碎石土-基岩接触带构成的滑带残余强度的估算方法

1.本发明涉及岩土力学、滑坡等相关领域，尤其涉及一套碎石土-基岩接触带构成的滑带残余强度(记为τ)的估算方法。


背景技术：

2.我国地缘辽阔，滑坡灾害广泛分布，调查资料表明，西南地区滑坡灾害的数量约占全国滑坡灾害总量的一半以上。三峡库区因其独特的地质构造作用及地质环境特征导致滑坡大量发育，据不完全统计，仅在长江上游地区1
×
10
12
m2范围内，发育滑坡达1736个，其中64％为堆积层滑坡，而在三峡库区二、三期治理和监测的崩塌滑坡灾害点中，堆积层滑坡点约占80％。大量工程实践证明，滑坡变形破坏的演化规律在很大程度上受滑带残余强度的控制，而三峡库区堆积层滑坡通常是沿着碎石土与下伏软弱基岩的接触带滑动。滑坡失稳破坏不仅造成人员财产损失和堵塞航道，更需警惕性的是次生涌浪灾害造成的危害。因此，研究碎石土-基岩接触带残余强度对于同一滑带的类型堆积层滑坡研究具有推广意义。
3.目前，直剪试验、三轴压缩试验和环剪试验是滑带残余强度最常见的测试方法。但以上3种试验方法仍存在一些明显的不足，具体表现为：(1)直剪试验：
①
小型直剪仪尺寸较小，试验误差会较大；
②
无法开展具有大粒径的粗粒土和碎石土试验；(2)三轴压缩试验：
①
测得的残余强度指标值较大；
②
需要准确控制轴向荷重且剪切距离较小；(3)环剪试验：
①
由于仪器尺寸有限，只能开展过2mm筛重塑试样试验，对粗粒土和碎石土等含有大于2mm粒径颗粒的原状样进行试验比较困难；
②
需要剪切速率足够慢、剪切位移足够大。
4.由于室内常规的强度测试仪器尺寸限制，试样需过2mm筛剔除大于2mm的碎石和粗颗粒后重塑才能进行试验，从而导致试样物质组成和结构发生了改变，引起试验所测强度有较大误差。综上所述，探究科学、合理的碎石土-基岩接触带残余强度的计算方法成为滑坡体的滑带强度演化规律必须破解的技术难题。


技术实现要素：

5.本发明针对室内常规的强度测试仪器无法直接测量碎石土-基岩接触带构成的滑带残余强度的难题，提供一种可以减少测试难度，同时降低估算误差的碎石土-基岩接触带构成的滑带残余强度的估算方法。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.提供一种碎石土-基岩接触带构成的滑带残余强度的估算方法，包括：
8.s1、在滑坡监测位移突变时间点处采取滑坡不同变形阶段的碎石土-基岩接触带的多组原状试样，并测定原状试样的物理参数；
9.s2、将每组原状试样过2mm筛，将直径小于2mm的碎石土重塑接触带，并在多个应力状态下进行环剪试验，测试残余强度，记为τ
≤2mm
，以抗剪强度τ
≤2mm
为纵坐标，法向应力σ
≤2mm
为横坐标作出第一包络线，并简化成第一直线；
10.s3、对每组大于2mm碎石材料在多个应力状态下进行三轴压缩试验，测试峰值强
度，记为τ
》2mm
，以法向应力σ
》2mm
为横坐标，剪切应力τ
》2mm
为纵坐标作出第二包络线，并简化成第二直线；
11.s4、在多个应力状态下对原状接触带的不同变形阶段进行现场大型直剪试验，测试残余强度，记为τ，以残余强度τ为纵坐标，法向应力σ为横坐标作出第三包络线，并简化成第三直线；
12.s5、根据滑坡相应变形阶段的三条直线方程及原状试样的物理参数建立τ
≤2mm
、τ
》2mm
、τ三者之间的经验关系模型，以根据τ
≤2mm
、τ
》2mm
直接估算τ。
13.接上述技术方案，取原状试样时，将容器压入接触带并削去容器外岩土体。
14.接上述技术方案，原状试样的物理参数包括矿物成分、天然含水率、液塑限、颗粒级配、碎石块径分布、相对密度、质量密度。
15.接上述技术方案，采用x射线粉晶衍射仪测量矿物成分，采用烘干法测量天然含水率。
16.接上述技术方案，采用圆锥仪法测量液塑限，采用筛分法测量颗粒级配。
17.接上述技术方案，使用游标卡尺测量碎石块径分布、采用比重瓶法测量相对密度。
18.接上述技术方案，第一线性方程其中第一直线的倾角为内摩擦角第一直线的纵坐标上的截距为内聚力c
≤2mm
；
19.第一线性方程其中第二直线的倾角为内摩擦角第二直线的纵坐标上的截距为内聚力c
》2mm
；
20.第三直线方程其中第三直线的倾角为内摩擦角第三直线的纵坐标上的截距为内聚力c。
21.接上述技术方案，选择经验关系模型为：
[0022][0023]
其中，
[0024]
b＝f(μ,w,w
p
,w
l
,γ,β,gs,ρ,...)
[0025]
式中：νi为角速度，当vi《0时，滑坡处于初始变形阶段；当vi《0，滑坡处于等速变形阶段；当vi》0时，滑坡处于加速变形阶段；f()表示τ
≤2mm
、τ
》2mm
、τ三者之间的经验关系函数，f(μ,w,w
p
,w
l
,γ,β,gs,ρ,...)表示滑坡处于不同变形阶段对三种试验剪切强度的影响；其中μ为矿物成分定量化指标；w为天然含水率；w
p
为塑限；w
l
为液限；γ为颗粒组成定量化指标；β为碎石块径分布定量化指标；gs为相对密度；ρ为质量密度。
[0026]
本发明产生的有益效果是：本发明通过测量直径小于2mm的碎土石重塑接触带的残余强度、直径大于2mm的碎石材料的峰值强度，以及原状接触带的残余强度，根据三者数据的包络线简化成直线方程，再基于原状试样的物理参数建立三者之间的经验关系模型，从而可以在实验室中直接根据该模型估算滑坡的残余强度。
附图说明
[0027]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0028]
图1是本发明一套碎石土-基岩接触带构成的滑带残余强度(记为τ)的估算方法流
程示意图。
[0029]
图2是本发明一实施例中接触带物理试验流程示意图。
[0030]
图3是本发明一实施例中接触带和碎石材料力学试验流程示意图。
[0031]
图4是本发明一实施例中碎石材料受碎石倾角的影响概念示意图。
具体实施方式
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]
如图1所示，1、一种碎石土-基岩接触带构成的滑带残余强度的估算方法，其特征在于，包括：
[0034]
s1、在滑坡监测位移突变时间点处采取滑坡不同变形阶段的碎石土-基岩接触带的多组原状试样，并测定原状试样的物理参数；
[0035]
s2、将每组原状试样过2mm筛，将直径小于2mm的碎石土重塑接触带，并在多个应力状态下进行环剪试验，测试抗剪强度，记为τ
≤2mm
，以抗剪强度τ
≤2mm
为纵坐标，法向应力σ
≤2mm
为横坐标作出第一包络线，并简化成第一直线；
[0036]
s3、对每组大于2mm碎石材料(重塑接触带)在多个应力状态下进行三轴压缩试验，测试峰值强度，记为τ
》2mm
，以法向应力σ
》2mm
为横坐标，剪切应力τ
》2mm
为纵坐标作出第二包络线，并简化成第二直线；
[0037]
s4、在多个应力状态下对原状接触带的不同变形阶段进行现场大型直剪试验，测试残余强度，记为τ，以残余强度τ为纵坐标，法向应力σ为横坐标作出第三包络线，并简化成第三直线；
[0038]
s5、根据滑坡相应变形阶段的三条直线方程及原状试样的物理参数建立τ
≤2mm
、τ
》2mm
、τ三者之间的经验关系模型，以根据τ
≤2mm
、τ
》2mm
直接估算τ。
[0039]
取原状试样时，将容器压入接触带并削去容器外岩土体。
[0040]
原状试样的物理参数包括矿物成分、天然含水率、液塑限、颗粒级配、碎石块径分布、相对密度、质量密度等。
[0041]
进一步地，第一线性方程其中第一直线的倾角为内摩擦角第一直线的纵坐标上的截距为内聚力c
≤2mm
；
[0042]
第一线性方程其中第二直线的倾角为内摩擦角第二直线的纵坐标上的截距为内聚力c
》2mm
；
[0043]
第三直线方程其中第三直线的倾角为内摩擦角第三直线的纵坐标上的截距为内聚力c。
[0044]
可选择经验关系模型为：
[0045][0046]
其中，
[0047]
b＝f(μ,w,w
p
,w
l
,γ,β,gs,ρ,...)
[0048]
式中：νi为角速度，当vi《0时，滑坡处于初始变形阶段；当vi《0，滑坡处于等速变形阶段；当vi》0时，滑坡处于加速变形阶段；f()表示τ
≤2mm
、τ
》2mm
、τ三者之间的经验关系函数，f(μ,w,w
p
,w
l
,γ,β,gs,ρ,...)表示滑坡处于不同变形阶段对三种试验剪切强度的影响；其中μ为矿物成分定量化指标；w为天然含水率；w
p
为塑限；w
l
为液限；γ为颗粒组成定量化指标；β为碎石块径分布定量化指标；gs为相对密度；ρ为质量密度。
[0049]
其中，步骤s1中，在滑坡表面采用gnss、光纤等获取坡表位移时程，在坡体内采用钻孔倾斜仪等获取深部位移时程，并进行演化阶段划分，寻找位移突变时间点。具体包括以下步骤：
[0050]
演化阶段划分，绘制位移-时间曲线，引入apriori算法挖掘累计位移切线角(ai)的角速度νi与演化阶段的关联性，实现滑坡演化阶段的自动判识。ai计算公式为：
[0051][0052]
νi计算公式为：
[0053][0054]
关联性是指滑坡演化从初始变形阶段进入等速变形阶段，及从等速变形阶段到加速变形阶段时，都存在相应的临界状态阈值，将滑坡演化的数据划分为3个布尔属性，每个阶段的数据用(3)式表示，依据其所属概率自动判别其所处的变形阶段，具体实现过程如下：当角速度νi∈[a，b]，记做a，角速度νi∈(b，c)，记做b，当角速度νi∈(c， ∞)，记为c，其中a、b、c代表不同的演化阶段。
[0055][0056]
用apriori算法挖掘出其关联性如下：
[0057]
规则：indicator＝c＝＝》stage＝accelerated
[0058]
conf：(1)
[0059]
(规则(1)说明当角速度在c内取值，即：νi∈(c， ∞)时，滑坡演化阶段为加速变形阶段的置信度为100％)
[0060]
如图2所示，步骤s1中，测定原状试样的物理参数时，可采用x射线粉晶衍射仪测量矿物成分，采用烘干法测量天然含水率，首先，称量盒的质量并记录；然后，取代表性试样放入称量盒内，立即盖好盒盖，放到电子天平上称量并记录；接着，揭开盒盖，将试样和盒放入烘箱，在105℃1110℃下烘到恒量，烘干时长不得小于6h，将烘干后的试样和盒取出，盖好盒盖放到干燥器内冷却到室温，称其质量并记录。天然含水率计算公式为：
[0061][0062]
式中：w为天然含水率；m为湿土样质量；ms为干土样质量；
[0063]
采用圆锥仪法测量液塑限，以含水率为横坐标，以圆锥入试样深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制含水率与相应的圆锥下沉深度关系曲线。三点应在同一直线上。如果三点不在同一直线上，通过高含水率的一点与其余两点连两根直线，在圆锥入试样为2mm处查得相应的两个含水率，如果两个含水率的差值小于2％，用两含水率的平均值的点与高含水
率的测点作直线，若两个含水率差值等于、大于2％，则应补点或重做试验。液塑限计算方法为：
[0064][0065]
式中：w为圆锥入土任意深度下试样的含水率；m1为湿土样及称量盒质量；m2为烘干后土样及称量盒质量；m0为称量盒质量；
[0066]
在含水率与圆锥下沉深度的关系图上查得下沉深度为17mm对应的含水率为液限，查得下沉深度为10mm对应的含水率为10mm液限，查得下沉深度为2mm对应的含水率为塑限。
[0067]
采用筛分法测量颗粒级配，首先，用四分法按规范取出代表性样品，称量应准确到0.1g，当试样质量大于500g，应准确到1g；然后，将试样过2mm筛子，分别称出筛上和筛下样品质量；接着，取2mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中，取2mm筛下试样倒入依次选好的细筛最上层筛中，进行筛析，震摇时间为10115min；最后，由最大孔径筛开始，顺序将各筛取下，并将留在各筛上的试样分别称量。颗粒组成的计算公式为：
[0068][0069]
式中：x为小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数；ma为小于某粒径的试样质量；mb为试样的总质量；d
x
为粒径小于2mm或粒径小0.075mm的试样质量占总质量的百分数；
[0070]
使用游标卡尺测量碎石块径分布、采用比重瓶法测量相对密度，首先，将比重瓶烘干；然后，采用煮沸法或真空抽气法排除样品中的空气；接着，将纯水注入比重瓶，当采用长比重瓶时，用滴管调整液面至刻度处，以弯液面下缘为准，擦干瓶外及瓶内刻度线以上的水，称瓶、水、样品总质量，当采用短颈比重瓶时，塞好瓶塞，使多余水分自瓶塞毛细管中溢出，将瓶外水分擦干后，称瓶、水、样品总质量，称量后应测定瓶内水的温度。最后，根据测得的温度，从已绘制的温度与瓶、水总质量关系中查得瓶、样品总质量。相对密度计算公式为：
[0071][0072]
式中：gs为土的相对密度；ms为干土质量；m1为瓶、水总质量；m2为瓶、水、土总质量；g
wt
为t℃蒸馏水的比重(水的比重可查物理手册)；
[0073]
采用环刀法测量质量密度，首先，取原状试样或扰动试样，整平其两端，将环刀内涂上凡士林，刃口向下放在试样上；然后，用切土刀(或钢丝锯)将土样削成略大于环刀直径的土柱。然后将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出环刀为止。质量密度计算公式为：
[0074][0075]
式中：m1为环刀与土的总质量；m2为环刀质量；v为环刀体积；
[0076]
请参考图3，步骤s2中，开展在多个应力状态下过2mm筛重塑接触带的环剪试验，测试残余强度(记为τ
≤2mm
)，作出τ
≤2mm
包络线，求得τ
≤2mm
的内聚力和内摩擦角。
[0077]
以抗剪强度τ
≤2mm
为纵坐标，法向应力σ
≤2mm
为横坐标，绘制抗剪强度τ
≤2mm
与法向应力σ
≤2mm
的关系曲线，称为强度曲线，强度曲线可以简化成如(9)的线性方程，直线的倾角为内摩擦角，纵坐标上的截距为内聚力。
[0078][0079]
步骤s3中，开展在多个应力状态下大于2mm碎石材料的三轴压缩试验，测试峰值强度(记为τ
》2mm
)，作出τ
》2mm
包络线，求得τ
》2mm
的内聚力和内摩擦角，主应力差(σ
1-σ3)计算公式为：
[0080][0081]
式中：σ1为大主应力；σ3为小主应力；c为测力计率定系数；r为测力计读数；aa为试样剪切时的面积；
[0082]
破坏点的取值可以(σ
1-σ3)的峰之点作为破坏点，如(σ
1-σ3)均无峰值，应以应力路径的密集点或按一定的轴向应变(一般可取ε＝15％)相应的(σ
1-σ3)作为破坏强度值。应按以下绘制强度包络线，以法向应力σ
》2mm
为横坐标，剪切应力τ
》2mm
为纵坐标，横坐标上以为圆心，为半径(f注脚表示破坏时的值)，绘制抗剪强度τ
》2mm
与法向应力σ
》2mm
的关系曲线，称为强度曲线，强度曲线可以简化成如(11)的线性方程，直线的倾角为内摩擦角，纵坐标上的截距为内聚力。
[0083][0084]
碎石土-基岩接触带土的抗剪强度τ由摩擦强度和黏聚强度τc＝c两部分组成。其中可以看出，摩擦强度本质是由内摩擦角决定，由于在接触带碎石材料的存在，剪切面上的碎石一般在局部的凸起处形成接触，从而通过接触力来平衡外部施加的法向应力和切向应力，剪切面的粗糙度发生改变时，剪切面上碎石材料的接触面的角度及总面积发生改变，从而造成抗剪强度发生变化，请参考图4，图中法向应力ni(σ3)，切向应力为ti(σ1)。
[0085]
为了分析剪切面的碎石材料对抗剪强度的影响，取上图所示的接触单元i，在外荷载ni和ti作用下，颗粒之间的接触面(倾角θi)上会形成法向接触力f
ni
和切向摩擦力f
si
，
[0086]
如上图4所示，建立平衡方程：
[0087][0088]
太沙基认为颗粒一般在凸起的接触点达到屈服，这样实际接触面积ai由材料屈服强度和法向接触力f
ni
共同决定，即
[0089][0090]
则
[0091][0092]
在屈服区接触面上，抗剪强度为τm，则切向摩擦力f
si
为：
[0093]fsi
＝τ
mai
ꢀꢀ
(15)
[0094]
碎石材料接触面的内摩擦角和摩擦因数u0为：
[0095][0096]
联立(12)-(16)可得：
[0097][0098]
由此可得碎石土接触单元的内摩擦角：
[0099][0100]
由碎石材料引起的界面抗剪表达式如下：
[0101][0102]
步骤s4中，开展在多个应力状态下原状接触带大型直剪试验，测试残余强度(τ)，作出τ包络线，求得τ的内聚力和内摩擦角。
[0103]
以抗剪强度τ
≤2mm
为纵坐标，法向应力σ
≤2mm
为横坐标，绘制抗剪强度τ与法向应力σ的关系曲线，称为强度曲线，强度曲线可以简化成如(20)的线性方程，直线的倾角为内摩擦角，纵坐标上的截距为内聚力。
[0104][0105]
步骤s5中，统计分析τ
≤2mm
、τ
》2mm
、τ三者关系并建立三者经验关系模型，在考虑滑带物理参数情况下，提出一套由τ
≤2mm
、τ
》2mm
估算τ的方法。在碎石土-接触带构成的滑带残余强度(记为τ)的估算方法中，可以根据理论知识和材料的认识，认为碎石土-基岩接触带的剪切强度由两部分组成，一部分是黏聚强度τc，另一部分是摩擦强度τ
jrc
(即滑动摩擦-接触面粗糙度和咬合摩擦-碎石材料粗糙度)，产生阻止界面产生相对滑动的力。
[0106]
根据试验结果统计分析在不同滑带物理参数条件下τ
≤2mm
强度参数、τ
》2mm
强度参数、τ三者关系，并建立能够考虑滑带物理参数的三者经验关系模型，为：
[0107][0108][0108][0109]
其中，
[0110]
b＝f(μ,w,w
p
,w
l
,γ,β,gs,ρ,...)
ꢀꢀ
(22)
[0111]
式中：νi为角速度；μ为矿物成分定量化指标；w为天然含水率；w
p
为塑限；w
l
为液限；γ为颗粒组成定量化指标；β为碎石块径分布定量化指标；gs为相对密度；ρ为质量密度；τ
jrc
为摩擦强度；τc为黏聚强度。在不同的阶段其物理参数是不同的，在不同的物理参数下，其强度是不一样的，因为上式是一个表达式，不能反映不同时刻，因此借助前边的系数加以反映。f()表示τ
≤2mm
、τ
》2mm
、τ三者之间的经验关系函数，f(μ,w,w
p
,w
l
,γ,β,gs,ρ,...)表示滑坡处于不同变形阶段对三种试验剪切强度的影响。
[0112]
综合分析(1)-(22)式，当vi《0时，滑坡处于初始变形阶段；当vi《0，滑坡处于等速变形阶段；当vi》0时，滑坡处于加速变形阶段。可建立三者经验关系模型表达式为：
[0113][0114]
本发明的一个实施例中，可基于多元统计理论，利用origin 9.1和ibm spss statistics 22软件来探究τ
≤2mm
强度参数、τ
》2mm
强度参数、τ三者之间的经验关系，变量之间的相关程度可用pearson相关系数来表征：
[0115][0116]
式中，a，d，e，f，h，g是修正系数；该实施例只是展示其可能的形式是这样一种情况。
[0117][0118]
式中：r为相关系数，其值介于-1到1之间，绝对值越大，表示相关性越强，xi和yi表示变量，和分别表示变量的均值。
[0119]
为了评判滑带残余强度的估算方法的准确性，本发明可进行验证，根据测得的过2mm筛重塑碎石土-泥灰岩接触带残余强度、大于2mm碎石材料天然峰值强度和估算公式估算整个碎石土-泥灰岩岩接触带残余强度，然后再与实际试验值进行比较，判断其理论方法的合理性。
[0120]
本发明还可以采用数理统计的方法统计过2mm筛重塑碎石土-泥灰岩接触带残余强度、大于2mm碎石材料天然峰值强度、碎石土-泥灰岩岩接触带残余强度，根据统计的结果找到不同阶段三者之间的关系。
[0121]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。