土體剪切試驗對工程滑坡防治的意義

譚萃華 劉晶晶

廣東省礦產(chǎn)應(yīng)用研究所 廣東 韶關(guān) 512026

造成山體滑坡的原因有很多，降水只是一個誘發(fā)因素，像地震、火山爆發(fā)等都會引發(fā)山體滑坡。山體滑坡的發(fā)生和地質(zhì)、地理環(huán)境有一定關(guān)系。只有有一定坡度的山體菜會出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。滑坡通常是因為壩體上的巖石、巖石風(fēng)化產(chǎn)物，由于其結(jié)構(gòu)松散，黏聚力與內(nèi)摩擦角小導(dǎo)致的。巖石及其風(fēng)化物在水的作用下，改變其原本的物理性質(zhì)，致使巖土體由于水跟風(fēng)化作用的影響表面松散，抗剪強(qiáng)度及抗風(fēng)化能力降低。比如松散覆蓋層、黃土、紅粘土、頁巖、泥巖、煤系地層、凝灰?guī)r、片巖、板巖、千枚巖等及軟硬相同的巖層所有構(gòu)成的壩體或土坡較易發(fā)生滑移[1]。

發(fā)生滑坡的最本質(zhì)原因：巖石或巖石風(fēng)化土由于其抗剪強(qiáng)度降低致滑動面的剪應(yīng)力，產(chǎn)生了巖土體沿著滑動面下滑的現(xiàn)象。土體抵抗剪切破壞的極限力稱為土的抗剪強(qiáng)度，即巖土體發(fā)生剪切破壞時滑動面上的剪應(yīng)力。土的其中一個主要的力學(xué)性質(zhì)是土的抗剪強(qiáng)度，它跟巖土的結(jié)構(gòu)組成，土的塑性指數(shù)等土的物理性質(zhì)有關(guān)，這些物理性質(zhì)又取決于巖土行形成的環(huán)境和土的應(yīng)力歷史等因素有關(guān)。當(dāng)然，土體當(dāng)前所受的應(yīng)力狀態(tài)也是影響巖土體物理性質(zhì)的重要因素。

當(dāng)下，人們主要通過土的室內(nèi)試驗和原位測試來確定土的抗剪強(qiáng)度。常用的抗剪強(qiáng)度試驗方法有以下幾種試驗：

1 三軸剪切試驗

三軸剪切試驗又稱為三軸壓縮試驗。適用于土粒粒徑小于20mm的樣品。根據(jù)排水條件的不同，本試驗分為不固結(jié)不排水剪（UU），固結(jié)不排水剪（CU）和固結(jié)排水剪（CD）3種試驗類型。對于無法取得多個試樣、靈敏度較低的原狀土，可采用一個試樣多級加荷試驗。

本實驗采用的儀器設(shè)備為TSZ30-2.0型應(yīng)變控制式三軸儀：由反壓力控制系統(tǒng)，周圍壓力控制系統(tǒng)、壓力室、孔隙水壓力量測系統(tǒng)組成。技術(shù)條件均符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程儀器基本參數(shù)及通用技術(shù)條件》GB/T 15406規(guī)定。

材料：

2021ST0854廣東寶氫科技有限公司韶鋼產(chǎn)業(yè)園焦?fàn)t煤氣制氫工程巖土工程勘察 （甲級勘察）T10722、T10727兩個試樣均為不固結(jié)不排水剪。試驗數(shù)據(jù)如下：

圖1 T10722主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2 T10727主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 T10722 UU強(qiáng)度包絡(luò)線

圖4 T10727 UU強(qiáng)度包絡(luò)線

從圖3、圖4中，我們得到T10722CU=26.02，U =6.98；T10727CU=36.41，U =10.60。

上述的常規(guī)三軸試驗儀是土工試驗中最主要的儀器，主要缺點(diǎn)是試件所受的力是軸對稱的，即試件所受的三個主應(yīng)力中，有兩個是相等的。三軸試驗是，三軸伸長試驗則是增加周圍壓力使試件伸長，直至破壞，其應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)為。為模擬更廣泛的應(yīng)力狀態(tài)，現(xiàn)代的土工實驗室還發(fā)展了如下幾種新型的三軸剪力設(shè)備：平面應(yīng)變試驗儀、真三軸試驗儀、空心圓柱扭剪試驗儀[2]。

2 直接剪切試驗

直接剪切試驗主要用的儀器就是直剪儀，設(shè)備簡單，操作起來也方便，因為廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，直剪試驗也是發(fā)展較早的一種用于測定土體抗剪強(qiáng)度的方法。直剪試驗分為快剪、固結(jié)快剪和慢剪三種。其中，快剪和固結(jié)快剪的試樣宜為滲透系數(shù)小于1x10-6cm/s的細(xì)粒土。

直剪所用的設(shè)備儀器符合下列規(guī)定：1.應(yīng)變控制式直剪儀：包括剪切盒、垂直加壓框架、負(fù)荷傳感器或測力計和推動機(jī)構(gòu)等，其技術(shù)條件應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15406的規(guī)定。2.位移傳感器或位移計（百分表）：量程5mm-10mm，分度值0.01mm。3.天平：稱量500g，分度值0.1g。及環(huán)刀、鋼絲鋸等。

快剪試驗是在下盒內(nèi)放不透水板，通常采用0.8mm/min～1.2mm/min的速率剪切，使試樣的3min～5min內(nèi)剪損。直剪快剪試驗是土樣上下個加了一層不透水的薄膜塑料防止空隙水排出，施加荷載3-5分鐘內(nèi)完成剪切破壞完成。通常用于如深厚的高塑性黏土地基上、施工速度很快，預(yù)計施工期排水固結(jié)程度小。

固結(jié)快剪試樣是試樣上下兩面的不透水板改放濕濾紙和透水板。當(dāng)試樣為飽和樣時，在施加垂直壓力5min后往剪切盒里注滿水；當(dāng)試樣非飽和時，僅在活塞周圍包濕棉花，防止水分蒸發(fā)。固結(jié)快剪是先讓土樣在豎向荷載下充分排水固結(jié)，然后將土樣快速剪壞。運(yùn)用于施工期很長，預(yù)計土層能充分排水固結(jié)，但竣工后可能有瞬時荷載[3]。

慢剪試驗的剪切速率應(yīng)小于0.02mm/min，是土樣在豎向荷載下充分排水固結(jié)，然后緩慢的施加剪應(yīng)力直至破壞。如施工期很長，預(yù)計土層能充分排水固結(jié)，竣工后無瞬時荷載。

直接剪切試驗憑借著儀器簡單，操作方便的優(yōu)勢，受到了各工程師的青睞，至今仍然在工程實驗中廣泛應(yīng)用。直剪試驗的優(yōu)勢非常明顯，試樣為環(huán)刀樣，厚度薄，試驗過程樣品固結(jié)快速，試驗時間短。對于透水性較差黏性較大的細(xì)粒土，用三軸壓縮試驗方法固結(jié)時間長、樣品的長度長、剪切速率要求很慢以達(dá)到試件孔隙水壓力充分均勻分布。因此，對于粘性大的細(xì)粒土，用直接剪切試驗優(yōu)勢明顯。

3 土的抗剪強(qiáng)度機(jī)理

土的抗剪強(qiáng)度與壓力、含水率有著密不可分的關(guān)系。①當(dāng)法向應(yīng)力增大時，土的氣相變小，空隙體積V減小，土中的摩擦角與黏聚力增大，土的抗剪強(qiáng)大增大。②含水率。當(dāng)水飽和后，土的黏聚力減小，摩擦角也減小。在天然狀態(tài)下，抗滑阻力大于滑動力時，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)土樣飽和后，土體抗滑阻力不斷喪失，坡體自重應(yīng)力增大，滑坡失穩(wěn)率增大。③土體強(qiáng)度與試驗條件有關(guān)。土體破壞是沿著土的薄弱面，三軸剪切試驗、直剪剪切試驗、無側(cè)限壓縮試驗都只是對土體受破壞狀態(tài)的一個模型試驗，如無側(cè)限壓縮試驗會由于環(huán)刀的影響，測得的結(jié)果可能比自然狀態(tài)下土體的抗剪強(qiáng)度偏大。

4 邊坡穩(wěn)定分析

因我國山區(qū)較多，地質(zhì)條件較差，土的剪切試驗為地質(zhì)災(zāi)害提供有力的參數(shù)參考。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類工程活動及自然因素的影響，滑坡地質(zhì)災(zāi)害也逐年加重，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失與大量的人員傷亡。準(zhǔn)確的認(rèn)識滑坡破壞機(jī)理與判定土坡的安全穩(wěn)定性，以及滑坡最有可能的滑坡形式成為待解決的重難點(diǎn)工程問題之一。基于此，通過室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬，對土與結(jié)構(gòu)接觸面的剪切強(qiáng)度特征及強(qiáng)度產(chǎn)生機(jī)制、土與結(jié)構(gòu)物解除面的剪切變形特性及土體強(qiáng)度力學(xué)模型、滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗研究。

滑坡是指斜坡上的土體或者巖體，受河流沖刷。地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體的或者分散的順坡向下滑動的趨勢。如果滑面上的下滑力超過抗滑力，或者面上每個點(diǎn)的剪應(yīng)力都達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度，若無支撐結(jié)構(gòu)就會發(fā)生滑坡。滑坡的穩(wěn)定性分析基于巖土塑性理論，因為滑坡發(fā)展都處于塑形階段，直至坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞、邊坡失穩(wěn)在力學(xué)上是一個強(qiáng)度問題，這時計算上可以簡化為一個靜力平衡和一個巖土屈服條件。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法都屬于這種情況。

土的剪切試驗對土壓力計算、擋土墻設(shè)計、地基承載力理論有著至關(guān)重要的工程意義。本文著重講述剪切試驗對邊坡穩(wěn)定的影響。

無黏性土坡穩(wěn)定，其抗滑移力與滑動力之比稱為穩(wěn)定安全系數(shù)，即為土的內(nèi)摩擦角，為坡角，K為穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取1.1～1.5。當(dāng)取K=1時，摩擦角等于坡度角，此時，邊坡處于臨界狀態(tài)，當(dāng)土內(nèi)摩擦角大于坡度角時，土坡是穩(wěn)定的，反之，土坡會發(fā)生滑移破壞。

黏性土坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)K為抗剪力和剪切力對圓心構(gòu)成的抗滑力矩與滑動力矩之比。計算黏性土坡的方法有整體圓弧滑動法、條分法、瑞典條分法、畢肖甫法、普遍條分法和有限元法。當(dāng)分析了土坡穩(wěn)定性之后，我們要辨別最危險滑動面。當(dāng)?shù)鼗翆有再|(zhì)比填土軟弱，或者壩體不是單一土坡，或者壩體填土種類不一、強(qiáng)度互異，最危險的滑動面不一定從坡腳滑出。

土坡穩(wěn)定分析成果的可靠性，在很大程度上決定于土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的正確選擇，因為對于任何一種給定的土來說，試驗方法的不同，抗剪強(qiáng)度幅度變大之大遠(yuǎn)超過靜力計算方法間的差別。首先要注意的就是區(qū)別有效應(yīng)力法或總應(yīng)力。采用總應(yīng)力法時，根據(jù)計算階段土體孔隙水壓力可能發(fā)展的狀態(tài)，分別采用快剪和固結(jié)快剪等強(qiáng)度指標(biāo)[5]。

滑坡通常都發(fā)生在雨季，因為在強(qiáng)降雨作用下，雨水滲透到滑梯內(nèi)，在不透水（滑床：基巖層）行成積水層，使得滑帶土在水的作用下強(qiáng)度降低，滑坡的后緣滑面傾角較大，使得滑坡后緣部門發(fā)生變形，后緣逐漸產(chǎn)生裂隙，雨水作用更為顯著導(dǎo)致滑坡后緣變形增加。當(dāng)滑面后面部分的變形大于峰值變形后，滑帶土進(jìn)入應(yīng)力軟化階段，抗滑力較小，下滑力增加，滑坡變形進(jìn)一步增大，滑面上的各個點(diǎn)相繼從滑坡后緣向前緣逐漸進(jìn)入應(yīng)變軟化階段，最后畫面貫通，滑坡發(fā)生整體破壞。滑坡的破壞是一個漸進(jìn)破壞過程，在整個過程滑面上的各點(diǎn)都都完成了一次應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)^程曲線，每個點(diǎn)在不同的時間是處于不同的應(yīng)力狀態(tài)，且也只能處于一種應(yīng)力狀態(tài)，峰值剪應(yīng)力狀態(tài)或者在峰值剪應(yīng)力之前、之后的狀態(tài)。

5 土體滑坡防治措施

工程滑坡治理應(yīng)考慮滑坡類型成因、滑坡形態(tài)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、滑坡穩(wěn)定性、工程重要性、坡上建筑物等因素進(jìn)行綜合治理：

（1）排水：根據(jù)工程地質(zhì)，水文地質(zhì)、暴雨、洪水和防治方案等，采取有效的地表排水和地下排水等措施；可采用在滑坡后緣外設(shè)置截水溝、滑坡土體上設(shè)分級排水溝、裂隙封填以及坡面封閉等措施，排放地表水；需要時可采用設(shè)置地下橫、縱向排水盲溝、廊道和仰斜式孔等措施，疏排滑體及滑帶水。（2）支撐：滑坡整治時應(yīng)根據(jù)滑坡穩(wěn)定性、滑坡推力和巖土性狀等因素設(shè)置支撐。（3）減載：刷方減載應(yīng)在滑坡的主滑段實施。（4）反壓：反壓填方應(yīng)設(shè)置在滑坡前緣抗滑段區(qū)域，可采用土石回填或加筋土反壓以提高滑坡的穩(wěn)定性；同時應(yīng)加強(qiáng)反壓區(qū)地下水排引。（5）植被綠化。

綜上，室內(nèi)土體剪切試驗為滑坡穩(wěn)定性計算提供了可靠的黏聚力c以及土內(nèi)摩擦角，當(dāng)計算的土體滑坡安全系數(shù)小于1（或者小于設(shè)計值）時，應(yīng)采取滑坡防治措施。

6 結(jié)論與展望

文章通過室內(nèi)試驗、理論分析結(jié)合，分析了土的剪切試驗、土的剪切強(qiáng)度對滑坡的影響分析。現(xiàn)階段的剪切試驗與滑坡體受破壞時的應(yīng)力狀態(tài)有一定的差異。若研制新型的剪應(yīng)力-位移傳感器，其可以真實。準(zhǔn)確的測得在剪切過程中土體的應(yīng)力狀態(tài)，提高土體剪切試驗的準(zhǔn)確度。滑坡的破壞時漸進(jìn)性的，基于滑坡穩(wěn)定性分析的新位移-抗力條分法。綜合下滑力-抗滑力法、綜合位移法、主推力法、富余位移法計算滑坡的穩(wěn)定系數(shù)，加強(qiáng)滑坡防治工程的效率與準(zhǔn)確度。