剪切方式對重塑黃土殘余強度的影響

2018-02-13 07:45:00駱亞生

水土保持通報 2018年6期

王煒, 駱亞生

(1.山西農業大學城鄉建設學院，山西太谷 030801； 2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100)

滑帶土隨著滑坡的發生而形成并發展，是滑坡的重要組成部分[1]，從滑帶土角度對滑坡進行研究有重要的意義[2]，因此要從多方面對滑帶土進行研究，目前地質方面的研究已有不少成果[3]，滑帶土強度特性的研究是滑坡研究中最重要的內容，自1964年Skempton[4]提出殘余強度后，滑坡土體的強度研究便為以殘余強度為主。殘余強度的獲取方式較多，主要包括反分析評價法[5]、數值模擬法[6-8]，以及試驗測算[9]。李妥德[9]總結指出殘余強度的測試途徑主要包括：大位移剪切、預制切面剪切和沿天然剪切面剪切，主要的試驗儀器有：環剪儀、應變式直剪儀、三軸儀和現場大面積剪切儀。環剪儀的剪切過程為空心扭轉，其優點在于剪切過程中剪切面面積穩定、面上應力均勻分布[10]，試樣可以沿著一個方向連續剪切，且有效法向應力、剪切速率都可控制，因此扭轉剪切測得的殘余強度準確率高[11]，能較好地模擬滑坡[12-13]。黏土的殘余強度研究成果較多，而黃土作為一種特殊性質的土體，再加上滑帶土的重要性及特殊性[14-15]，且土在不同剪切方式下的應力—應變狀態和強度指標存在差異[16]。

為了了解土體在不同剪切方式下的應力—應變狀態及強度指標、變形特性等問題，本文采用HJ-1型環剪儀，對重塑黃土進行了環剪試驗，探究其峰值強度、殘余強度及變形規律，為黃土滑坡工程評價及治理提供科學依據。

1 環剪試驗

1.1 試驗儀器與土樣

本試驗所用試驗儀器為HJ-1型環剪儀。該儀器主要用于測量土的殘余強度，提供的最大法向應力為900 kPa，最大扭矩值為300 N·m，剪切速率為3.00×10-6～2.10×10-2r/min，可以設置有效法向應力和剪切速率，根據試樣沉降或固結時間來控制固結過程，試驗中可記錄一系列的角位移θ，扭矩M，試樣沉降量及試驗時間t。

本試驗所用土料取自涇陽縣太平鎮崔師某磚窯，取土的縱向深度約4.0 m，屬于晚更新世馬蘭黃土，顯棕黃色，其主要的物理指標詳見表1。原狀土取樣難度大，運輸保存容易受干擾，而土體的初始結構、應力歷史對其殘余強度無影響[17]，故試驗采用重塑試樣。制備過程為將土樣烘干碾碎、過2 mm的土工篩，噴灑試驗設定含水率所需的水量，并且讓水與土進行24 h以上的充分混合，制備成尺寸為φ100 mm(外徑)×φ60 mm(內徑)×20 mm(高)，密度為1.52 g/cm3的試樣。根據計算得試樣的面積為50.27 cm2，試樣平均直徑為8.17 cm。

表1 試驗土料基本物理指標

1.2 試驗原理

剪切過程中，上剪切盒與扭矩荷重帽固定，剪切盒中的試樣隨著下剪切盒以剪切速率旋轉，在剪切力的作用下，試樣產生剪切裂紋、逐漸形成剪切面，最后達到剪切破壞。由于環剪儀的特點，剪切過程中剪切面上正應力和剪應力近似認為均勻分布，由于試樣寬度較小，一般采用平均剪應力τ和平均剪切位移S，這2個量可以通過扭矩M和角位移θ計算求得，其中扭矩M由扭矩顯示器讀取，角位移θ等于下剪切盒的旋轉速率υ2與剪切時間t的乘積。

(1) 平均剪應力τ:

(1)

(2) 平均剪切位移S：

(2)

式中：r1——試樣圓環內半徑(cm)；r2——試樣圓環外半徑(cm)；υ2——下剪切盒轉速(轉/min)；Dm——試樣平均直徑；t——扭轉剪切歷時(min)。

1.3 試驗方案

環剪儀的剪切方式主要分為[5]：單級剪切試驗、預剪試驗和多級剪切試驗。本次試驗采用的剪切方式為單級剪與多級剪。具體試驗方案詳見表2。

表2 重塑黃土的環剪試驗方案

2 結果與分析

2.1 單級剪試驗結果

為探究有效法向應力對黃土強度的影響，取不同含水率13%，16%，19%，22%的試樣，在同一剪切速率下進行單級環剪試驗，得出的剪應力—剪切位移曲線如圖1所示。

由圖1可知，隨著剪切位移的增加，土體的強度迅速增加，且有效法向應力越大，強度增加越快，表現為土體強度曲線斜率與有效法向應力呈正相關。土體強度達到峰值強度后，大多出現了強度的軟化，而較小有效法向應力(100 kPa)下的強度軟化要明顯于較大有效法向應力(300 kPa)下的軟化現象。隨著剪切位移的持續增加，土體的強度逐漸穩定，達到殘余強度。土體的峰值強度隨著有效法向應力的增加而增加，因為垂直壓力較大時，土體的結構變密實，土顆粒更容易形成次生結構。而殘余強度隨著有效法向應力的變化規律與峰值強度相同，且有效法向應力較大時，達到殘余強度所需要的剪切位移較小，因為有效法向應力越大，土樣內部的孔壓越小，土體顆粒間的摩擦作用越大，內部結構更容易破壞，進而沿著剪切方向形成剪切面；相反有效法向應力較小時，試樣土顆粒之間的膠結強度變化很小，起主要作用的是黏聚強度，而達到殘余強度時，黏聚強度顯著減小[18]。所以強度軟化現象在低有效法向應力時表現明顯，而高有效法向應力時表現不明顯或呈現弱硬化。由圖1還可看出，含水率為19%試樣在有效法向應力300 kPa及含水率為22%的試樣強度曲線為弱硬化，其原因可能是高含水率的試樣在剪切過程中，由于土體排水的過程中攜帶了部分土顆粒，這部分土顆粒隨著下剪切盒的旋轉，被擠壓到剪切盒之間增大了摩擦造成了誤差[19]。

圖1 重塑黃土單級剪切試驗剪應力-剪切位移關系曲線

2.2 多級剪試驗結果

圖2所示為不同含水率試樣在同一剪切速率下的多級剪切應力—剪切位移關系曲線。從圖2可知， ①第一級剪切實質上就是單級剪切，隨著剪切位移的增加，土體迅速達到峰值強度，之后逐漸減小，趨于穩定時達到殘余強度，這時已形成剪切面，總體上呈現應變軟化型； ②在新的固結荷載作用后，繼續進行環剪試驗，土體強度的變化規律與第一級荷載作用時的規律相似，總體上各級荷載作用下的峰值強度、殘余強度均較前一級的有明顯提高，這是因為較大的有效法向應力將土體擠密壓實，土顆粒之間形成新的較大的黏結結構，故其峰值強度、殘余強度都變大； ③試樣所受的有效法向應力越大，達到殘余強度所需的剪切位移越小，但峰值強度與殘余強度之間的衰減越不明顯，因為第一級荷載作用后，土顆粒完成定向排列，顆粒之間的摩擦咬合作用減弱，土體越容易達到殘余強度。

圖3為試樣多級剪切的沉降位移—剪切位移曲線。由圖3可知，沉降位移與分級荷載呈對應關系，第一段實質是單級剪切的沉降位移—剪切位移曲線。初始階段，土體在較小有效法向應力作用下由于剪脹作用導致沉降位移變化明顯，隨著剪切位移的增大，沉降位移逐漸穩定，試樣達到殘余強度。由圖3可知，試樣最大的沉降位移為3 mm，即試樣高度的15%。土體的沉降位移隨有效法向應力的增加而增大；圖3中低有效法向應力下土體沉降規律明顯，高有效法向應力下土體沉降無明顯規律。在低有效法向應力作用時，土體沉降的主要控制因素為有效法向應力；而有效法向應力較大時，沉降的控制因素變為含水率和有效法向應力的共同作用。對比圖2和圖3可知，沉降位移表現出明顯的階段性，即初始剪脹階段、顆粒運移壓密階段、穩定壓密階段[20]。初始剪脹階段：土體前期結構遭到破壞，顆粒之間的摩擦、搓揉作用較大，土顆粒重新分布并形成穩定的排列，土體形成裂縫和剪切面，這一階段剪應力急劇增大；顆粒運移壓密階段：隨著剪切位移的增加，部分土顆粒被碾碎，增加了土體中細顆粒的比例，剪切面附近的粗顆粒向上下運移，扭剪作用使水分移動過程中攜帶了部分的細顆粒，促使剪切面附近的土顆粒形成定向排列。剪切過程中，儀器開合剪切縫不密封，試樣剪切面的土顆粒隨著環剪過程被擠出剪切盒，試樣沉降位移也會變大；在穩定壓密階段：細粒土為主的剪切面上，土顆粒沿著剪切方向形成定向排列，試樣沉降穩定，強度也達到殘余強度。

圖2 重塑黃土多級剪切試驗剪應力-剪切位移關系曲線

圖3 不同含水量下的沉降位移-剪切位移關系曲線

2.3 殘余強度結果比較

由表3可知，殘余黏聚力比峰值黏聚力顯著減小，而殘余內摩擦角較峰值內摩擦角略小，這是因為達到殘余強度時，土體內部的黏聚作用明顯降低。相同法向應力下，單級剪的殘余強度指標與多級剪的殘余強度指標的均值相差不多。分析不同剪切方式下殘余強度指標差異的原因有兩點，一是孔隙水壓力在多級剪中消散較慢，土粒在前期已定向排列；二是由于多級剪試驗中試樣受到多次剪切后，剪切帶上會擠出一些土顆粒到儀器的剪切縫中，這樣上下剪切盒之間的摩擦增大，影響了試驗結果。所以剪切方式的不同，對殘余強度參數的測定造成影響。工程實踐中為確保安全，在選擇剪切方式的時候應該首選單級剪切。