為接近,而按應變6.47%時取值得到的黏聚力降低了70%。對于大部分強度曲線,當應變達到6.47%時,強度均未達到最大值,因此對于土石混合體試樣,取15%應變對應的強度作為最大剪切強度較為合理。按照該取值標準,如圖8b、圖8c所示,隨著含石量的增加,黏聚力與內摩擦角均呈現增加趨勢,黏聚力最大可達45kPa,而內摩擦角變化范圍為25°～45°,平均約為35°。

圖8 土石混合體黏聚力與內摩擦角變化規律

3.3.2 應變鎖固模型

秦四清等(2011)將滑坡斷層面上的“控制塊體”定義為“鎖固段”,即在斷層面上具有較高強度且在地震中釋放較大地震矩的結構部位,形式同斷層中所謂的巖橋(Rock bridge)、障礙(Barrier)或凸起體(Asperity)等。土石混合體內部同樣存在類似的“鎖固段”,是高應力條件下塊石能量聚集的表現。如圖7e、圖7f所示,在高含石量條件下應力位移曲線表現為強應變硬化特征,體變(垂直位移)呈現先剪縮再剪脹的變化規律。隨著粗顆粒粒徑的增大,同一垂直壓力條件下剪切強度逐漸增大,在200kPa以上垂直壓力作用下,出現明顯的應力、體變“跳躍”或“波動”現象。出現此現象的主要原因在于,當塊石粒徑較小時,塊石間細粒土分布較均勻,剪切過程中剪切帶內的塊石多以擠壓細粒土的壓密、旋轉和水平滑移行為為主。當塊石粒徑逐漸增大,塊石間發生接觸的概率大大提高,在上覆壓力較小時,塊石尚可以克服阻力產生旋轉與水平滑移; 當上覆壓力較大時,剪切帶的塊石多以塊石間爬升或剪斷塊石棱角行為為主。塊石爬升或剪斷過程就是應力下降與體積剪脹的過程,這個過程稱為“鎖固段”解鎖,這類強度曲線稱為“應變鎖固”模型,可采用移動平均模型進行曲線擬合,如圖9中實線擬合所示,這不同于傳統的應變硬化或應變軟化模型。塊石間運動在經歷第1次“鎖固段”解鎖后,會形成新的骨架“鎖固”狀態,逐漸重塑鎖固應力水平。隨著剪切位移的增加,塊石間經歷第2次爬升或剪斷的“鎖固段”解鎖過程,再次形成新的骨架“鎖固”狀態,重塑鎖固應力水平,一直到當塊石粒徑減小到某一水平時,將不再出現塊石鎖固行為。

圖9 含石量70% L3組土石混合體在300kPa垂直壓力下水平位移-剪切應力-垂直位移關系

采用樣品內柔軟鋁絲,監測剪切帶變化與塊石相互作用情況,揭示塊石空間分布影響下的力鏈結構特性,如圖10a所示,當含石量為30%、上覆壓力為200kPa時,鋁絲發生均勻彎曲變形,說明塊石發生相互擠壓與爬升概率較低; 當含石量為70%、上覆壓力為300kPa或400kPa時,鋁絲發生明顯彎曲變形,說明塊石間發生了明顯的相互擠壓或爬升(圖10b、圖10c)。因此,出現塊石鎖固的條件為:滑面硬巖含石量超過50%,深度位于10～20m范圍(上覆壓力約為200～400kPa范圍)、滑面塊石粒徑與剪切帶厚度比值在0.3～0.6之間(圖11)。土石混合體會出現連續的應變鎖固行為,“鎖固段”不斷破壞,又不斷重塑,主要依靠塊石的能力累積,這與孕震斷層發震后積累能力再次發震相似。塊石爬升過程中,因剪脹導致空腔內細粒土重組,這種現象類似Gehle et al.(2003)在研究含等距節理巖石直剪時出現的應力“跳躍”現象,巖塊間爬升后同樣使新的節理與剪切碎片重新排列,從而形成一條碎石剪切帶。因此可以采用以下公式獲取應變鎖固模型的抗剪強度(Patton,1966; Gehle et al.,2003):

圖10 L3粒組試樣剪切完成后鋁絲變形特征對比

圖11 含石量與比值關系圖

τ=σtan(?+i)+c

式中:τ是剪切強度;σ是垂直加載正應力; ?是未發生應變鎖固破壞時的內摩擦角,?(σ)是σ的函數,一般取25°～40°;i是發生應變鎖固破壞時的剪脹角,i(σ)是σ的函數,一般取5°～10°左右;c是土石混合體的黏聚力,與基質性質有關。

對于圖9中未發生應變鎖固破壞時的剪切應力取點σP1,圖7f中的?為37.0°,c為68.3kPa; 發生應變鎖固破壞后的剪脹角對應的應力取點σPn與σP(n-1)的最大應力差,對于300kPa條件下取點σP2與σP1的應力差,圖7f中的i為7°,含石量為70%、L3粒組的土石混合體的莫爾庫侖強度線如圖12所示。

圖12 土石混合體莫爾庫倫強度線

4 結 論

土石混合體是一種非連續性、非均質性介質,結構復雜,具有顯著的尺寸效應與結構效應,其強度、變形及滲透特性直接受介質結構狀態的影響。作者研發了多尺度、多相、多場抗剪強度試驗裝置,可用于土石混合體的變形、強度與滲透特性研究。主要結論如下:

(1)研制了SRM-1000型電機伺服控制土石混合體大型固結與抗剪強度試驗裝置,剪切盒按水平直剪、斜剪、疊剪、凍融試驗4類設計,可實現多尺度多相多場抗剪強度試驗。

(2)提出了區別傳統的應變硬化、應變軟化模型的第3類強度模型,即應變鎖固模型,并給出了模型參數求解方法。

(3)當土石混合體內硬巖含石量超過50%、滑面深度位于10～20m范圍、滑面塊石粒徑與剪切帶厚度比值在0.3～0.6之間時,土石混合體強度曲線以“應變鎖固”為主,多發生剪脹破壞。

(4)當土石混合體剪切帶出現塊石間爬升或剪斷塊石棱角行為時,形成“應變鎖固”強度變化規律,從而發生應力跳躍與體積剪脹,可采用移動平均模型擬合“應變鎖固”強度曲線。