強風化砂巖夾板巖重塑土的剪切強度特性

韓雪梅，楊建英?，辜再元，張華，白麟，駱漢

(1.水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室 北京林業大學水土保持學院，100083，北京;2.北京綠之源生態科技有限公司，100083，北京)

在工程實踐中，計算地基承載力、評價地基穩定性、計算擋土墻的土壓力、評價堤壩、基坑和天然土坡等的邊坡穩定性以及會否產生滑坡裂縫時，都要用到土的抗剪強度指標［1－2］。剪切現象隨處可見，剪切變形引起的危害也不容忽視。由于剪切作用，巖石的變形隨時間增大，強度逐漸降低，甚至導致非常嚴重的破壞。目前，國內外關于單種巖石剪切強度特性的研究有很多，也取得了頗豐的成果［3－9］，分別對泥質板巖、風化泥質板巖、砂巖、變質砂巖、碳質板巖等巖類進行了研究;然而，國內外有關2 種或2 種以上巖石互層結構剪切強度特性的研究工作則相對較少，事實上，巖性、含水率和干密度對剪切強度特性有很大的影響。大量的工程實踐及室內試驗［10－11］都表明，對于軟弱巖石如本文中研究的強風化砂巖夾板巖，地層巖性結構特殊，含膨脹性黏土礦物，質軟，遇水易泥化，其構成軟硬相間的易滑地層組合，抗剪強度極低;因此，研究強風化砂巖夾板巖重塑土的剪切強度特性，對于邊坡穩定性分析、邊坡防護與復綠設計具有極其重要的意義。

1 研究區地質環境特征

在太湖周圍坐落有72 山峰，雪浪山為其中的第8 峰，位于蘇州—無錫—常州平原區中部，為丘陵型山峰，自然坡角25°左右，峰頂海拔約100 m。以東為廣闊的平原區。無錫處于亞熱帶氣候區，雨量豐沛，風化作用強烈。

構成雪浪山的地層巖性為泥盆系灰白色變質石英砂巖夾板巖。砂巖單層厚0.5 m 左右，質地堅硬，性脆，含鐵質。板巖單層厚0.1 ～0.3 m，含白云母，呈灰白色，局部層位呈深灰色，風化后呈黃綠色或黃褐色，含膨脹性黏土礦物，質軟，遇水易泥化，砂巖與板巖構成軟硬相間的易滑地層組合。

地層向東傾斜，代表性產狀為100°∠23°。無錫雪浪山從20 世紀70 年代初即開山取石，迄今已有40 年歷史，2004 年關停了該采石場，并進行復綠。開挖后的邊坡坡角一般在25°以上，因此A 段邊坡主要是切層邊坡，即易滑邊坡。大滑坡具有多年的滑動歷史，70 年代初，采石引起滑坡，壓埋了坡腳工棚，填埋了下方水塘，2005 年1 月5 日和1 月29 日的2 次降雨均引起了滑動。研究區平面圖如圖1 所示，滑坡縱剖面圖如圖2 所示。

圖1 無錫市濱湖區雪浪山平面圖Fig.1 Plan view of Xuelang Mountain by Binhu District of Wuxi City

圖2 無錫市濱湖區雪浪山采石開挖邊坡滑坡縱剖面圖Fig.2 Longitudinal plan of quarrying rock slope excavation landslide of Xuelang Mountain by Binhu District of Wuxi City

2 材料與方法

2.1 試驗使用儀器

試驗儀器采用TSZ－1 型應變控制式三軸儀，此三軸儀按照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》［12］設計制造，用于測定土樣在等應變加荷方式下土體的抗剪強度、變形特性和空隙水壓力。根據土樣固結排水條件和剪切時的排水條件［13－14］，常規的三軸壓縮試驗分為3 種:不固結不排水剪試驗，簡稱UU 試驗;固結不排水剪試驗，簡稱CU 試驗;固結排水剪試驗，簡稱CD 試驗。該儀器可以進行UU、CU 和CD 等剪切試驗，試件尺寸為39.1 mm×80 mm，電動控制剪切速率。應變控制方式由單片機控制，實現無級變速;周圍壓力和反壓力由單片機自動控制。該機具有操作方便、結構緊湊等特點。

2.2 試驗方法選擇

常規三軸剪切試驗儀是土工實驗室中最主要的儀器［15］，其各方面性能比較完善，試驗方法及其理論也很成熟。國內外學者［16－18］對土的三軸剪切試驗進行了很深入的研究，它不僅可以控制排水條件，而且可以測量土體內的孔隙水壓力，應力條件比較明確和應力均勻，在受力條件上，屬于三維受力狀態，接近土體的“真實”受力狀態。本試驗所選地區的滑坡主要是由采石導致土體松動以及降雨引起的，因此采用三軸UU 剪切試驗可以更好地模擬實際情況。

本試驗土樣物理性質指標的測定方法均參照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》，采用比重瓶法測定相對密度，液、塑限聯合測定法測定液、塑限，顆粒分析試驗采用篩析法［12，19］。運用X 線衍射分析技術對試樣的礦物學性質進行了考察［20］。

2.3 重塑土取樣及試樣制作

2.3.1 重塑土取樣 把土工試驗室常用的直剪儀環刀(直徑61.8 mm)帶到滑坡現場，選擇滑帶土較厚的部位(厚度＞2 cm)，沿滑帶土上方剝離出能安放5 個環刀的平臺(約30 cm2)，將環刀刃口向下擺放在平臺上，并且使環刀的編號正對主滑方向，然后將普通磚刀平放在環刀上，用錘子輕擊磚刀，將環刀垂直壓入滑帶土中。滑帶土一般呈軟塑狀，很容易壓入。若遇到石頭則難以壓入，需重新選擇位置安放。將環刀全部壓入后，從環刀下方3 ～5 cm 處，將磚刀水平打入，把環刀連同滑帶土一起鏟起，裝入塑料袋包裹密封，放入收納箱內送入試驗室［21］。按照這種取土方法，分別從滑坡體邊界、滑動面、剖面3個位置進行了取土。

2.3.2 試樣制作 將風干土樣放在橡皮板上用木碾碾散后通過2 mm 的篩，取篩下土，根據試驗所需土樣和含水率，加適量水后密封靜置24 h，再將一定量的濕土分3 層倒入裝有環刀的擊實器內，擊實至所需密度［19］。本次試驗根據液塑限試驗結果，并考慮制備土樣的可行性，選取了含水率為15%、20%和25%3 個級別，并選取干密度為1.75 和1.85 g/cm32 個級別，在相同條件下探索滑動層土體的抗剪強度特性，實驗重復3 次。

3 結果與分析

3.1 重塑土樣基本物理性質

土體的物理性質與土體的成因有著密切的關系，強風化砂巖夾板巖地層巖性特殊，通過室內試驗，確定了重塑土樣的類型及其他物理性質指標值［22－23］，見表1。

表1 重塑土樣的物理性質指標Tab.1 Physical property index of remolded soil samples

重塑土樣的礦物成分見表2，單種巖石砂巖質地堅硬，性脆，其主要成分為:石英成分為52.0%以上、黏土15.0%左右、針鐵礦18.0%左右、其他物質10.0%以上;單種巖石板巖中一般不含有礦物。由表2 可以看出強風化砂巖夾板巖黏土礦物總量為72.0%，遠遠高于單種巖石砂巖的黏土質量分數，但其石英質量分數僅為28.0%，而單種巖石砂巖的石英成分為52.0%以上。砂巖夾板巖互層層理發育，易風化，特別是遇水風化為軟弱夾層，構成了滑坡體的滑動面［24］。

表2 重塑土樣的礦物成分Tab.2 Mineral composition of remolded soil samples

3.2 不固結不排水剪切試驗成果

表3 是主應力差、圍壓、含水率和干密度兩兩變量間的Pearson 相關系數值以及相伴概率值。由此表可知:強風化砂巖夾板巖重塑土樣的不固結不排水剪切試驗的主應力差與圍壓的相關系數為0.520，其顯著性水平P=0.027 ＜0.05，二者關系顯著，成正相關關系，即主應力差隨著圍壓的增大而增大;主應力差與含水量的相關系數為－0.796，顯著性水平P=0.000 ＜0.001，二者關系極顯著，成負相關關系，即主應力差隨著含水率的增大而顯著減小;主應力差與干密度的相關系數為0.136，顯著性水平P=0.590 ＞0.05，二者幾乎沒有任何關聯性，即主應力差的大小與干密度的變化沒有關系。

表3 主應力差與圍壓、含水率、干密度的相互關系Tab.3 Correlations of principal stress deviator and confining pressure，moisture content，dry density

3.3 重塑土樣的黏聚力、內摩擦角與含水率的關系

表4 示出黏聚力、內摩擦角和含水率兩兩變量間的Pearson 相關系數以及相伴概率。可以看出:當干密度分別為1.75 和1.85 g/cm3時，強風化砂巖夾板巖重塑土樣的黏聚力與含水率的相關系數為－0.965，其顯著性水平P=0.002 ＜0.05，二者關系顯著，成負相關關系，即黏聚力隨著含水率的增大而減小;內摩擦角與含水率的相關系數為－0.919，顯著性水平P=0.01 ＜0.05，二者關系顯著，成負相關關系，即黏聚力隨著干密度的增大而減小。

通過三軸UU 剪切試驗，當干密度固定不變，分別為1.75 和1.85 g/cm3，隨著設定的含水率為15%、20%和25%時，得到了黏聚力與含水率的關系曲線(圖3)，其關系曲線均趨向于二次多項式。當含水率為15%和25%時，干密度為1.85 g/cm3的土的黏聚力大于干密度為1.75 g/cm3的土的黏聚力;但含水率為20%時，干密度為1.85 g/cm3的土的黏聚力小于干密度為1.75 g/cm3的土的黏聚力。

表4 黏聚力、內摩擦角與含水率的相互關系Tab.4 Correlations of cohesion，internal friction angle and moisture content

圖3 重塑土樣的黏聚力和含水率關系Fig.3 Relation curves of cohesion and moisture content of remolded soil samples

表5 是含水率和干密度的交互作用(含水率*干密度)檢驗［25］分析表。可以看出:含水率的顯著性水平P=0.000 ＜0.001，說明含水率是極顯著的，即含水率不同對黏聚力和內摩擦角產生極顯著影響;而干密度的顯著性水平P=0.004 ＜0.05，含水率*干密度的顯著性水平P=0.001 ＜0.05，說明含水率和干密度交互作用的影響是顯著的。

粉質黏土黏聚力取決于土粒間各種物理化學作用力，包括庫倫靜電力、范德華力、膠結作用力，等等［26］。對于粉質黏土，土顆粒間的結合水對黏聚力的產生有著重要作用。隨著含水率的增加，土粒表面結合水膜增厚，粒間距離增大，連接力減弱，反映在宏觀上就是黏聚力減小［27］。對于滑動面土層，土粒間原有結構被破壞了，這就更進一步削弱了其黏聚力，導致土的強度迅速減小。

表5 含水率與干密度的交互作用檢驗Tab.5 Tests of between－subjects effects of moisture content and dry density

圖4 為強風化砂巖夾板巖內摩擦角與含水率的關系曲線，其關系曲線均趨向于二次多項式。當干密度分別為1.75 和1.85 g/cm3時，強風化砂巖夾板巖隨著含水率從15%增加到20%時，內摩擦角均顯著減小;當含水率為20%時，2 個密度級下的內摩擦角相等;當含水率從20%增加到25%時，干密度為1.75 g/cm3的重塑土的內摩擦角依舊顯著減小，而干密度為1.85 g/cm3的重塑土的內摩擦角減小趨于平緩，僅減小了0.1°。內摩擦角的減小同樣削弱了粉質黏土的剪切強度。

圖4 重塑土樣的內摩擦角和含水率關系Fig.4 Relation curves of internal friction angle and moisture content of remolded soil samples

土的內摩擦角與土的顆粒結構、大小、形狀及密實度相關:相同密實度的黏性土塑性指數越小，內摩擦角越大;塑性指數一樣的黏性土，密實度越大，內摩擦角也越大［27］。

試驗原料為太西無煙超低灰純煤和粘結劑；試驗設備主要包括磨粉機、除塵器、輥式壓塊機、粉碎機、整粒機、直線篩、振動給料機、炭活化一體爐等。太西無煙超低灰純煤的工業分析與元素分析見表1。

綜上所述，當干密度分別為1.75 和1.85 g/cm3時，強風化砂巖夾板巖的抗剪強度是隨著的含水率的增加而減小的。

3.4 重塑土的黏聚力、內摩擦角與干密度的關系

通過三軸UU 剪切試驗，當含水率固定不變分別為15%、20%和25%，當設定的干密度為1.75 和1.85 g/cm3時，得到了黏聚力與干密度的關系圖(圖5)，內摩擦角與干密度的關系圖(圖6)。

圖5 重塑土樣的黏聚力和干密度關系Fig.5 Relation schema of cohesion and dry density of remolded soil samples

圖6 重塑土樣的內摩擦角和干密度關系Fig.6 Relation schema of internal friction angle and dry density of remolded soil samples

由圖5 可知:當含水率為15%和25%時，強風化砂巖夾板巖在干密度為1.75 g/cm3的黏聚力均小于干密度為1.85 g/cm3的黏聚力;但當含水率為20%時，干密度為1.75 g/cm3的黏聚力大于干密度為1.85 g/cm3的黏聚力。這種狀況的出現說明影響強風化砂巖夾板巖黏聚力的界定值應該為含水率20%左右的一個值。

由圖6 可知:當含水率為15%和25%時，強風化砂巖夾板巖在干密度為1.75 g/cm3的內摩擦角均小于干密度為1.85 g/cm3的內摩擦角;但當含水率為20%時，干密度為1.75 g/cm3的內摩擦角與干密度為1.85 g/cm3的內摩擦角相等。由此進一步論證了含水率20%極有可能就是一個界定值，在這個界定值下，強風化砂巖夾板巖當干密度為1.75 g/cm3和1.85 g/cm3時，內摩擦角恒定不變，始終為3.4°。

4 結論與討論

1)無錫雪浪山強風化砂巖夾板巖的抗剪強度指標受含水率的影響顯著。隨著含水率的增加，土粒間黏結力逐漸削弱，抗剪強度指標明顯減小。當含水率從15%增加到25%，且當干密度為1.75 g/cm3時，黏聚力減小8.5 kPa，內摩擦角減小3.2°;當含水率從15%增加到25%，當干密度為1.85 g/cm3時，黏聚力減小10.8 kPa，內摩擦角減小2.6°。

由于本文進行三軸UU 剪切試驗次數有限，在今后試驗研究中，應選擇增加試驗次數以及增加剪切試驗方法進行剪切試驗，同時應選取當地原狀土進行剪切試驗對比，從而更加清晰地了解影響強風化砂巖夾板巖剪切強度指標的因素。

實驗及成文得到了趙廷寧、周德培、張加桂、冀曉東等老師的大力支持與幫助，在此深表謝意!

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