含水率對含粗粒滑帶土抗剪性能影響研究★

張 鵬 李澤闖 郭明勝 秦智強 趙劉陽

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

眾所周知，滑坡常常給工農業生產以及人民生命財產造成巨大損失，有的甚至是毀滅性的災難。

目前國內外已有大量對滑帶土的研究，而滑帶土大都為非均質土粗細粒含量不均勻，故對含粗粒滑帶土的研究也是滑帶土研究中不可缺少的一部分。但是在已有的研究中對含粗粒滑帶土的研究極少，很難查詢到相關的資料和文獻。正是在這樣的基礎之上本項目著重展開對含粗粒滑帶土抗剪強度影響因素試驗研究，希望借助對此項目的研究為滑帶土的研究提供更多實用的數據，同時也更好的完善對滑帶土的系列研究。本項目借助三軸剪切試驗和數字化圖像分析技術，研究含水率對含粗粒滑帶土抗剪性能影響。項目研究對于分析滑坡產生的原因、評價滑坡地段的穩定性以及預測滑坡發生的時間和階段具有重要的實際意義。

1 試驗用料

以含水率為變量，配置含粗粒滑帶重塑土，根據學者們的研究成果，以2 mm為粗細顆粒粒徑分界線，即大于2 mm粒徑的顆粒為粗粒，小于2 mm粒徑的顆粒為細粒。本項研究選取的含粗粒滑帶土粒徑區間“10 mm～5 mm”“5 mm～2 mm”“2 mm～0.5 mm”“0.5 mm～0.075 mm”以及“<0.075 mm”的含量各占比20%，大于2 mm的顆粒含量占比為40%，即粗粒含量選定為40%，滿足“含粗粒滑帶土含有粒徑較大的粗顆粒且粗顆粒的含量占據25%～50%之間”的要求；含水率為單一變量，選定為3個水平，為16%,19%和22%。由于試樣中存在“10 mm～5 mm”和“5 mm～2 mm”粒徑區間的粗粒含量，三軸試樣選用為大尺寸試件，即試樣高度為125 mm，直徑為61.8 mm，試樣的干密度選定為1.8 g/cm3，故土樣體積為374.76 cm3，土的總顆粒質量為674.57 g，各水平含水率對應的含水量為107.93 g(16%),128.17 g(19%)和148.41 g(22%)。

2 三軸剪切試驗

2.1 試驗原理及方法

本次進行不固結不排水三軸剪切試驗(Unconsolidation Undrained)，設剪切破壞時軸向加荷系統加在試樣上的豎向壓應力(稱為偏應力)為Δσ1，則試樣上的大主應力為σ1=σ3+Δσ1，而小主應力為σ3，據此可作出一個極限應力圓。用同一種土樣的若干個試件(一般3個～4個)分別在不同的周圍壓力σ3下進行試驗，可得一組極限應力圓。作出這些極限應力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強度包絡線，據此可求得土樣的抗剪強度指標c值。結合工程實際，本試驗選取3種含水率(16%，19%，22%)進行試驗，圍壓分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa。

2.2 試樣制備

1)根據《土工試驗規范》首先取土放入烘箱中高溫烘干8 h，然后將烘干后的土進行篩分，分出不同粒徑的土，本實驗的篩分粒徑為10 mm～5 mm,5 mm～2 mm,2 mm～0.5 mm,0.5 mm～0.075 mm以及小于0.075 mm共五組粒徑的土，隨后根據三軸試驗方案稱重不同粒徑的土，根據含水率要求加入水，并攪拌均勻。

2)首先將與土樣會產生直接接觸的三軸模具上用硅油涂好，以免土樣與模具粘結，隨后將攪拌均勻的土放入準備好的三軸模具(高125 mm，直徑61.8 mm)中，應根據預定的干密度和含水量，在擊實器內分5層擊實，各層土料數量應相等，各層接觸面應刨毛。

3)在滑帶試樣滿足試驗所要求的高度和直徑之后，在試樣的圓形頂面用炭黑筆畫線，將試樣分出6部分，每份各占60°，再將試樣放置于坐標紙上并標記下位置(如圖3所示)，使試樣正對前方，對粗顆粒較為明顯的表面用高清相機進行拍照，以用作與剪切完之后的試樣對比。

2.3 試樣安裝與剪切步驟

1)試樣安裝：檢查壓力管線，并連接管線。把已檢查過的橡皮薄膜套在膜筒上，兩端翻起，用吸球從氣嘴中不斷吸氣，使橡皮膜貼于筒壁，小心將它套在土樣外面，然后讓氣嘴放氣，使橡皮膜緊貼試樣周圍，翻起橡皮膜兩端，扎緊橡皮膜。把土樣裝入壓力室。安裝軸向位移傳感器。

2)剪切步驟：首先將三軸儀初始位移降為0 mm，隨后點擊三軸儀上的接觸按鈕，使壓力室與軸向壓力傳感器接觸上直至三軸儀自動停止接觸。打開壓力室頂部的螺絲，使其內部與大氣連通，再將壓力室注滿水并設置圍壓。隨后點擊三軸儀上的穩壓，直至壓力值在設置的圍壓左右跳動。在電腦軟件上設置相關的試驗參數，待設置完成之后點擊開始剪切即可。待應力應變曲線峰值，試樣剪切完成之后點擊結束剪切并拆除試樣，記錄分析數據，并將拆卸下的滑帶土試樣放置于之前已經做了標記的坐標紙上，用高清相機對試樣表面拍照，通過與破壞前相同側面粗顆粒的位置進行對比，并借助于Image pro plus圖像處理軟件對粗顆粒的豎向位移進行分析，如圖1所示。

3 試驗結果分析

3.1 滑帶土粘聚力c與含水率關系分析

試驗首先對含水率為16%試樣編號為1號、2號、3號的滑帶土進行三軸剪切試驗，根據試驗得到的數據，在τ—σ坐標圖中分別作出一組應力莫爾圓，然后再作出應力強度包線，從圖中可得到應力抗剪強度指標為c=194.17 kPa；同理，含水率為19%試樣編號為4號、5號、6號的滑帶土抗剪強度指標為c=130.59 kPa；含水率為22%試樣編號為7號、8號、9號的滑帶土抗剪強度指標為75.79 kPa。將上述變化規律以x—y坐標繪出，如圖2所示顯示了滑帶土抗剪強度指標粘聚力c與含水率的關系曲線。

通過對含粗粒滑帶土的三軸剪切試驗，可見其粘聚力c隨含水率的升高逐漸降低，進而影響著滑坡的穩定性。隨著含水率增加，結合滑帶土顆粒結合水膜不斷增厚，膠結作用不斷喪失。

3.2 滑帶土粗顆粒位移研究

試驗還通過Image pro plus圖像處理軟件對部分粗顆粒的豎向位移進行了定性分析，取同一試樣剪切前與剪切后的圖片各一張，圖中背景坐標紙一主坐標格單位為1 cm，分析結果如圖3所示。

1)粗顆粒在三軸剪切試驗中由于試樣的剪切破壞粗顆粒的位置也相應的發生了偏移，顆粒位移由兩端向中外部擴展，軸向變形大。

2)圖例試樣破壞位置處于試樣的中下部，經過分析可知，試樣上部粗顆粒的位移要小于試樣下部粗顆粒的位移，由此可知，距離試樣破壞處越近的土顆粒位移相對越大。

4 結論

本項研究測定了不同含水率試樣得到含水率對粘聚力c的影響，并對滑帶土剪切過程中粗顆粒的豎向位移進行分析，主要得到以下結論:

1)隨著含水率的增加，粘聚力逐漸下降，滑坡體的穩定性也相應的受到影響。

2)三軸試驗后，滑帶土試樣軸向變形大，出現“鼓肚子”破壞，滑帶土中的粗顆粒在剪切過程中會發生偏轉移動，顆粒位移由兩端向中外部擴展。