1引言
1.1 研究背景
堰塞坝是在一定的地质与地貌条件下，由滑坡、崩塌、泥石流等斜坡失稳体堵塞河流而形成的天然坝体。我国是堰塞坝的高发区，在根据统计的全世界范围内1298个堰塞坝案例中，发生在我国的达758个[1]。举例来说，我国台湾地区在1999年发生的7.3级地震诱发至少19个堰塞坝；2008年汶川发生的8.0级地震诱发了257个堰塞坝[2]。从2008年至今，汶川地震震后由于滑坡松散堆积体在大量降雨之下重新启动，形成了数十处大小不一的堰塞坝。
当湖水水位的逐渐升高，上游因为蓄水的原因被淹没，这时候一旦发生溃坝，湖水瞬间下泄，造成的洪水和泥石流会给下游人民群众的生命及财产带来灾难性的破坏，同时由此引发的各种不良的环境效应，影响也十分巨大，对灾后救援和堰塞坝下游的城镇造成了巨大的威胁。1933年在四川叠溪发生的7.5级地震形成多个堰塞坝，堰塞坝溃决后造成2500以上的人员伤亡。2008年5月12日发生的汶川大地震，在地震结束之后，造成了大量的次生地质灾害，形成了大量堰塞坝，包含风险最大的唐家山堰塞坝。值得一提的是，与斜坡失稳体不同，堰塞坝对周围环境的影响并不仅仅只局限于特定时间和区域，而是贯穿了堰塞坝全寿命过程和全流域范围，存在着明显的时空演变规律。
由于堰塞坝不像人造的坝体，没有足够稳定的结构和整体性，也没有天然防渗特性，颗粒分布也非常不均匀，所以很难利用堰塞坝，只有通过人工干预，人工溃坝的方式，才能将损害减到最小。综上，堰塞坝对于所在部分地区有着很大的潜在危害性，如果不能够及时引起足够重视，并且有效解决的话，那么造成的后果将是无法弥补的。现如今关于堰塞坝的研究主要分为两个方面，一个是数值模拟，另一个是物理模拟。通过物理模拟可以求得材料的基本物理性质和力学性质，但是力学性质相比于物理性质来说，更难获取，需要进行大量的试验，由此，关于材料的力学性质试验就显得极为重要，它是研究堰塞坝的基础。
1.2 研究内容
在堰塞坝溃坝影响因素当中，坝体材料的力学特性对于堰塞坝的溃决模式具有很重要的影响，而在实际的调查中，堰塞坝坝体材料的尺寸差异极大，从几米的砾石到几厘米的碎屑均有分布，此外，坝体材料均为自由塌落堆积成坝，未经人工的压实等，坝体材料的密实度及含水量也对其力学性质有很重要的影响。因此，有必要针对不同级配下堰塞坝坝体材料的力学特性进行相关研究讨论。
1.3 研究现状
在堰塞坝的特点和防治上，王杨科[3]总结：我国的堰塞湖的分布具有时空分布的特点，空间上，90%以上分布于西南、西北地区。堰塞坝存在的时间跨度也很大，从几分钟到几千年不等。严祖文[4]针对滑坡、崩塌、泥石流和碎屑流形成堰塞坝机理进行介绍并探讨了堰塞坝的破坏机制。钟启明[5]通过收集世界各地具有实测参数的堰塞坝案例，分别采用错判率 F、绝对准确率R以及基于三种准确率的综合准确率Rr对国内外常用的堰塞坝稳定性快速评价方法进行对比分析。在渗透性方面，石振明、张公鼎[6]等认为，由于堰塞坝存在较大粒径颗粒，常规的渗透试验装置难以满足要求，因此研制了直径为60cm的大直径渗透试验仪，进行了不同堰塞坝级配材料的渗透破坏试验，并探讨了堰塞坝体材料渗透特性的主要影响因素。此外，石振明，彭铭[7]等通过数值模拟，以及渗流的试验研究，对坝体材料渗流特性进行了分析和展望，希望今后的研究可以放在开展有围压条件下宽级配材料的渗透系数临界水力坡降的理论分析和相关设备上。
综上，学者们对于堰塞坝的破坏机理的定性已经有了良好的认识，随后将研究的重点放在了坝体的稳定性和渗透性上面，这两个特性是堰塞坝最终是否造成严重危害的关键。理论的分析方法，表达十分地清晰，随后大量的试验研究，再辅以数学上的分析方法，使得最后的数据结论成果，也更加逼近真实的工程。而数值模拟这一块研究，也开始得到广泛的应用。
国内外学者针对粗粒土与大三轴试验也进行了详细的研究：N.Casagli [8]通过取样处理的方法研究了Northern Apennines的滑坡坝材料粒度分布，主要的方法有图像处理技术和调查磁带，最后用图表的形式来对各级配进行了罗列。Ali Asghar Mirghasemi [9]对粗粒土做了直接剪切试验（对于样品采用了剔除法）随后分析了试验背后的微观力学现象。Dimitrios Zekkos;和Jonathan D. Bray[10]研究了城市固体废物在大三轴直剪试验中的排水效应，发现其应力-应变路径受到废物组成的显著影响，剪切应力在应变增加时继续增加。汪丁建，唐辉明[11]等在前人关于粗粒土试验与力学性质研究文献的基础上做了总结。石振明，赵晓伟，彭铭[12]概括和总结了粗粒土大三轴试验研究进展情况，认为粗颗粒土的大三轴试验还有待在高压、复杂应力状态、动荷载、数值模拟、不同应力路径以及应力历史等方面加深研究。
总结上述研究发现，学者们将重点放在了如土石混合体，砂砾石或其他堆积物的大型三轴试验上，分析其强度，变形。对于他们试验的方法和思路可以有很好的借鉴，但是少有学者将重点放在一些较为不规则级配的材料的力学试验上，且现实中的材料强度有很复杂的影响因素，因此可以考虑更多现实因素来探讨粗粒土材料在不同情况下的力学性质。
2大型三轴试验
2.1 大三轴试验目的
为了研究在不同级配（级配均匀，粒径缺失以及粗粒为主）、不同围压（100kPa，200kPa，400kPa）下堰塞坝坝体材料的力学特性，本研究开展了大型三轴试验，对不同工况下的石英砂试样的力学性质进行分析，得出其有效抗剪强度指标，值。
2.2 大三轴试验的仪器与试样
本次的研究采用广州大学的大型三轴试验机。该试验机可以进行试验的试样尺寸包括两种类型，分别为300×300mm和300×600mm。本实验中所采用的颗粒粒径级配曲线如图2.1所示，具体的试样为：粒径区间为40-20mm石英砂、20-10mm石英砂、8-4mm石英砂、5-3mm目石英砂、3-2mm石英砂、10-20目石英砂、20-40目石英砂、40-80目石英砂、80-120目石英砂、120-180目石英砂、200目石英砂。
图2.1 堰塞坝坝体材料颗粒粒径级配曲线
3. 试验结果分析
图3.1 级配均匀100kPa有效围压下加载过程的q -曲线（左），u-曲线（中），rp/pp-曲线（右）
对于各组试验的曲线，依次往下分析。对于级配均匀100kPa有效围压下加载过程的q -曲线，q代表偏应力，是和的差值，代表试样轴向应变，由于本次试验是应变控制，所以在横坐标上能清楚看到加载过程进行的完整阶段。偏应力q在整个加载阶段随着应变增加先上升后下降，最高点大约在轴向应变1%左右，即此时达到了最大值。而下降时候的斜率明显比上升阶段要小，曲线更加地平缓，总体呈应变软化的趋势。在u-曲线中可以看到随着应变的增加，孔隙水压力逐渐上升，但曲线逐渐平缓，有趋于稳定的迹象。从rp/pp-曲线中看到，除孔压有变化之外，围压先减后增，正常情况下，围压应该保持基本稳定。由于本组试验围压较小，所以变化幅度看上去较大，加载效果不是特别理想。级配均匀200kPa与400kPa时规律相似。
图3.2 粒径缺失100kPa有效围压下加载过程的q -曲线（左），u-曲线（中），rp/pp-曲线（右）
对于粒径缺失100kPa有效围压下加载过程的q -曲线，偏应力q在整个加载阶段随着应变增加先上升后下降，最高点大约在轴向应变0.1%左右，总体试样呈应变软化。在u-曲线中可以看到随着应变的增加，孔隙水压力逐渐上升，最终趋于平稳。从rp/pp-曲线中看到，围压稳定在360kPa左右。粒径缺失200kPa与400kPa时规律相似。
图3.3 粗粒为主100kPa有效围压下加载过程的q-E曲线（左），u-曲线（中），rp/pp-曲线（右）
对于粗粒为主100kPa有效围压下加载过程的q-ε曲线，偏应力q在整个加载阶段随着应变增加逐渐上升，没有峰值，试样呈硬化状态。在u-ε曲线中看到随着应变的增加，孔隙水压力先上升后下降，但是幅度比较小，在15kPa以内。从rp/pp-ε曲线中看到，围压稳定在350kPa左右。粗粒为主200kPa与400kPa时规律相似。
利用摩尔库伦定律，对各组砂土试样的有效应力进行计算后得到：
表3.1 各级配试样∮值及平均值
表3.2 各级配试样C'值及平均值
4. 总结
通过上述地分析和讨论，得出以下结论：
（1） 不同级配的试样具有不同变形特征，级配均匀和粒径缺失时，细粒相对比较多，加载时主要呈应变软化趋势；粗粒为主时，粗颗粒含量多，持水性差，加载时主要呈应变硬化趋势。
（2） 不同级配的试样力学，级配均匀和粒径缺失试样加载有应力峰值出现而粗粒为主没有应力峰值出现。
（3） 砂土只是按照摩尔-库伦理论来说不存在粘聚力，但实际上砂土也是存在粘聚力的，这个值相比于粘性土来说小得多。
参考文献
[1] 石振明,马小龙,彭铭等. 基于大型数据库的堰塞坝特征统计分析与溃决参数快速评估模型[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(9):1780-1790.
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[3] 王杨科,孙欢,代娇娇.我国堰塞湖溃坝特点及其防治[J].科技信息,2013(19):485-486+514.
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[7] 石振明. 堰塞坝坝体材料渗流特性研究现状及展望[A]. 中国地质学会工程地质专委会、中国地质环境监测院（国土资源部地质灾害应急技术指导中心）、山西省国土资源厅.2014年全国工程地质学术大会论文集[C].中国地质学会工程地质专委会、中国地质环境监测院（国土资源部地质灾害应急技术指导中心）、山西省国土资源厅:《工程地质学报》编辑部,2014:6.
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[11] 汪丁建,唐辉明,张雅慧,林成远,赵萌.粗粒土试验与力学特性研究现状[J].冰川冻土,2016,38(04):943-954.
[12] 石振明,赵晓伟,彭铭.粗粒土大三轴试验研究综述[J].工程地质学报,2014,22(05):792-796.