庫水位變動條件下三峽庫區復活型泄灘滑坡滑帶抗剪強度變化規律研究

戚　琦　房　浩　計博勛（.天地科技股份有限公司北京中煤礦山工程有限公司，北京　0003；2.中國地質環境監測院，北京　0008；3.北京師范大學水科學研究院，北京　00875；.北京星通聯華科技發展股份有限公司，北京　0092）

庫水位變動條件下三峽庫區復活型泄灘滑坡滑帶抗剪強度變化規律研究

戚琦1房浩2，3計博勛4
（1.天地科技股份有限公司北京中煤礦山工程有限公司，北京100013；2.中國地質環境監測院，北京100081；3.北京師范大學水科學研究院，北京100875；4.北京星通聯華科技發展股份有限公司，北京100192）

顆粒級配對于土體殘余抗剪強度變化特征影響顯著。本文以泄灘滑坡滑帶土為研究對象，人為配置不同顆粒級配在浸泡不同飽和時間條件下進行室內殘余剪切試驗。結果表明，顆粒級配對于試樣殘余抗剪強度及其參數影響顯著。不同粒組中，礫石組和粘粒組對于殘余抗剪強度的變化規律影響最大。土體殘余內摩擦角、內聚力與礫石含量呈正相關性；與粘粒含量呈負相關性。此外，飽和時間對于殘余抗剪強度也有顯著影響。飽和時間越長，殘余抗剪強度及其參數越小，其變化速率也隨之減小。飽和20天后，其數值趨于穩定。

殘余抗剪強度顆粒級配飽和時間

1　引言

三峽庫區在調度蓄水過程中，引起庫水位頻繁變化，誘發大量地質災害，滑坡便是其中最嚴重的一種。據不完全統計，三峽庫區在175m水位范圍內共有大小滑坡1190余個 ，各類變形體更是廣泛分布［1］。泄灘滑坡位于湖北省秭歸縣泄灘鄉長江左岸，為三峽庫區較為典型的滑坡體之一。泄灘滑坡中滑體結構松散、透水性強。水庫蓄水后，滑坡內地下水與庫水之間水力聯系密切，存在復活可能性。由于庫區岸坡物質復雜， 多為土石混合體，岸坡穩定性分析的強度取值較為困難，因此有必要就庫區顆粒級配對土體強度參數影響的規律性變化進行試驗研究。

大量研究表明，土的殘余強度受顆粒分布、界限含水率和礦物組成的影響較大［2］。早在上個世紀60年代，Skempton首次研究出粘土殘余內摩擦角隨粘土含量增加而減少［3］。相繼出現大量研究指出土的各種特征對于土體殘余強度的影響［4］，證實了細粒土的殘余抗剪強度與界限含水率和粘土含量密切相關，通常隨液限、塑性指數和粘土含量的增加而降低。

已有的研究成果，對于三峽庫區滑坡的穩定性分析及滲流分析較多［5］，但是對其滑帶土內部抗剪強度研究較少［6］，本文通過室內試驗，研究人為配置不同顆粒級配，浸泡不同飽和時間條件下泄灘滑坡滑帶土抗剪強度變化規律。

表1　三峽庫區泄灘滑坡滑帶原土樣的基本物理性質及粘土礦物含量

表2　三峽庫區泄灘滑坡滑帶原土樣的基本物理性質指標

表3　泄灘滑坡各級配不同飽和時間土樣的殘余抗剪強度參數

圖1　XT1、XT2各不同飽和時間條件下的抗剪強度包絡線

圖2　XT各相同顆粒級配條件下飽和時間和剪應力關系曲線

圖3　XT各顆粒級配條件下飽和時間和內摩擦角及內聚力的關系曲線

2　試樣及試驗方法

2.1土樣及試樣制備

試驗土樣采自三峽庫區泄灘滑坡的滑帶部位。該滑坡是代表滑帶切穿三疊系上統沙溪廟組、侏羅系下統桐竹園組軟硬相間的粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，石英砂巖強弱風化界面形成的大型滑坡。泄灘滑坡滑帶土基本物理性質如表1所示，其原狀滑帶土為粉質粘土，土石比7：3—8：2，滑帶呈可塑-軟塑狀，其主要粘土礦物為伊利石。

為模擬不同級配對試樣殘余強度的影響，本次研究采用干樣篩分方法 ，人為配制了4組具有不同顆粒級配的土樣。本次試驗以礫石含量和粘粒含量為主要指標，研究其抗剪強度的變化規律。配置方法是，將風干滑帶土樣分別過 2mm、0.075mm 兩組篩 ，取過篩后粒徑＞2mm、2～0.075m和＜0.075mm的風干土配制成不同土樣。土樣編號分別為 XT1、XT2、XT3、XT4。人工配置四類滑帶土各粒組含量如表2。四種土樣顆粒級配差異明顯。XT1～XT4的礫石含量逐漸減少，直至XT4的礫石含量為0；而XT1～XT4的粘粒含量逐漸增加。

2.2試驗儀器與試驗方法

本研究均采用美國Geocomp公司生產的全自動直剪和殘余剪試驗儀RSI ShearTrac-Ⅱ進行直剪反復剪，固結慢剪（即飽和排水慢剪）的方式來測定土樣的殘余抗剪強度。本次試驗中正應力選取為100、200、300、400 kPa，固結過程依據美國試驗和材料協會（ASTM）試驗規范（ASTM-D3080-98），采用的方法是固結從低荷載到高荷載，施壓從高荷載到低荷載，剪切施壓時從400kPa開始，依次卸載剪切。剪切過程中，為減少反復剪的次數，同時接近老滑坡已有滑面的真實情況，采用快剪剪出剪切面，此時剪切速率為14mm/min；回到初始位置后，再進行慢剪反復試驗，正剪切速率為0.02mm/min，負剪切（回剪）速率為0.6mm/min。

試驗前制備好的四組土樣XT1、XT2、XT3、XT4（各級配含量如表2所示），分別裝入剪切盒，每組6個土樣。分別浸泡不同飽和天數（1D、5D、10D、20D、30D、60D）進行固結慢剪。

3　結論分析與討論

通過直剪試驗，做出不同飽和時間下，各級配試樣的殘余抗剪強度包絡線，如圖1?？梢?，對于特定級配的試樣，隨著飽和時間的延長，各級壓力下的殘余強度都有所減小。 XT3和XT4的情況與之類似。

根據圖1殘余抗剪強度包絡線，可得到不同顆粒級配在不同飽和時間條件下的抗剪強度參數，見下表3。同殘余強度數值隨著飽和時間的變化規律一樣，殘余強度參數也隨著飽和時間增大而逐漸減小。同樣的飽和時間條件下，試樣殘余強度參數隨著粘粒含量的增加呈現明顯的下降趨勢。

4　結果分析

圖4　飽和1D時，各土樣殘余內摩擦角、內聚力與粒組含量關系

圖5　XT各顆粒級配條件下飽和時間和內摩擦角及內聚力變化幅度關系曲線

圖6　XT各顆粒級配條件下殘余內摩擦角和內聚力占總降低量的百分比與飽和時間關系曲線

從圖2中可以看出，對于同一種級配，隨飽和時間的增長，土樣殘余抗剪強度隨之減弱。且隨著飽和時間越來越長，其殘余抗剪強度降低幅度減弱，到了30天之后，趨近于水平。

圖3顯示，殘余內摩擦角及內聚力也都隨著飽和時間的增加而呈減小趨勢，在飽和20D之前變化趨勢較明顯，之后隨時間增長變化速率降低，直至變化趨勢近于水平。且在同一飽和時間狀態下，礫石含量越多，粘粒含量越少，其內摩擦角和內聚力越大。殘余內摩擦角的下降幅度在4～5°左右，內聚力的下降幅度在20Kpa左右。其變化幅度與飽和時間關系曲線如圖5所示。

圖4表示同一飽和時間條件下（1天），殘余強度、內聚力與粒組的關系曲線。可見礫石含量越多（粘粒含量越少），其殘余內摩擦角越大，內聚力亦越大。原因是由于粘土在礫石之間起了潤滑的作用，使得殘余內摩擦角隨著粘粒含量的增多而減小。由于礫石含量的增加， 相應地使土體的單位密度增大，顆粒之間的摩擦力作用隨之增大，土體的抗剪強度大幅提高。

以飽和1D各土樣為例（圖4），其殘余內摩擦角、內聚力都與礫石含量呈現顯著的正相關性，與粘粒含量呈負相關性。

圖5清晰地顯示出各種顆粒級配條件下，內摩擦角和內聚力的變化幅度特征。顆粒級配對于殘余內摩擦角的變化幅度的敏感性較弱；對內聚力變化幅度的敏感性較強。XT4較之其它土樣的內聚力變化幅度較大，XT3次之，其原因是粘粒含量具有較強的結構性，其含量的變化直接影響土樣的抗剪強度性質。飽和20D是曲線的一個拐點，在飽和20D之前，內摩擦角及內聚力的變化幅度都較大；在飽和20D之后，變化幅度減少，變化平緩。這一特點，可以通過圖6看出。

圖7　XT1試樣剪切前和飽和30D 、60D剪切后土樣顆分曲線對比圖

由圖6可以看出，在飽和20D時，多數試樣的降低程度都達到了總降低量的80%以上，飽和20D以后，變化程度明顯減小。

另外，取每組做完殘余剪切試驗剪切面附近的土樣做顆分試驗，并與之前未剪切試樣的顆分曲線進行對比分析，以下列舉個例曲線說明。如圖7。

由圖6可以看出，剪切后的試樣細粒土含量比剪切以前要大，這是由于XT1試樣礫石含量較多，浸泡長時間使試樣內部泥巖軟化，剪切過程中將其粉碎。且飽和30D和飽和60D剪切兩者顆分曲線相差不大。另外XT4剪切前后試樣顆分曲線相差不大，在此不據圖說明。

5　結論

（1）飽和時間對于殘余抗剪強度有明顯的控制作用。飽和時間越長，其殘余抗剪強度越小，并且隨著飽和時間的增長，殘余抗剪強度變化速率減小。

（2）對于同一飽和時間，同一顆粒級配的土樣，其正應力越大，殘余抗剪強度及其參數亦越大。

（3）顆粒級配對于土樣殘余抗剪強度及其參數有明顯的控制作用。土體殘余抗剪強度、殘余內摩擦角、內聚力與礫石含量呈顯著的正相關性，與粘粒含量呈負相關性。

（4）土樣殘余抗剪強度及其參數的變化幅度與顆粒級配關系密切。顆粒級配對于殘余內摩擦角的變化幅度的敏感性較弱；對內聚力變化幅度的敏感性較強。粘粒含量對于內聚力的變化幅度影響較大。

（5）剪切完成后，土樣的顆粒組成有明顯變化。細粒土較之剪切前增加，粗粒土減少。且隨著飽和時間的增長，其變化趨勢減弱。

［1］崔政權，曾新平.長江三峽工程庫區庫岸穩態及崩、滑體專論［R］.武漢:水利部長江水利委員會綜合勘測局，1996.

［2］Terzaghi， K.， Peck， R.B.， Mesri， G.， 1996. Soil Mechanics in Engineering Practice， 3rd edition. Wiley， New York. 549 pp.

［3］Skempton， A.W.， 1964. Long-term stability of clay slopes. G éotech-nique14（2），77-102.

［4］Skempton， A.W.， 1985. Residual strength of clays in landslides，folded strata and the laboratory. Géotechnique 35 （1）， 3-18.［5］魏進兵，鄧建輝，高春玉，等.三峽庫區泄灘滑坡非飽和滲流分析及滲透系數反演.巖土力學，2008， 29（8）:2262-2266.

［6］李興國，鄢重新.土的反復剪切及其殘余強度［J］.工程勘察，1984，3:55-58.

Particle size distribution has significant influence on the residual strength of soil. This study aims to investigate the particle size distribution effect on slip soils from XIETAN landslide by testing the residual strength of artificial specimens with diverse particle size distribution and different saturation time. It was found that the residual strength and its parameters of slip soils are remarkably affected by grain composition， particularly the gravel fraction and clay fraction. The residual friction angle （r’） and residual cohesion （cr’） of samples have a positive correlation with gravel fraction and a negative relationship with clay content. In addition， saturation time also has a marked impact on residual strength values of slip soils. The residual strength and parameters are continuously lowered with longer saturation time in a slower changing rate. However， strength values of slip soils appear stable after 20 days.

residual strength， grain size distribution， time of saturation

戚琦（1986—），男，遼寧營口人，碩士，助理工程師，主要從事水文地質、工程地質、環境地質研究。