不同應(yīng)力路徑下滑帶土抗剪強度參數(shù)選取探討★

袁湘秦 段 釗 趙法鎖 王維超

(1.陜西工程勘察研究院有限公司，陜西 西安 710069； 2.西安科技大學(xué),陜西 西安 710069； 3.長安大學(xué)，陜西 西安 710069)

0 引言

近年來，黃土滑坡災(zāi)害發(fā)生的頻率呈現(xiàn)增加的趨勢，已經(jīng)嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。通過對黃土滑坡誘發(fā)因素的調(diào)查表明，黃土滑坡的誘發(fā)因素分為自然因素和人為因素，其中降雨和人類工程活動是誘發(fā)黃土滑坡的最積極因素，特別是某些不合理的人類工程活動，例如坡頂堆載和坡腳開挖卸載，誘發(fā)了大量的黃土滑坡[1-3]。

由于黃土滑坡具有較大的社會危害性，國家投入了大量的人力、物力和財力對其進行防治，許多設(shè)計人員在進行滑坡治理設(shè)計時，依據(jù)規(guī)范[4,5]，通常選取滑坡最不利的狀態(tài)(暴雨條件或連陰雨條件)作為計算條件，認為滑帶土處于飽和狀態(tài)，滑帶土參數(shù)往往選取飽和狀態(tài)下的容重和抗剪強度。但針對坡頂堆載和坡腳開挖卸載誘發(fā)的黃土滑坡，在治理設(shè)計時，選取的參數(shù)都為同一個飽和狀態(tài)下的抗剪強度，筆者認為這是不合時宜的。許多學(xué)者認為[6-14]，當(dāng)應(yīng)力路徑不同時，球應(yīng)力p和偏應(yīng)力q的變化狀態(tài)不同，從而導(dǎo)致土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，強度特性不同，特別是對土體的抗剪強度c，φ值具有明顯的影響。坡頂堆載和坡腳開挖卸載，其應(yīng)力路徑是不同的，因而土體所反映出來的抗剪強度也應(yīng)是不同的。

本文以涇河南岸坮塬Q2黃土為研究對象，用常規(guī)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(CTC試驗)模擬坡頂堆載情況，用減圍壓三軸固結(jié)不排水剪切試驗(RTC試驗)模擬坡腳開挖卸載情況，通過試驗對比，研究飽和Q2黃土抗剪強度在兩種試驗條件下的差異，并探討了圍壓對抗剪強度的影響，以期為滑坡治理設(shè)計在參數(shù)選取上提供一些建議。

1 試驗基本情況

1.1 土樣的基本物理性質(zhì)

本次試驗Q2黃土試樣取自涇河南岸坮塬古滑坡體后壁，取樣深度為地表下20 m。原狀Q2黃土基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 Q2黃土基本物理性質(zhì)

1.2 飽和試樣的制備

本次試驗將試樣制備成φ39.1×110 mm圓柱體，采用水頭差飽和法與反壓飽和法相結(jié)合的方式對試樣進行飽和。

1.3 試驗方案

本次試驗設(shè)備采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透儀，為了對比研究CTC試驗和RTC試驗下飽和Q2黃土的抗剪強度，本次試驗將制備好的飽和Q2黃土分成兩組，每組有5個飽和Q2試樣，一組進行圍壓為100 kPa，200 kPa,300 kPa,400 kPa,500 kPa的常規(guī)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(CTC試驗)，另一組進行圍壓為100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa,500 kPa的減圍壓三軸固結(jié)不排水剪切試驗(RTC試驗)。

進行CTC試驗時，保持初始圍壓不變，不斷增加軸壓，直至試樣發(fā)生破壞。

進行RTC試驗時，保持初始軸壓不變，不斷減小圍壓，直至試樣發(fā)生破壞。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

不同初始圍壓下，CTC試驗和RTC試驗下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1。

從圖1可以看出，CTC試驗和RTC試驗下，飽和Q2黃土都表現(xiàn)出“應(yīng)變軟化”的特征，峰值應(yīng)力前，應(yīng)力應(yīng)變曲線陡升，峰值應(yīng)力后，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加逐漸降低，且在CTC試驗下，應(yīng)力隨應(yīng)變降低的幅度遠遠大于RTC試驗條件下，即峰殘降差，CTC試驗大于RTC試驗。

對比試樣破壞時的峰值應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，相同初始圍壓下，CTC試驗下峰值應(yīng)力大約是RTC試驗下峰值應(yīng)力的2倍，說明RTC試驗條件下，飽和Q2黃土更容易破壞。

當(dāng)應(yīng)變相同時，CTC試驗下的偏差應(yīng)力遠遠大于RTC試驗條件，說明達到相同變形時，CTC試驗所需要施加的軸向應(yīng)力遠遠大于RTC試驗所需要減載的圍壓；CTC試驗下，飽和Q2黃土具有更高的強度特性。

2.2 破壞模式

本次試驗過程中，CTC試驗和RTC試驗下，飽和Q2黃土試樣均表現(xiàn)為鼓脹破壞(見圖2)，試樣中部向外鼓脹，沒有明顯的剪切破裂面。

從圖2可以看出，相同初始圍壓，RTC試驗條件下，試樣破壞時，中部向外鼓脹的程度遠遠大于CTC試驗下的土樣。因此，試驗說明圍壓對土體有束縛擠壓的作用，由于CTC試驗下，初始圍壓保持不變，軸壓逐漸增加，導(dǎo)致試樣破壞。而RTC試驗下，軸壓保持不變，圍壓逐漸減小，導(dǎo)致試樣破壞。在這個試驗過程中，RTC試驗下的圍壓不斷減小，對試樣的側(cè)向束縛作用減弱，因而導(dǎo)致了RTC試驗下，土樣側(cè)向變形大于CTC試驗下土樣的側(cè)向變形。

2.3 抗剪強度指標(biāo)

根據(jù)三軸壓縮試驗破壞取值標(biāo)準(zhǔn)，取峰值應(yīng)力為試樣抗剪破壞標(biāo)準(zhǔn)[15]，得出CTC試驗和RTC試驗下試樣的破壞點應(yīng)力值如表2所示。

表2 土樣破壞點應(yīng)力值 kPa

根據(jù)表2中破壞點應(yīng)力值分別繪制CTC試驗和RTC試驗的破壞應(yīng)力圓(見圖3，圖4)，做出這些破壞應(yīng)力圓的公切線，該線的傾角為內(nèi)摩擦角φ，該線的截距為粘聚力c。CTC試驗和RTC試驗下的總應(yīng)力抗剪強度和有效應(yīng)力抗剪強度如表3所示。

從表3可以看出，RTC試驗下試樣的有效粘聚力c′比CTC試驗下試樣的有效粘聚力c′低了90%，而有效內(nèi)摩擦角φ′低了30%。說明RTC試驗下試樣的抗剪能力比CTC試驗下試樣的抗剪能力弱，土體更易發(fā)生剪切破壞。

表3 抗剪強度指標(biāo)

3 討論

通過對飽和Q2黃土分別進行CTC試驗和RTC試驗，發(fā)現(xiàn)飽和Q2黃土在CTC試驗下具有較強的抗剪能力。RTC試驗下試樣的有效粘聚力c′比CTC試驗下試樣的有效粘聚力c′低了90%，而有效內(nèi)摩擦角φ′低了30%。出現(xiàn)上述結(jié)果是因為CTC試驗，圍壓保持不變，圍壓對土樣的束縛擠壓作用保持不變，土顆粒之間的接觸較緊密。而RTC試驗，軸壓保持不變，圍壓逐漸減小，隨著圍壓的逐漸減小，圍壓對土樣的束縛擠壓作用減弱，土顆粒之間的接觸較松散。因而，試驗結(jié)果表現(xiàn)出RTC試驗下破壞土樣的側(cè)向變形大于CTC試驗下破壞土樣的側(cè)向變形；CTC試驗下土樣較RTC試驗下土樣具有更高的抗剪強度。

因此，在滑坡治理設(shè)計時，針對坡頂堆載和坡腳開挖卸載誘發(fā)的黃土滑坡，采用同一個飽和狀態(tài)下的抗剪強度指標(biāo)是不合理的。如果對于坡腳開挖卸載誘發(fā)的黃土滑坡采用常規(guī)三軸壓縮試驗獲取的土體抗剪強度，將會導(dǎo)致計算參數(shù)比實際情況高，最終導(dǎo)致采取的工程治理措施安全度降低。

綜上，在滑坡治理設(shè)計參數(shù)選取時，應(yīng)根據(jù)誘發(fā)滑坡的應(yīng)力路徑選取相對應(yīng)的室內(nèi)試驗得到適宜的滑帶土抗剪強度參數(shù)。

4 結(jié)語

1)CTC試驗和RTC試驗，飽和Q2黃土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線都表現(xiàn)為“應(yīng)變軟化”特征，破壞模式都為鼓脹破壞，RTC試驗下試樣側(cè)向鼓脹程度大于CTC試驗下。

2)飽和Q2黃土在CTC試驗下抗剪強度遠遠大于RTC試驗下的抗剪強度，CTC試驗下試樣的有效粘聚力c′比RTC試驗下試樣的有效粘聚力c′高了90%，而有效內(nèi)摩擦角φ′高了30%。

3)飽和Q2黃土抗剪強度所表現(xiàn)出來的差異性主要與圍壓有關(guān)，圍壓對土顆粒起到了一個束縛擠壓的作用，當(dāng)圍壓減小時，土顆粒所受到的束縛擠壓作用減弱，相同受力情況下，顆粒間更容易移動變形，因而抗剪強度較圍壓不變時小。

4)在滑坡設(shè)計參數(shù)選取時，坡頂堆載和坡腳開挖卸載誘發(fā)的黃土滑坡，其滑帶土所表現(xiàn)出來的抗剪強度是不一樣的，應(yīng)該根據(jù)誘發(fā)滑坡的具體情況選擇相對應(yīng)的試驗手段獲取合適的設(shè)計參數(shù)。