不同含水率下滑帶土的力學特性研究

張小林,韓愛果,任光明

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

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不同含水率下滑帶土的力學特性研究

張小林,韓愛果,任光明

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

摘要：通過中剪試驗和側限壓縮試驗，研究同一干密度、不同含水率條件下滑帶土的抗剪強度、內聚力、摩擦系數和側限壓縮試驗中孔隙比、壓縮系數、壓縮模量的變化規律等。結果表明：隨著含水率的增加，抗剪強度呈線性減小，內聚力和摩擦系數減小，可用對數方程表示。孔隙比、壓縮系數和壓縮模量變化顯著，但敏感性有所不同。

關鍵詞：滑帶土；中剪試驗；側限壓縮試驗；含水率

滑帶土是滑坡物理力學作用(溫度、壓力、剪應力)和水—巖(土)化學作用的產物，存在于多數滑坡的滑床與滑體之間，其結構破碎、厚度不等使滑帶受力特殊和形成過程復雜，使得其結構特征和物理力學、地球化學等性質與滑坡體中其他部位的巖土體存在較大的差異[1-2]，并且成為滑坡中力學強度最低的軟弱帶。其力學特性一直是土力學與巖土工程領域的重要研究課題，與滑坡的發展變形、穩定性評價有著密切的關系[3-4]。因此，獲取正確可靠的滑帶土力學參數對準確預報滑坡地質災害及確定滑坡治理方案至關重要。西藏、青海等高海拔、高嚴寒、交通不便地區的工程項目,要采取原狀土進行室內試驗非常困難，要進行現場試驗更是需要很大的投資。所以，國內外對擾動滑帶土研究甚多，尤其是不同含水率下滑帶土的力學特性研究，取得了可喜的成果。如王海東等[5]使用WF循環單剪試驗系統研究了含水率對非飽和砂土力學特性影響，陳偉等[6]用室內三軸剪切試驗研究青海地區重塑黃土力學性能影響，Zhang Dingwen等[7]研究壓實非飽和土的模量與含水率關系,Athanasopoulos[8]對經過土工膜加固的高飽和度淤泥質黏土進行了大型直剪試驗研究, 分析了隨著剪應力的不斷增大，加固土剪切損傷變形行為以及土與土工膜間接觸摩擦力的發展變化過程，吳民暉等[9]利用側限壓縮固結儀研究了不同含水率重塑黃土變形特性分析，分析了含水率對于重塑黃土的變形影響。根據含水率對土力學特性影響的復雜性和試驗規模的大小在某種程度上影響到試驗成果的準確性。綜合考慮，本文采用室內試驗的方法，進行了同一干密度、不同含水率下的中剪試驗和壓縮試驗研究，著重研究了西藏芒康縣巴塘水電站一滑坡滑帶土力學特性，探討了滑帶土抗剪強度、內聚力、摩擦系數、孔隙比和壓縮模量等的變化規律，并為選擇適合的滑面強度參數、進行庫岸穩定性評價奠定了基礎。

1 試驗內容

試驗用土取自西藏芒康縣巴塘水電站一滑坡前緣鉆孔所揭露的巖芯，通過滑帶土顆粒分析知其物質成分為級配良好的含細粒土砂，其中小于0.075 mm的細粒含量占13.46%，2～0.075 mm的砂粒含量占58.00%, 2～20 m的礫粒占28.54%。圖1為中剪試驗和側限壓縮試驗用土的顆粒累積曲線，基本物理性質測試得滑帶土天然含水率7.95%，天然密度為2.11，液限32.13，塑限19.69，干密度1.95 g/cm3。

1.1 中剪試驗

按環刀容積(14 cm×15 cm×16 cm)及干密度，計算得到所需要的土質量和加水量，將稱取的土樣平鋪于搪瓷盤中，并將稱取好的水均勻噴灑于土樣中，充分拌勻后裝入盛土容器內蓋緊，潤濕24 h。根據環刀容積及干密度計算所需要的濕土，將盒底面墊上濾紙，在盒內側鋪薄紙板，采用擊樣法將土樣分三層裝入盒內，每層試樣裝填儀器高度的1/3，逐層搗實。依次試樣頂部放上濾紙、試樣蓋板、滾珠軸承，將水平加載系統前板緊貼下剪切盒推板。設計8.27%、10.43%、12.60%、14.96%、16.73%等五組試樣，每組5個樣，垂直壓力分別為2.789、5.64、8.5、11.35、14.26 kPa。分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪應力，求得破壞時的剪切應力，試驗結果如表1所示。

表1 不同含水率下對應的抗剪強度指標

1.2 側限壓縮試驗

將土烘干，篩選小于2 mm的擾動土做高壓固結試驗，設計7.98%、16.41%，18.56%、24.31%、28.00%、31.35%等6種不同含水率試樣，結合壓縮固結試驗的要求，施加1 kPa的預壓力使試樣與儀器上下各部件之間接觸，將百分表調整到測讀初始讀數，然后施加壓力等級為12.5、25、50、100、200、300、400、800 kPa。試驗采用慢速固結穩定的方法，即施加每級壓力后24 h記錄百分表讀數，研究不同含水率對滑帶土的變形影響。

2 試樣結果整理與分析

2.1 含水率對滑帶土抗剪強度的影響

圖2給出了6條不同含水率下滑帶土抗剪強度的試樣曲線，可見滑帶土的抗剪強度值與正應力均表現出良好的線性關系，用摩爾庫倫關系式進行描述如下：

τ=σtanφ+c

(1)

式中:τ為剪應力；σ為正應力；c為粘聚力；φ為內摩擦角；摩擦系數f=tanφ。

從圖2可以看出，滑帶土的抗剪強度隨著含水率的增加而整體下降，這是由于隨著含水率增加，土顆粒之間的膠結物質開始迅速溶解，抗剪強度減小。

2.2含水率與內聚力和摩擦系數的關系

滑帶土的內聚力和含水率的關系如圖3所示，從圖中和表1可以看出，內聚力隨著含水率增加而減小。現有的文獻資料中對粘聚力多采用指數擬合和對數擬合[10]，為了使擬合結果相關性更高，本文用對數來進行回歸分析，得到如下關系式：

C= -56.32ln(w) + 184.65R2= 0.977 8

(2)

滑帶土的摩擦系數隨著含水率的變化如圖4所示，其隨著含水率的增大而減小，得到如下回歸方程式：

f= -0.358 ln(w) +1.310 9R2= 0.957 8

(3)

根據滑帶土的天然含水率為7.95%，將其帶入公式(2)、(3)，即可求出天然狀態下滑帶土的摩擦系數為0.569，內聚力為67. 89 kPa, 該滑坡滑帶土天然狀態下具有較高的強度參數值。

2.3 含水率對滑帶土變形參數的影響

文獻資料顯示，e-p曲線近似于對數曲線，而去掉0點后則擬合效果明顯改善[11]。根據不同含水率，得到曲線如圖5。不同含水率下孔隙比與垂直壓力的關系式如表2。

表2 不同含水率下孔隙比與垂直壓力的關系式

含水率w/%孔隙比與垂直壓力關系式相關系數R27.98e=-0.025ln(w)+0.38760.973416.41e=-0.032ln(w)+0.39890.920718.56e=-0.037ln(w)+0.42340.946224.31e=-0.038ln(w)+0.40290.973028.00e=-0.041ln(w)+0.40620.960231.35e=-0.045ln(w)+0.38270.9357

從圖5和表2可看出，試樣在同一干密度1.95 g/cm3下初始孔隙比都為0.37左右，隨著含水率的增加，e-p曲線變化明顯，尤其是在接近液限(含水率31.35%)時，壓縮曲線急劇下降，若用公式e=Aln(w)+B來表示曲線情況，可明顯看出A隨含水率增加整體下降，B>0。并根據實驗數據，得垂直壓力12.5～800 kPa內滑帶土的壓縮系數、壓縮模量變化如表3。

從表2中可以看出，土樣含水率在天然狀況下時，壓縮系數較低，土體表現出了較低的壓縮性，此時土樣具有較高的強度，與之前算出的天然狀況下摩擦系數為0.569，內聚力為67.89 kPa可相互印證。由于壓縮模量是在側限條件下豎向壓應力與豎向總應變之比，可得壓縮系數愈小，壓縮模量Es愈大，圖6、圖7是壓縮模量、壓縮系數與含水率關系曲線，從中可看出，含水率在12.5 kPa時，壓縮模量隨著含水率的增大而先減小后增加，又緩慢減小，在25～300 kPa時，壓縮模量隨含水率的增加，其變化幅度較大，說明不同壓力下含水率增加可降低土體的壓縮性，尤其是在400～800 kPa時隨含水率增大壓縮模量變化更是顯著。

表3 不同含水率下壓縮系數及壓縮模量隨壓力的變化

3 結論

1)抗剪強度、內聚力和摩擦系數隨著含水率的增加而減小。其中內聚力C=-56.32ln(w)+184.65，摩擦系數f=-0.358 ln(w)+1.310 9，只需采取少量土樣測得天然含水率，就能推算出天然含水率下滑帶土的黏聚力、內摩擦角。

2)土樣含水率由低變高，垂直壓力較小時，壓縮模量先減小后增加再減小。隨著垂直壓力增大，壓縮模量變化越來越明顯，而壓縮系數與壓縮模量相反。

3)初始孔隙比都為0.37，e-p曲線隨著含水率的增加變化明顯。很多水電站滑坡受現場勘探工作量的控制，不能獲得較系統的深部土樣進行試驗，需取接近液態時試驗做高壓固結試驗。

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(責任編輯李軍)

Study on mechanical properties of sliding zone under different water contents

ZHANG Xiao-lin, HAN Ai-guo, REN Guang-ming

(State Key Lab. of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University Of Technology, Sichuan Chengdu 610059,China)

Abstract：Through the shear test and the confined compression test, this paper studied the change rule of the shear strength of soil, cohesion, friction coefficient and confined compression test of void ratio, compression coefficient and compression modulus under the condition of same dry density and different moisture content. Results show that with the increase of moisture content, the shear strength linearly decreases, and cohesion and friction coefficient decreases, which can be expressed by logarithmic equation. Void ratio, compression coefficient and compression modulus changes significantly, but the sensitivity is different.

Key words：sliding zone; shear test; confined compression test; water content

中圖分類號：TU432

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0096-04

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.021

作者簡介：張小林(1990-)，女，四川古藺人，碩士，主要研究方向為地質工程

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41072229)

收稿日期：2015-10-14