西藏是“一带一路”倡议的重要节点，也是面向南亚开放的重要通道. “一带一路”倡议为西藏的发展带来了巨大的历史机遇，也为西藏的基础建设提出了更高的要求. 冰碛土广泛分布于西藏等“一带一路”倡议沿线地区，其复杂的物理力学性质为其基础建设带来了新的挑战.

冰碛土是指由冰川搬运和堆积下来的物质，由冰川直接沉积，未经其他外力特别是冰融水改造的沉积物. 冰碛土无分选、无定向、无磨圆、无层理、结构复杂、架空现象普遍、粒径分布广且巨粒含量高 ^[1]. 冰碛土特殊的级配与颗粒特性使其具有特殊的工程性质，目前诸多学者已针对冰碛土的工程特性开展研究^[2-6]：Insley等^[7]针对冰碛土物理力学特性及工程性质开展研究；蒙进等^[8]在室内试验中采用相似级配对高、低压下冰碛土的强度特性进行研究，探讨了冰碛土的力学性质和破碎特性；谢春庆等^[9]针对冰碛土中架空块碎石发育机理、发展趋势、结构特征、工程特性及其对工程建设的不良影响开展了研究，并提出了处理措施建议；Mcgown等^[10]针对冰碛土的级配特性进行了研究，并提出了粗细颗粒最优组合与最佳比例；屈智炯等^[11]针对国内工程中选用冰碛土作为土石坝心墙材料的情况，探讨了微观下冰碛土结构特征；Springman等^[12]通过现场试验研究降雨入渗对冰碛土斜坡滑坡的影响，并探究了饱和度与冰碛土抗剪强度的关系；徐鼎平等^[13]采用元胞自动机方法模拟冰碛土结构，通过数值模拟的方法探究冰碛土强度演化规律；吕士展等^[14]通过 CT扫描试验获得冰碛土细观图像信息，使用颗粒定向、颗粒圆度、颗粒长宽比等细观参数对颗粒细观组成进行分析；王杜江^[15]通过室内直剪与离散元模拟对藏东南察达沟谷冰碛土承载力特征开展研究，为铁路选线提供依据；冯俊德等^[16]对云南某铁路中冰碛土原状土与重塑土分别进行大型直剪试验，结果表明，原状冰碛土具有一定的结构性强度，重塑冰碛土强度将随着含水率的增加而降低；郭喜峰等^[17]对四川泸定冰碛土现场开展常规直剪试验和直剪蠕变试验，利用剪切蠕变试验成果分析构造物长期变形，并提出土的抗剪强度、剪切刚度和剪胀性随骨架强度和基质胶结程度的提高而增大，而延性随之变差.

目前已有的研究表明冰碛土强度特性复杂，且具有较强的区域特征. 西藏普兰地区地处国家边境贸易区，也是“一带一路”倡议的重要节点，其冰碛土强度特性对基础建设具有重要的参考价值，而针对西藏普兰地区冰碛土压实前后的力学特性鲜有报道.

本文以西藏普兰地区表层冰碛土为研究对象，通过对天然状态土体进行现场直剪试验，及对96%压实度重塑土进行室内大型直剪与大型三轴压缩试验，探究冰碛土的剪切变形特征，分析冰碛土在压实前后的力学特性，从而为该地区工程建设提供参考.

1.   场地概况及试样特征

现场试验及室内试验土样取自西藏普兰县. 试验区域主要岩土层为第四系全新世晚期冲洪积层、第四系早更新世冰碛土、新近纪冈仁波齐群沃马组砾岩，成分以花岗片麻岩、闪长岩、脉石英及变粒岩为主. 场区主要为侵蚀台地地貌，台地由北西向南东展布，多呈断续带状分布. 普兰县属于高原亚寒带干旱气候，多年平均温度3 ℃，年降水量约170 mm，小于年蒸发量. 地下水位较低，深度约200 m.

为接近冰碛土填料的实际适用情况，使用表层土体进行试验. 天然状态表层土体干密度为2050 kg/m³，压实度为91.7%，天然含水率为0.13%，孔隙比为0.34. 粒径大于100 mm的颗粒在现场称重，其他颗粒采用室内筛分法进行分析，所得级配曲线如图1所示. 由土体级配可得土样限制粒径d₆₀=31.03 mm，有效粒径d₁₀=0.16 mm，不均匀系数C_u=193.94，曲率系数C_c=0.27. 该土体不均匀系数大，大小颗粒相差悬殊.

图  1  现场冰碛土级配曲线

Figure  1.  Gradation curve of in-situ glacial tills

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2.   试验方法

2.1   天然状态现场直剪试验

依据《现场直剪试验规程》^[20]，试验共在4个不同土样上进行，试样保持天然状态，施加的法向应力分别为100、200、300、400 kPa. 试验仪器包括法向荷载装置、剪切荷载装置、测量装置. 试验通过人工修整制备800 mm × 800 mm × 400 mm的试体4块，用细砂找平后依次放入承压板与千斤顶. 试验步骤如下：

步骤1　施加法向荷载，荷载施加后记录法向变形数据，当每小时法向变形不超过0.05 mm时，施加剪切荷载；

步骤2　施加剪切荷载前，参照同种岩土体估算试块最大剪应力为法向应力的1倍，按照预估最大剪应力的10%分级施加剪切荷载；

步骤3　逐级连续、均匀施加设定的各级剪切荷载，每间隔1 min记录1次仪表读数，剪切变形平稳后，施加下一级剪切荷载至剪切破坏，终止试验，获得试样在不同法向应力下的剪应力-位移曲线.

2.2   96%压实度室内大型直剪试验

依据《土工试验方法标准》^[21]，使用等量替代法对冰碛土级配进行缩尺，最大粒径为60 mm，缩尺后的土体级配如图2所示. 基于表面振动压实试验测得该设计级配下试样最优含水率为5.58%，最大干密度为2236 kg/m³. 结合取样区域机场建设的工程背景，基于《民用机场岩土工程设计规范》^[22]中（飞行区道面影响区土方压实度要求，设计试样压实度为96%，即干密度2147 kg/m³）. 土样沿剪切方向长度为600 mm，宽度为400 mm，高度为200 mm. 试验法向应力分别为100、200、300、400 kPa，在法向加载达到预设荷载值并稳定10 min后施加剪切荷载，剪切速度为1 mm/min；当水平荷载读数稳定或下降时，判定为剪切破坏，终止试验；获得试样在不同法向应力下的剪应力-位移曲线.

图  2  试验土样级配曲线

Figure  2.  Gradation curves of test soil

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2.3   96%压实度室内大型三轴压缩试验

依据《土工试验方法标准》^[21]及图2级配，使用现场表层土在天然含水状态下制作重塑土试样，设计试样压实度为96%，即干密度2147 kg/m³. 试样直径为300 mm，高度为600 mm，分6层装填并击实，每层高度100 mm. 采用GCTS STX-600大型三轴仪开展试验，如图3. 在100、200、300、400 kPa围压下，设定剪切速率0.25 %/min（合1.5 mm/min），当试样轴向应变达到20%或轴向测力计的读数不再上升时，加载结束，获得试样在不同围压下的偏应力-应变曲线.

图  3  大型三轴仪

Figure  3.  Large-scale triaxial apparatus

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3.   试验结果与分析

3.1   现场直剪试验结果

图4为普兰地区天然状态下冰碛土在不同法向应力下的剪应力-剪切位移关系曲线. 不同法向应力的现场直接剪切变形过程趋势相近，均可大致分为3个阶段：第1阶段，剪应力与剪切位移近似呈线性关系，在这一阶段，由于剪应力较小，冰碛土的天然土体结构尚未破坏，具有一定抵御剪切变形的能力，呈现近似的线弹性特性；第2阶段，随着剪应力增加，剪切位移变化幅度增加，在这一阶段，冰碛土的天然土体结构产生剪切破坏，抵御剪切变形的能力减弱，土体塑性变形的比例大幅上升；第3阶段，剪应力达到最大值并趋于平稳，土体中的天然结构基本被破坏，剪切变形沿软弱面滑移，试样以塑性变形为主体，发生剪切破坏. 随着法向应力增加，试样所受法向约束力也越大，土颗粒间镶嵌更为紧密，土体结构更为密实，曲线线性阶段斜率及剪切强度也因此增大. 各级法向应力下试样剪应力均在达到峰值后下降，呈现应变软化特性.

图  4  现场直剪试验结果

Figure  4.  Results of in-situ direct shear tests

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3.2   室内大型直剪试验结果

大型直剪试验结束后试样形态如图5所示，普兰地区冰碛土96%压实度下，不同法向应力对应的剪应力-剪切位移关系如图6所示. 随着法向应力增加，试样的峰值强度不断增大，体现了冰碛土的压硬性. 在各级法向应力下剪切变形趋势相近：剪切位移较小时，剪应力与剪切位移近似呈线性关系，且斜率随法向应力的增加而增加；随着剪切位移的发展，剪应力达到峰值后，剪应力逐渐减小. 由于剪切盒限制，剪切位移达到35 mm即终止试验，法向应力200 kPa与300 kPa下应力-位移曲线峰值不显著，但在位移较大时已有下降趋势，呈现软化特性.

图  5  大型直剪试验结束试样形态

Figure  5.  Samples after large-scale direct shear tests

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图  6  室内大型直剪试验结果

Figure  6.  Results of laboratory large-scale direct shear tests

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3.3   室内大型三轴压缩试验结果

大型三轴压缩结束后部分试样形态如图7所示，普兰地区冰碛土在96%压实度下，不同围压时，偏应力$q$随轴向应变变化的曲线如图8所示. 在各级围压下偏应力-应变曲线趋势相近；当土样轴向应变较小时，偏应力与轴向应变近似呈线性关系，且围压越高，斜率越大，由于相同压实度下围压越大，对试样的侧向变形约束力也越大，从而导致在剪切变形过程中试样产生相同轴向应变时所需要的轴向应力也越大；随着轴向应变继续发展，偏应力达到峰值后逐渐下降；各级法向应力下，应力-应变曲线均呈现一定应变软化特性，围压越大，土样应变软化现象越弱.

图  7  大型三轴压缩结束部分试样形态

Figure  7.  Samples after large-scale triaxial compression

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图  8  室内大型三轴试验结果

Figure  8.  Results of laboratory large-scale triaxial tests

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3.4   不同压实度下冰碛土力学特性分析

由于现场直剪试验与室内大型直剪试验土样尺寸不同，以剪切应变代替剪切位移，探究土体在不同压实度下的力学特性，试验对比结果如图9所示.

图  9  现场直剪与室内大型直剪试验结果对比

Figure  9.  Comparison of in-situ and laboratory large-scale direct shear test results

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在任一法向应力下，天然状态土体初始直线阶段模量均大于96%压实度重塑土样，即在剪切应变较小时，现场试样在相同剪应力下应变更小. 现场试验所使用的原状冰碛土具有天然土体结构^[23-24]，因而，在天然结构破坏前具有更强的抵御剪切变形的能力，从而在相同剪应力下应变更小.

天然状态下的土体峰值强度小于96%压实度重塑土样，在100、200、300、400 kPa法向应力下，96%压实度重塑土样峰值强度分别比天然状态土体强度高43.9%、18.4%、13.7%、27.1%. 由于天然状态土体压实度较低，土体结构较为松散，剪应力较大时，土体天然结构破坏，强度低于压实后的土体，因此其峰值强度低于96%压实度的重塑土样.

天然状态试样在100、200、300、400 kPa法向应力下出现峰值强度，峰值应变随法向应力的增加而增加，分别为0.4%、1.1%、2.6%、7.6%；而96%压实度试样虽在各级应力下同样出现峰值强度，但峰值应变先增加后减小，分别为4.0%、5.7%、5.7%、4.0%. 在100、200、300 kPa法向应力下，压实后的重塑土试样峰值应变显著高于天然土体；而在400 kPa法向应力下，天然土体峰值应变显著增加，高于压实后的重塑土试样.

3.5   室内大型三轴与大型直剪试验结果对比分析

室内大型三轴与大型直剪试验结果对比如图10所示，以剪切应变作横坐标绘制室内大型直剪试验结果，以对比室内大型三轴剪切与大型直剪结果.

图  10  室内大型三轴与大型直剪试验结果对比

Figure  10.  Comparison of laboratory large-scale triaxial and direct shear test results

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室内大型直剪试验中，100、200、300、400 kPa法向应力对应的，峰值应变分别为4.0%、5.7%、5.7%、4.0%；室内大型三轴试验中，随着围压的增加，峰值应变分别为3.1%、5.1%、5.1%、4.2%；在三轴与直剪试验中，试样峰值应变均先增大后减小，大型直剪试验峰值应变整体大于大型三轴试验，且200 kPa与300 kPa时峰值应变相近.

3.6   剪切强度参数分析与对比

依据摩尔-库伦准则计算各试验下冰碛土剪切强度参数，结果如表1所示.

表  1  各地区冰碛土强度参数

Table  1.  Strength parameters of glacial tills in different regions

地区	试验类型	试样状态	土体内聚力/kPa	土体内摩擦角/（°）
西藏普兰地区	现场直剪试验	天然状态（91.7% 压实度）	11.0	41.0
西藏普兰地区	室内大型直剪试验	重塑土（96.0% 压实度）	9.4	45.3
西藏普兰地区	室内大型三轴试验	重塑土（96.0% 压实度）	11.2	46.7
西藏林芝市[1]	室内大型三轴试验	重塑土	27.0	33.8
云南省丽江市[15]	室内大型直剪试验	原状土	32.6	39.3
云南省丽江市[15]	室内大型直剪试验	重塑土	35.9	30.0
四川省甘孜州[18]	现场直剪试验	天然状态	52.8	30.3

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对比天然状态土体强度参数与室内试验所得96%压实度土体强度参数可得：压实前、后土体内聚力较为接近，而天然状态下冰碛土内摩擦角显著低于压实后. 虽然压实后的冰碛土更为密实，但现场压实前土体具有天然土体结构，因而内聚力差异较小；但压实后土颗粒镶嵌更为紧密、土体结构更为密实，在围压较大、土体天然结构破坏后，压实后的土体强度显著高于天然土体，因而内摩擦角显著高于天然状态冰碛土.

对比相同压实度的重塑土试样在室内大型三轴压缩试验与室内大型直剪试验下的强度参数发现，室内大型三轴压缩试验所得强度参数高于室内大型直剪试验.

不同地区冰碛土强度参数如表1所示. 各地区冰碛土内摩擦角均处于较高水平，均不低于30.0°；内聚力差异较大，同样由现场直剪试验得到的西藏普兰地区冰碛土内聚力为11.0 kPa，四川省甘孜州冰碛土内聚力为52.8 kPa，即冰碛土力学特性具有较强的区域特性.

4.   应力应变关系描述

邓肯-张（Duncan-Chang）模型是一种形式简单、参数少且实用的非线性弹性模型. 该模型采用双曲线函数描述应力应变关系，如式（1）.

式中：${a = }\dfrac{{{{\varepsilon }_{\text{1}}}}}{q}{ = }\dfrac{{\text{1}}}{{{{E}_{\text{i}}}}}\left( {{{\varepsilon }_{\text{1}}} \to {0}} \right)$，E_i为初始切线模量；$b = \dfrac{1}{{{q_{{\mathrm{ult}}}}}} \left( {{\varepsilon _1} \to \infty } \right)$，q_ult为极限偏应力；$\varepsilon _1$为轴向应变.

图11为不同围压下ε₁/q和ε₁的关系曲线. ε₁较小时，ε₁/q和ε₁不呈线性关系，尤其在围压较低、试样应变软化现象较为显著时，邓肯-张模型拟合结果不理想. 这是由于邓肯-张模型所使用的双曲线函数难以描述土体的软化特征，无法很好地描述普兰地区冰碛土应力-应变关系.

图  11  邓肯-张模型拟合结果

Figure  11.  Fitting results of Duncan-Chang model

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赖远明等^[25]提出的修正邓肯-张模型可以描述土体的应变软化特征，其应力-应变关系为

式中：$m={1}/{{E}_{0}}$，E₀为初始弹性模量；$n=\dfrac{1}{{q}_{\text{m}}}-{2}/ ({{\varepsilon }_{1\text{m}}{E}_{0}})$，q_m和ε_1m为峰值偏应力与峰值应变；$l = {1}/ ({{{E_0}\varepsilon _{1{\mathrm{m}}}^2}})$.

图12给出不同围压下利用修正邓肯-张模型拟合的ε₁/q和ε₁的关系. 在各级围压、轴向应变下，ε₁/q与ε₁可较好地拟合，相关性系数R²均大于0.99，修正的邓肯-张模型可以较好地描述普兰地区冰碛土的偏应力与轴向应变关系.

图  12  修正的邓肯-张模型拟合结果

Figure  12.  Fitting results of modified Duncan-Chang model

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5.   结　论

通过对天然含水率下的西藏普兰地区冰碛土开展现场直剪试验、室内大型直剪试验及室内大型三轴试验，得到以下结论：

1） 西藏普兰地区表层冰碛土天然状态（91.7%压实度）下内聚力为11.0 kPa，内摩擦角为41.0°；96%压实度下内聚力为9.4～11.2 kPa，内摩擦角为45.3°～46.7°，室内大型三轴试验所得强度指标高于大型直剪试验.

2） 在任一法向应力直剪试验下，天然状态冰碛土初始直线阶段模量均大于96%压实度重塑土样，即在剪切应变较小时，现场试样在相同剪应力下应变更小，而天然状态下土体峰值强度均小于96%压实度重塑土样.

3） 冰碛土应力-应变曲线在各级围压下均呈现软化特性，峰值应变随围压的增加先增大后减小. 修正的邓肯-张模型可以较好地描述冰碛土偏应力与轴向应变关系，并体现普兰地区冰碛土的应变软化特性.