土石混合体边坡的细观处理技术

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土石混合体边坡是由滑坡堆积、残坡堆积、滑坡堆积和洪水堆积形成的一种非均质边坡。由于其物质成分的非均质性，其变形特性和破坏机制与其他边坡有着显著的不同。土石混合体边坡应根据其物质结构的特点，采用细观处理技术进行处理，处理为均质连续体、等效均质连续体、非均质不连续体和受结构面控制的不连续体。

土石混合体；细观处理技术；边坡

土石混合体边坡由土混碎石或碎石和碎石或碎石混土组成[1，2]。一般发育在第四系松散堆积层中，主要由滑坡堆积、残坡堆积、滑坡堆积和洪水堆积形成。土石混合体边坡在我国分布广泛，如香港、广东、福建等地的花岗岩残积土边坡，我国西南地区、长江三峡库区及黄河中上游地区广泛分布的古滑坡、崩坡，西藏等地分布的冰碛坡[3]。由于这类边坡通常规模较大，影响因素多，失稳突发性强，滑动条件复杂，往往给国家经济建设、人民正常生活和生命安全带来严重危害和巨大财产损失。因此，对这种边坡进行系统的分析、研究和总结具有特殊的理论和实用价值。

对于土质边坡和岩质边坡，人们进行了长期、系统和卓有成效的研究工作，取得了丰富的实践经验。土石混合体边坡由于其物质组成和结构的不同，其变形特征与其他边坡有着显著的不同。目前，人们对它的研究仅处于定性分析阶段，或通过它与某些因素的相关性分析来探讨滑坡的机理[4，5]，或通过模型试验来分析稳定性[6，7]，缺乏像研究土质边坡和岩质边坡那样的理论和技术方法。笔者认为，首先应该认识到问题的本质，即土石混合体边坡的独特性，然后从新的角度来分析和研究这些问题。

1介观加工技术概念

岩土体破坏机理的研究根据研究对象的大小可分为宏观、微观和微观三大类。这三类的划分目前还没有统一的标准。根据谢强等人[8]的观点，将野外广泛发育的、影响工程岩土力学特性的断层和节理归为宏观层次；在岩土结构中发育的、直接影响岩土力学特性的裂隙，属于细观层次。矿物晶体中发育的位错，一般对岩土的宏观力学性质没有直接影响，被归为微观层次。从研究实施来看，宏观研究多与实地调查和实地实验相结合。由于观测手段和费用的原因，所做的研究总是有限的。细观研究多以实验室力学实验和岩样显微观察的形式进行。就现有经济技术手段的可行性而言，细观层次的岩土断裂过程研究是目前的主要研究方法。

传统的岩石力学研究采用宏观力学的实验和分析方法，并取得了许多显著的成果。随着许多重要岩土工程要求的不断提高和研究工作的逐步深入，人们逐渐认识到，仅从宏观尺度的现象学角度来讨论岩土的力学机理显然是不够的。在1998中，孙俊提出岩石力学要从微观，甚至是微尺度进一步探讨，要结合“三观”更加全面深入。

所谓介观，介于微观和宏观之间，相对于分子、原子的微观尺度足够大，但相对于所涉及物体的宏观尺度又足够小；这是不同材料及其不同工程特征尺寸的相对概念。对于岩石，细观尺度可能在厘米甚至米的范围内。人们一般要经历宏观-中观-微观-宏观的反复过程，才能认识自然现象的规律。更高尺度的研究总是以更低尺度的研究为基础的。这意味着宏观现象的发生可以用微观研究来解释，微观现象的发生可以用微观研究来解释。

2中观治疗的必要性

一些非均质土壤，如砾石沉积物和崩积层，可能含有各种不同尺寸的颗粒，包括巨砾，这给岩土工程师带来了一些特殊问题。对这些物质进行取样和测试的困难已被很好地报道[9]并在一定程度上得到解决[10]。然而，评价该边坡稳定性的方法问题尚未引起足够的重视。常规土的边坡分析方法实际上是基于相对较好的级配，其性质被假定为与单位尺寸无关。但对于土石混合体边坡，由于其物质成分的非均质性，需要从单元尺寸即细观的角度来处理。

土石混合体的力学性质主要受其颗粒大小组成的影响，即受其组成颗粒的大小、形状、均匀性、圆度，尤其是孔隙率的影响。如果涉及粘土、淤泥或有机物，性质会更复杂。

图1土石混合体边坡的三种破坏模式

土石混合体边坡含少量大颗粒时，一般可能出现三种破坏情况[11](图1)，破坏机理符合最小抗剪强度原理。哪种现象发生取决于颗粒和周围基体的相对强度、颗粒和破碎区的相对大小、大颗粒的含量和应力水平。例如，穿过粒子可能发生在粒子较弱的时候。如果只有少数大颗粒，则倾向于偏离颗粒破坏，断口区域的几何形状会因颗粒的存在而发生一定程度的微小变化。Hencher & Martin [12]认为当大颗粒含量超过30%时，如香港的坍塌，一般是大颗粒通过填料的断裂面时受到扰动。如果有很多大颗粒，就会形成锯齿状的断口(图2)。如果颗粒与边坡尺寸相比太大，或者填料倾向于沿着薄的破裂面失效，则扩大破裂带的可能性小于偏离颗粒类型的可能性。偏离颗粒的破坏更容易发生在可能发生剪胀的低应力区，而不是剪胀受限的高应力区，在高应力区，破碎区可能变宽。

图2土石混合体边坡的锯齿形破裂面

在上面的讨论中，似乎大颗粒要么增加边坡的稳定性，要么影响不大。然而，大颗粒可能会降低边坡的稳定性。这种情况发生在大颗粒与填料或大颗粒之间沿界面的剪切强度小于填料本身的强度时，且占相当大的比例。如果大粒子占据的位置小于理想位置，这种效应会更明显。另外，需要注意的是，大颗粒的存在会显著增加边坡的排水性。

从以上分析可以看出，为了更准确地研究边坡的稳定性，应该从微观的角度来对待。对于重大工程，应尽可能进行详细调查，以确定土石混合体边坡的非均质地质剖面，找出影响边坡稳定性的大砾石块，并在稳定性分析中考虑这些块。

3中观处理方法

对于要研究的具体工程，首先要在相对充分的勘察资料基础上，建立尽可能反映工程实际情况的岩土工程模型。其中心思想是首先应将其视为何种物质或介质，因此其内容应包括与边坡有关的基本地质条件，如边坡的大小、所含介质的粒度和均匀性、岩体的风化程度、节理等不连续面的发育程度、岩层的相互组合等。不同的工程条件应有不同的处理方法。以下是根据土石混合体材料的力学性质，针对不同边坡工程的处理方法，即根据工程地质条件，将边坡材料视为均质或非均质、连续或不连续。

3.1均匀连续统

图3可以看作是一个均匀的连续斜坡。

最常用的方法是将土石混合体视为一个基本上均匀的连续体，并将最重要物质的参数作为区域表示的参数。这种方法适用于土石混合体中含有少量砾石块，且块的大小与边坡的大小相比太小而不影响整体力学性质的情况(图3)。此时将岩土视为均质材料是有效的，其工程参数与纯土相比没有明显变化，块体与土之间不可能存在结构控制行为。在这种情况下，没有必要进行现场原位测试，只有实验室测试才能获得所需的参数。

3.2等效均匀连续体

当土石混合体中含有较多砾石，但砾石分布相对均匀，尺寸与边坡尺寸相比相对较小时，可视为等效的均质连续体(图4)。从前面的分析可以看出，砾石的力学性质是增强的，但由于试验方法的困难，许多工程师仍然把最弱组分的性质作为该地区的代表性质，这是普遍保守的。

图4可以等效为一个均匀的连续斜坡。

虽然整体上简化了，即某种物质的性质代表了一个大区域的性质，但物质对扰动的敏感性意味着实验室测试得到的数据不可信。因此，许多设计者更喜欢依靠原位测试和经验公式。另外，值得注意的是，在土石混合体中，砾石与土的接触面在受力变形时变得不连续。很多情况下，不连续的出现是不可忽视的，即使没有明显的机理，那么不连续就可能占据主要地位，对强度的影响是非常大的。

3.3异质和不连续体

当土石混合体边坡含有比边坡大的砾石块时，即使含量不高，但位置重要，也必须视为非均质不连续(图5)。此时大块砾石的存在必然会影响边坡的破坏形式和机理，在分析边坡稳定性时必须考虑大块砾石的影响。

图5非均质不连续土石混合体边坡

在处理非均质岩土时，由于弱基质中的强岩芯，很难确定具有实际意义的参数。此时无法用岩土的代表尺寸对试样进行测试，所以岩土的强度和模量从芯岩到较弱材料的分布要么忽略(假设在没有构造控制时一般是保守的)，要么进行理论处理和模拟[13]。对此，许多学者都进行了不同程度的研究。Anon和West等人[11 ~ 14]在分析高砾石含量堆积体边坡时，试图计算不规则破裂面扩容引起的附加抗剪强度，其几何形状受交错碎屑控制。Irfan和唐[15]给出了堆积体中强度较高的包裹体引起附加强度的实验指导原则。只要它们具有相同的特性，同样的方法可能适用于非均质的岩石和土壤。布莱特[16]和后来发表的亚罗什[17]的工作报告了在预测含有岩芯岩石的地基沉降时获得实际参数的困难。亚罗什将建筑物的低沉降归因于建筑物下残积土中应时核心岩石的影响，但布莱特认为观察到的沉降也可以归因于母岩的残积土，参数略有不同。Demello [18]在预测具有不同压缩性的地区建筑物的沉降时使用了相同的方法来考虑相同的问题，他将其归因于不同物质的比例和不同的压缩性。

3.4结构面控制的不连续性

当边坡含有大量碎石，如弱风化岩体、裂隙岩体时，土体充填物含量少，起的作用不大，块体间的节理等不连续面起主导作用，应视为受结构面控制的不连续体(图6)。显然，当岩土体的行为完全受不连续面控制时，可以使用常规的岩石力学方法，但必须注意风化对潜在滑动面抗剪强度的影响。

图6具有控制性结构面的岩土混合边坡

从以上分析可以看出，以上四种方法主要是以土石混合体中砾石或块石的含量和大小来区分的。但其含量和大小没有具体的限制，只能根据现场的具体情况和工程经验来确定。笔者给出以下建议:当含石量小于10%时，可考虑为第一种情况；当含石量为10% ~ 25%时，属于第二种情况；当含石量为25% ~ 70%时，属于第三种情况；当含石量大于70%，特别是大于90%时，可以认为是节理岩体。对于第一种和第四种情况，可以用土力学和岩石力学来处理。在第二种情况下，土石混合体的强度参数可以根据文献中的研究成果来确定，进行相应的计算分析。对于第三种情况，具体方法有两种:一是经过详细调查，找出大砾石块的位置，利用土石混合体的实测结构模型进行数值模拟。当然，这是一种理想的方法，很难实现；其次，根据当地的统计数据，采用蒙特卡罗方法模拟砾石的分布，在随机结构模型的基础上进行数值模拟，这是一种实用可行的方法。

感谢在撰写本文的过程中，我得到了许多领域和科研机构的大力协助。向他们表示衷心的感谢，特别是中国地质环境监测院原副总工程师尹跃平，中科院地质与地球物理研究所研究员张念学、曲永新！

参考

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谢守义，徐维雅。降雨诱发滑坡的机理研究。武汉水利电力大学学报，1999，32 (1)

刘光华。沿河松散堆积层滑坡机理及防治对策研究--以重庆市为例。参见:第二届中日三峡库区地质环境国际研讨会论文集。北京:煤炭工业出版社，1996。

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谢强等。岩石微观力学测试与分析。成都:西南交通大学出版社，1997。

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[11] West L J，Hencher S . R .评估异质土壤中边坡的稳定性。巴尔克马滑坡:鹿特丹，1991

[12]hen cher S . R，Martin R . P .香港工程用风化岩石的描述和分类。第七届东南亚会议录。岩土工程会议。香港。1982，1

[13] Lindquist E S，Goodman R E .物理模型混合物的强度和变形特性。proc . 1圣NARM症状。奥斯汀巴尔凯马鹿特丹，1994

一会儿见。粗粒级对崩积层抗剪强度的影响。岩土工程办公室报告23。香港，1993

[15]Irfan R . Y .香港复杂大理石地层下区域桥梁基础的潜在施工问题。建筑地质学会工程地质学。伦敦工程地质学特别出版物，1995

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[17]亚罗什·M . B .在Venterdorp残余熔岩上建造的两座多层建筑的沉降。南非工程师学会土壤-结构相互作用研讨会。南非德班，1978

[18] Demello诉F . B .关于适用于残积土的土壤工程的想法。第三届东南亚土壤工程会议录6438+0972