藏东南地区高陡边坡堆积土力学特性试验研究

沈霞 廖桄辰 冯杰 王培清

摘 要：通过对藏东南地区高陡边坡堆积土的实地调研和大型三轴试验：高陡边坡因为地震作用和降雨容易发生滑坡地质灾害；高陡边坡堆积土试样三轴剪切后，土样应力～应变特性为应变硬化型，土样的抗剪强度包络线为直线，符合莫尔库仑强度准则。在三轴试验中，试样沿着抗剪强度最弱的剪切面发生破坏，剪切面位于试样底部与圆柱土体的侧面呈近似45°的斜面上。

关键词：藏东南地区；大型三轴试验；应力应变；抗剪强度

中图分类号：TU43 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）21-0035-03

Abstract： According to the field investigation and large-scale triaxial test of the pileup soil of the high and steep slope in the southeast of Tibet， it can be concluded. The high and steep slope is prone to geological disasters because of earthquake action and rainfall. Triaxial specimens of piled soil on high and steep slopes have a fusiform shape after shear. The stress-strain characteristic of soil sample is strain hardening type. The soil sample conforms to the Mohr coulomb strength criterion. Triaxial test sample middle-earth along the shear strength of the weak shear plane damage occurs， piled high and steep slope soil shear plane located at the base of the soil sample with cylindrical soil profile was approximately 45° incline.

Keywords： the southeast area of Tibet； large triaxial test； stress and strain； the shear strength

1 概述

1.1 地形地貌

西藏自治區是青藏高原的主体部分，青藏高原是年轻的高原，地质条件形成较晚，到目前为止青藏高原还在不断的隆起。亚欧板块和印度洋板块相互碰撞，印度洋板块插入亚欧板块内部，亚欧板块不断抬升形成了青藏高原。藏东南地区位于青藏高原东南部，该地区处在亚欧板块和印度洋板块的边界上，由于板块的碰撞形成了众多的高山峡谷，第四纪地质作用活跃。该地区的岩石主要由泥盆系和燕山期的花岗岩和砂岩，石炭系和侏罗系的石灰岩组成[1]。该地区处于雅鲁藏布江构造带以南地区及东部昌都弧形构造带附近，地震活动频繁，岩体破碎，边坡容易发生滑坡失稳[2]。

1.2 水文气象条件

藏东南地区由于受印度洋暖湿季风的影响，雨季旱季分明。雨季为4月至10月，旱季为11月至3月[3]。藏东南地区从东南向西北海拔逐渐升高。雨季印度洋季风从东南的雅鲁藏布大峡谷进入到藏东南地区；旱季欧亚大陆被蒙古西伯利亚高压笼罩，印度洋季风无法进入该地区，从而形成了高原温带半湿润和季风气候类型[4]。

1.3 区域内概况

藏东南地区地处西藏东南部，基础设施建设近年来取得了飞速发展，拉林高等级公路和川藏铁路拉林线的相继动工，区域内的交通得到了极大地改善。

藏东南地区属于高山峡谷地貌，高陡边坡大量存在，同时该地区处于地质活动活跃区，地震经常发生使得土体疏松，雨季丰沛的降雨使得高陡边坡的土体抗剪强度进一步恶化，因此该地区泥石流、滑坡等地质灾害时常发生。边坡土体的抗剪强度是土体保持稳定性最重要的指标，因而本文选取藏东南高陡边坡堆积土进行粗颗粒土三轴试验，探究其力学特性。

2 试样取样

本次试验选取了西藏林芝市鲁朗镇拉月村东北方向约2.34km处高陡边坡进行现场调研。该高陡边坡地处北纬N30°0′8.74″，东经E94°53′16.15″。如图1所示。

土样随机采取，笔者采用灌水法测量了土体的天然含水率和天然干密度。土样的天然干密度为1.86g/cm3，天然含水率为12%。

3 大型三轴试验

本次试验所采用的试验设备为西藏农牧学院高原水力发电大厅内的电液饲服式粗颗粒动静三轴试验仪，该仪器是西安力创公司研制。为了准确得到粗颗粒堆积土的力学特性，结合该地区海拔实际的环境条件，开展对粗颗粒动静三轴试验仪进行调试，使其操作精确，力求准确得出高海拔地区粗颗粒堆积土的力学特性。

3.1 仪器简介

该粗颗粒土动静三轴仪的外观如图2所示。

该仪器由三大部分组成，分别为三轴压力室系统、加压系统和测量系统。加压系统的动力采用液压系统来实现，液压系统通过电液伺服对力和位移进行精确地控制。测量系统通过传感器对空隙水压力、围压、位移、体变和轴向荷载进行精确的测量。该仪器的主要技术指标如表1所示。

3.2 试验方法

根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）规定，粗颗粒土三轴试验方案有三种类型分别是：不固结不排水剪试验-UU；固结不排水剪试验-CU；固结排水剪试验-CD[5-8]。土体三轴试验的试验方案的选取通过土体本身的性质和试验研究工况来决定，本次试验为了研究高陡边坡土体天然状态下的抗剪强度，因而本次试验采用不固结不排水的方式进行堆积土大型三轴试验[9-11]。

3.3 试验步骤

（1）土样配制。堆积土取回实验室后，首先将土样进行风干。土样的天然干密度为1.86g/cm3，天然含水率为12%。通过土样干密度、试样体积和风干含水率确定单个试样需要的风干土料的质量。根据试验方案制定的含水率配制土样，每个土样所需土料质量m：

式中：？籽d-试验干密度，g/cm3；V-试样的体积，cm3；？棕-土样风干含水率，%。

按下式计算其加水量：

式中：m？棕-土样需水量，g；m-风干土样质量，g；？棕0-风干含水率，%；？棕-土样的天然含水率，%。

按照天然含水率和天然干密度配制好试样后对土样闷料24h后，再进行下一步的试验操作。

（2）由于大型三轴试验试样制样难度较大，因此土样的制备在仪器底座上进行，将橡胶模扎在底座上，套上对开模，土样分五层装入桶内，将土样击实到试验要求的最大干密度。土样击实后将橡胶模与上压盘扎牢。

（3）试样制备完成后，套上压力钢桶，连接传感器，向压力钢桶内加入围压水，围压水装满后。打开下孔压排水阀门，进行试验。

（4）剪切。试样的轴向压力为100kPa、200kPa、300kPa和500kPa。试验采取的剪切速率为：3mm/min，本次试验取土样轴向应变为15%为破坏点。轴向应变达90mm即认定试样破坏。试验结束后先卸围压，再卸轴压，排出压力室围压水，吊起压力室罩。观察试样变形情况并拍照记录。拆卸试样，进行下一组试验。

3.4 试验结果分析

3.4.1 土样外观

土样试验前后呈现不同的形状特征，实验前未加任何荷载，试样为圆柱体，试验后，试样中下部分发生鼓胀，试样呈不规则的圆柱体。试样试验前后形状如图3所示。

3.4.2 应力～应变特性

天然干密度和天然含水率的高陡边坡堆积土的应力～应变曲线在试验设置的各垂直应力下均呈应变硬化型，剪应力没有明显的峰值出现，试样一直处于加强状态。三轴剪切试样的应力应变关系为应变硬化型，说明试样在天然的干密度下土体呈疏松状态，土颗粒的翻滚移动产生的剪胀不能抵抗土体受到垂直应力产生的压缩，试样在较低的垂直压力下就呈现出剪缩的趋势，因而试样不会出现明显的峰值，一直处于压缩状态，应力～应变曲线则呈现出应变硬化的状态。高陡边坡堆积土的应力～应变特性曲线如图4所示。

3.4.3莫尔应力圆及抗剪强度包络线

高陡边坡堆积土样莫尔圆及抗剪强度包络线如图5所示。

高陡边坡堆积土为粗颗粒土，土样中含有部分粘土，粘土和粗颗粒土共同决定了高陡边坡堆积土的抗剪强度特性。高陡边坡堆积土的抗剪强度包络线的趋势为直线，符合莫尔库仑强度准则，满足库仑公式：

？子f=c+？滓tan？渍 （3）

式中：？子f-抗剪强度，kPa；c-粘聚力，kPa；？滓-法向应力，kPa；？渍-内摩擦角，°。

三轴试验土样在剪切过程中没有固定的剪切面，土样在剪切过程中会沿着抗剪强度最弱的剪切面发生破坏，本次试验土样的剪切面如图6所示。剪切面与土样柱体侧面呈近似45°角的断面。三轴试验测得的土样的抗剪强度较为精确，大型三轴试验被广泛应用于粗颗粒土抗剪强度的测定。

根据库仑公式和堆积土的抗剪强度包络线可以得到高陡边坡堆积土的内摩擦角为34.75°，粘聚力为23.5kPa。堆积土的抗剪强度取决于颗粒粒径的大小、粗颗粒本身的强度、细颗粒本身的强度、粗颗粒之间的相互作用、细颗粒之间的相互作用和粗细颗粒之间的相互作用。堆积土中的粗颗粒间粘聚力主要由粗颗粒间的咬合力产生，因而内摩擦角较大；堆积土中由于细颗粒较少，因而细颗粒间的基质吸力可以忽略不计。堆积土随着含水量的增加抗剪强度降低粘聚力减小内摩擦角也有所降低但降幅较小，随着堆积土的饱和粘聚力增幅趋于平缓。堆积土的粘聚力随含水量的增加显著减小，但对内摩擦角基本变化不大。堆积土中细粒土受到含水率影响显著，含水率对粗颗粒间咬合力影响不显著。

4 结论

通过对藏东南地区高陡边坡堆积土的实地调研和大型三轴试验可以得出：

（1）藏东南地区的众多的高陡边坡因为地震作用和降雨使得该地区的边坡容易发生滑坡等地质灾害。高陡边坡堆积土的抗剪强度特性是高陡边坡稳定的重要力学指标。

（2）高陡边坡堆积土的大型三轴试验土样在剪切后由剪切前的圆柱体变为下部鼓胀的非圆柱体。

（3）藏东南高陡边坡堆积土的应力～应变特性为应变硬化型，土体较为疏松，土样在剪切过程中一直处于强化的状态。土样的抗剪强度包络线为直线，符合莫尔库仑强度准则。三轴试验中土样沿着抗剪强度最弱的剪切面发生破坏，高陡边坡堆积土的剪切面位于土样底部与圆柱土体的侧面呈近似45°的斜面上。

参考文献：

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