滑帶土的環(huán)剪試驗(yàn)研究

符飛

摘 要：以黃土坡滑坡滑帶土為研究對(duì)象，采用環(huán)剪儀研究了天然含水率的滑帶土在不同法向應(yīng)力與剪切速率下的抗剪強(qiáng)度特性。試驗(yàn)結(jié)果表明： 滑帶土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨著法向應(yīng)力的增大而增大，并呈現(xiàn)出較強(qiáng)的線性關(guān)系； 0. 1 ～ 10mm / min 范圍內(nèi)的剪切速率對(duì)滑帶土的殘余剪切強(qiáng)度影響不明顯，變化幅度在 ± 6% 以內(nèi)； 但剪切速率越大，滑帶土需要更多的變形以達(dá)到殘余強(qiáng)度； 隨著剪切速率地增大殘余黏聚力不斷地減小，殘余內(nèi)摩擦角逐漸地增大，峰值強(qiáng)度及峰值黏聚力、內(nèi)摩擦角均增大。

關(guān)鍵詞：環(huán)剪試驗(yàn)；抗剪強(qiáng)度；法向應(yīng)力；剪切速率

滑帶土是滑坡的重要組成部分，與滑坡的發(fā)展變形有著密切的關(guān)系[1]，開(kāi)展對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度特性的研究，可為滑坡的穩(wěn)定性分析與防治提供重要的力學(xué)參數(shù)和理論依據(jù)，對(duì)于揭示滑坡發(fā)生機(jī)制以及演化機(jī)理等具有重要意義[2]。不同于常規(guī)直剪儀和三軸儀，環(huán)剪儀可在試驗(yàn)過(guò)程中保持剪切面面積不變和試樣在連續(xù)的位移條件下進(jìn)行剪切，且能動(dòng)態(tài)控制法向應(yīng)力和剪切速率等條件[3]。因此，環(huán)剪儀已被廣泛用于大剪切位移條件下的滑帶土殘余強(qiáng)度特性研究，在應(yīng)變軟化研究方面的作用也越來(lái)越重要。

本次試驗(yàn)以三峽庫(kù)區(qū)黃土坡滑坡滑帶土為研究對(duì)象，利用環(huán)剪儀，研究了法向應(yīng)力和剪切速率對(duì)滑 帶土抗剪強(qiáng)度特性的影響作用。

1滑帶土

本次試驗(yàn)用滑帶土呈黃褐、灰褐色，結(jié)構(gòu)稍密 ～ 密實(shí)，土體呈可塑 ～ 硬塑狀，物質(zhì)成分主要為粉質(zhì)粘土夾碎石。天然含水率為 15. 97% ，天然密度為2.03 g /cm3，其中粒徑在 0. 075 mm 以下的顆粒含量約為 45. 21% 。

2環(huán)剪試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)儀器試驗(yàn)采用德國(guó) Wille GeoteChni 公司生產(chǎn)的ARS 自動(dòng)閉合回路控制環(huán)剪儀。

該型環(huán)剪儀外環(huán)直徑 150 mm，內(nèi) 環(huán)直徑100 mm，剪切面積 98. 17cm2。剪切速率與法向壓力由精密電機(jī)控制，試驗(yàn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制精密電機(jī)運(yùn)行，并自動(dòng)記錄試驗(yàn)時(shí)間、剪切位移、法向壓力、剪切應(yīng)力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2. 2試樣制備

首先將滑帶土樣品置于 105 ℃ 下烘干 24 h 以上，碾碎后過(guò) 2 mm 篩，取小于 2 mm 部分配置成天然含水率狀態(tài)； 然后裝入試驗(yàn)配套的制樣盒制成圓餅狀； 最后將圓餅狀土樣裝入剪切盒，切除中間部分，剩下部分即為試驗(yàn)所需的環(huán)狀試樣。

2.3試驗(yàn)內(nèi)容

為了全面測(cè)試滑帶土在不同法向應(yīng)力和剪切速 率下的抗剪強(qiáng)度特性，并揭示其應(yīng)變軟化特征，試驗(yàn) 均采用單級(jí)剪切，即在試樣充分固結(jié)后，只在一級(jí)法 向應(yīng)力下進(jìn)行剪切[7]。試樣按選定好的剪切速率分為 4 組，0. 1、1、5 和 10 mm / min 組，每一組 3 個(gè)試樣在各自對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力下固結(jié) 24h，然后在該組剪切速率下進(jìn)行單級(jí)剪切，直到試驗(yàn)剪應(yīng)力-位移曲 線基本平直為止。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1法向應(yīng)力對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，滑帶土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力大小相關(guān)，無(wú)論是峰值強(qiáng)度還是殘余強(qiáng)度均隨著法向應(yīng)力的增大而增大。已有的研究表明只有當(dāng)法向 應(yīng)力大于 150 kPa 時(shí)，黏土顆粒的最終定向排列程度才不受法向應(yīng)力的影響，即殘余內(nèi)摩擦角不再發(fā)生變化，此時(shí)殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈線性關(guān)系，否則 由于黏土顆粒的定向排列程度會(huì)隨法向應(yīng)力的增大 而增大，殘余強(qiáng)度則與之呈較強(qiáng)的非線性關(guān)系。

3.2剪切速率對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的影響

眾多學(xué)者的研究表明剪切速率對(duì)滑帶土峰值強(qiáng) 度的影響是很明晰的，即峰值強(qiáng)度隨剪切速率的增大而增大，而對(duì)殘余強(qiáng)度的影響卻比較復(fù)雜。按照殘余強(qiáng)度受影響程度的大小，剪切速率劃分為慢剪（ 小于 0. 01 mm / min） 、快剪（ 大于 100 mm / min） 以及一般剪切（ 0. 01 ～ 100 mm / min） 。

慢剪速率對(duì)應(yīng)著滑坡極其緩慢地滑動(dòng)或者靜止的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而快剪速率則模擬滑坡已經(jīng)失穩(wěn)快速的滑動(dòng)，而實(shí)際上在庫(kù)水位下降或者暴雨等等條件下，0. 01 ～ 100 mm / min 段剪切速率更能代表滑坡強(qiáng)烈變形部位-前緣或者后緣的狀態(tài)。針以上研究現(xiàn)狀，本次試驗(yàn)選取 0. 1、1、5 與 10 mm / min 的速率開(kāi)展對(duì)抗剪強(qiáng)度的研究。而殘余強(qiáng)度與該范圍內(nèi)的剪切速率無(wú)關(guān)，僅取決于現(xiàn)存的應(yīng)力狀態(tài)。

盡管剪切速率對(duì)滑帶土殘余強(qiáng)度的影響不大，可以看出，殘余黏聚力 cr 與殘余內(nèi)摩擦角 φr 卻隨著速率的增大產(chǎn)生了截然相反的變化，cr 不斷地減小，φr 逐漸地增大。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)從剪切面擠出了大量的泥漿，泥漿的質(zhì)量和含水量均隨著剪切速率地增大而不斷增大，剪切帶附近黏粒含量、含水量的降低可能造成了這一結(jié)果， 待進(jìn)一步研究。同現(xiàn)有的研究結(jié)論一樣，滑帶土峰值強(qiáng)度是隨著剪切速率的增大而增大的。

4結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展一系列環(huán)剪試驗(yàn)，研究了法向應(yīng)力對(duì) 與剪切速率對(duì)黃土坡滑坡滑帶土抗剪強(qiáng)度特性的影 響作用。結(jié)果表明滑帶土的峰值、殘余抗剪強(qiáng)度依賴于法向應(yīng)力的大小，并與之呈較強(qiáng)線性關(guān)系； 0. 1 ～ 10 mm / min 范圍內(nèi)的剪切速率對(duì)滑帶土的峰值強(qiáng)度、軟化特性影響顯著，而對(duì)殘余強(qiáng)度影響不明顯。但本文并未考慮剔除大于 2mm 的土顆粒對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，未來(lái)有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張 昆，郭菊彬.滑帶土殘余強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)研究.鐵道工程學(xué)報(bào)，2007； 24（ 8） ： 13—15，26

[2]ZhangKun， GuoJubin. Experimentalresearchontheresidual strengthparametersofslipsoils.JournalofRailwayEngineering， 2007； 24（ 8） ： 13—15，26.

[3]李曉，梁收運(yùn)，鄭國(guó)東. 滑帶土的研究進(jìn)展.地球科學(xué)進(jìn)展，2010；25（ 5） ： 484—491.

[4]洪 勇，孫 濤，欒茂田，等. 土工環(huán)剪儀的開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀.巖土力學(xué)，2009； 30（ 3） ： 628—633