碎石土-基岩接触带构成的滑带残余强度的估算方法

摘要

本发明公开了一种碎石土‑基岩接触带构成的滑带残余强度的估算方法，包括：在滑坡监测位移突变时间点处采取碎石土‑基岩接触带的多组原状试样，并测定原状试样的物理参数；将每组原状试样过2mm筛，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，作出第一包络线，并简化成第一直线；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，作出第二包络线，并简化成第二直线；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，测试残余强度作出第三包络线，并简化成第三直线；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

说明书

技术领域

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

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

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。

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。

发明内容

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。

本发明所采用的技术方案是：

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：

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；

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

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

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；

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

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。

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。

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。

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。

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。

接上述技术方案，第一线性方程

第一线性方程

第三直线方程

接上述技术方案，选择经验关系模型为：

其中，

b＝F(μ,w,w

式中：ν

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

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

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。

图2是本发明一实施例中接触带物理试验流程示意图。

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。

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

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。

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：

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；

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

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

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；

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

取原状试样时，将容器压入接触带并削去容器外岩土体。

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。

进一步地，第一线性方程

第一线性方程

第三直线方程

可选择经验关系模型为：

其中，

b＝F(μ,w,w

式中：ν

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：

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(a

ν

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ν

用Apriori算法挖掘出其关联性如下：

规则：indicator＝C＝＝>stage＝accelerated

Conf：(1)

(规则(1)说明当角速度在C内取值，即：ν

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：

式中：w为天然含水率；m为湿土样质量；m

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：

式中：w为圆锥入土任意深度下试样的含水率；m

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。

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：

式中：X为小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数；m

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：

式中：G

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：

式中：m

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

以抗剪强度τ

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

式中：σ

破坏点的取值可以(σ

碎石土-基岩接触带土的抗剪强度τ由摩擦强度

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N

如上图4所示，建立平衡方程：

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A

则

在屈服区接触面上，抗剪强度为τ

F

碎石材料接触面的内摩擦角

联立(12)-(16)可得：

由此可得碎石土接触单元的内摩擦角：

由碎石材料引起的界面抗剪表达式如下：

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。

以抗剪强度τ

步骤S5中，统计分析τ

根据试验结果统计分析在不同滑带物理参数条件下τ

其中，

b＝F(μ,w,w

式中：ν

综合分析(1)-(22)式，当v

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 SPSSStatistics 22软件来探究τ

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。

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，x

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。

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。

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。