滑帶土厚度及含水率對(duì)其強(qiáng)度參數(shù)的影響

周永昆，魏作安，2，朱 彬，張千貴

(1.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400044;(2.重慶大學(xué) 西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

滑帶土厚度及含水率對(duì)其強(qiáng)度參數(shù)的影響

周永昆1，魏作安1，2，朱 彬1，張千貴1

(1.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400044;(2.重慶大學(xué) 西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

以紅、黃兩種不同顏色的滑帶土為對(duì)象，采用室內(nèi)試驗(yàn)，先對(duì)兩種顏色的滑帶土的基本物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定，然后以力學(xué)性質(zhì)較差的紅色滑帶土作為夾層，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)，研究夾層土的厚度、含水率等對(duì)滑帶土強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角(φ)和粘聚力(c)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，夾層土的含水率對(duì)滑帶土強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角(φ)和粘聚力(c)影響最大，夾層土的厚度對(duì)強(qiáng)度參數(shù)也有一定的影響。

滑帶土;滑坡研究;正交試驗(yàn);剪切強(qiáng)度;方差分析

0 前言

滑帶土是滑坡體的重要組成部分。滑坡的發(fā)生與否常常取決于滑動(dòng)面(帶)土體的應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度。從某種意義上講，滑坡的形成機(jī)理就是滑帶土的變形破壞過程［1，2］。因此，滑帶土的力學(xué)性質(zhì)與滑坡體的變形發(fā)展、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)關(guān)系密切，滑帶土工程力學(xué)特性的研究常成為滑坡研究中一個(gè)關(guān)鍵問題［3］。由于受力的特殊性和形成過程中的復(fù)雜地質(zhì)作用，使得滑帶土的組構(gòu)特征、物理力學(xué)和地球化學(xué)等性質(zhì)與滑坡體中其它部位的巖土體存在較大的差別［4］?；瑤量辜魪?qiáng)度參數(shù)是滑坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)和抗滑工程設(shè)計(jì)計(jì)算所必需的、非常重要的參數(shù)。

目前，對(duì)于滑帶土強(qiáng)度特性的研究，許多學(xué)者采用現(xiàn)場原位試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室土工試驗(yàn)、微觀與宏觀研究相結(jié)合的方法作了一些工作，也取得了可喜的成果［5］。本文以兩種不同顏色的滑帶土為對(duì)象，先對(duì)兩種滑帶土基本物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定，然后以力學(xué)性質(zhì)較低的紅色滑帶土作為夾層，選取夾層土的厚度、含水率等作為影響因子，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)，利用室內(nèi)三軸剪切實(shí)驗(yàn)，研究滑帶土強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角(φ)和粘聚力(c)變化特性。

1 兩種滑帶土基本物理性質(zhì)測定

重慶地區(qū)滑坡中的滑帶土主要為第四系的殘坡積層碎石粘性土［6，7］。為此，試驗(yàn)使用的土樣取自于重慶地區(qū)滑坡中的典型滑帶粘土，分別為紅色粉質(zhì)粘土和黃色粘土。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，對(duì)土樣進(jìn)行了篩分處理，把粒徑大于1.0mm的碎石清除。兩種滑帶土的基本物理性質(zhì)測試結(jié)果見表1，它們的顆粒組成和顆粒分布曲線分別見表2和圖1。

表1 滑帶土的主要物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 The main physical properties index of two soils

圖1 兩種滑帶土的顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distribution of the two soils

表2 滑帶土的顆粒組成Table 2 The particles composition of two soils

2 實(shí)驗(yàn)測試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

三軸剪切儀為南京土壤儀器廠制造的TSZ30-2.0型應(yīng)變控制式三軸剪力儀。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將圓柱體土樣用乳膠膜包裹，固定在壓力室內(nèi)的底座上，之后向壓力室內(nèi)注入水，使試樣受到周圍壓力，并在試驗(yàn)過程中保持不變。然后通過壓力室上端的活塞桿上施加垂直荷載直至土樣受剪破壞。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均是由電腦自動(dòng)控制采集。

2.2 單一滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)測試

實(shí)驗(yàn)采用重塑土樣，試樣的制備采用錘擊實(shí)法，試樣為圓柱體(圖 2)，直徑 d=3.91cm，高 h=8.0cm，試樣密度為1.70g/cm3。試驗(yàn)中所施加的圍壓分別為 100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，剪切速率為0.03mm/min。

按照含水率為15%、20%、25%分別對(duì)兩種滑帶土進(jìn)行不固結(jié)不排水(UU)三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，紅色滑帶土強(qiáng)度參數(shù)低于黃色滑帶土。因此，將紅色滑帶土作為軟弱夾層。

圖2 不同含水率下的兩種滑帶土試樣Fig.2 Different water content of the two soil samples

表3 兩種滑帶土不同含水率情況下的c、φ值Table 3 Two soils’c，φ in different water content

2.3 組合滑帶土強(qiáng)度參數(shù)實(shí)驗(yàn)正交設(shè)計(jì)

正交設(shè)計(jì)是最常用的一類試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［8］。它是使用一種規(guī)范化的表格——“正交表”，來合理安排試驗(yàn)。采用這種方法可以優(yōu)化試驗(yàn)、減少試驗(yàn)次數(shù)，并能全面、系統(tǒng)地反映試驗(yàn)結(jié)果［9］。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是試驗(yàn)指標(biāo)、因素及因素水平的選取。本文滑帶土強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)，選取兩種土的含水率、軟弱夾層厚度(紅色滑帶土)作為三個(gè)因素，每個(gè)因素各取三個(gè)水平，按表7所示 L9(34)安排試驗(yàn)。三個(gè)因素分別列在1、2、3列上，第4列不安排因素，一共需做9組試驗(yàn)，如圖3，從左到右依次為1～9組，試驗(yàn)結(jié)果見表5和表6。

表4 兩種滑帶土不同圍壓下的剪應(yīng)力峰值Table 4 Two soils’peak shear strength indifferent confining pressure

表5 含軟弱夾層滑帶土不同圍壓下的剪切峰值Table 5 The weak interlayer of sliding zone soil of peak shear strength in different confining pressures

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.4.1 滑帶土強(qiáng)度參數(shù)測定結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示:

(1)紅色滑帶土的內(nèi)聚力(c1)隨含水量的變化規(guī)律(圖4(a))與黃色滑帶土有一定的差異，在一定范圍它會(huì)隨著含水量的增加而遞減。回歸后的方程為:

式中:w——土樣含水率。

(2)黃色滑帶土的內(nèi)聚力(c2)隨含水量增高而呈現(xiàn)拋物線形變化，即由低—高—低的變化規(guī)律(圖4(a))?；貧w后的方程為:

表6 含軟弱夾層滑帶土正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的c、φ值Table 6 The weak interlayer of sliding zone soil orthogonal design of the c，φ values

圖3 不同厚度夾層滑帶土試樣Fig.3 Different thickness of interlayer of the soil samples from slip zone

(3)紅色滑帶土樣內(nèi)摩擦角(Φ1)和黃色滑帶土樣的內(nèi)摩擦角(Φ2)隨含水量增高而呈逐漸降低的變化規(guī)律(圖4(b))。回歸后的方程分別為:

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

方差分析是關(guān)于多個(gè)具有方差齊性的正態(tài)總體，對(duì)其均值作檢驗(yàn)與估計(jì)的統(tǒng)計(jì)方法。根據(jù)試驗(yàn)方案(表7)，假定每個(gè)因子取 r種不同的水平，每種水平在試驗(yàn)方案中出現(xiàn)m次?？傇囼?yàn)次數(shù)n=r×m，設(shè)試驗(yàn)結(jié)果為 Y1，Y2，…，Yn。對(duì)正交表的第 j列(包括空列)，令 Kjl為第 j列中相應(yīng)于水平 l(l=1，2，…，r) 的m個(gè)試驗(yàn)結(jié)果之和。

圖4 滑帶土強(qiáng)度參數(shù)與含水量關(guān)系Fig.4 The relationship between the strength and water content of slide mass

表7 試驗(yàn)方案表Table 7 Test program in table

由試驗(yàn)測試結(jié)果，可以列出計(jì)算表，見表8。

表8 計(jì)算表Table 8 The results of calculation

現(xiàn)在考察每個(gè)因子在各個(gè)水平下效應(yīng)是否有顯著差異，分別檢驗(yàn):

其中αj表示因子A在第j個(gè)水平下的效應(yīng)，βj表示因子B在第j個(gè)水平下的效應(yīng)，δj表示因子C在第j個(gè)水平下的效應(yīng)(j=1，2，3)。這些效應(yīng)必滿足:

表9 方差分析表Table 9 The results of variance analysis

按上述計(jì)算法則，列出方差分析表，見表9。

現(xiàn)在，臨界值為:

所以，由方差分析表(表9)看出，各因子的影響都不是很顯著，但相對(duì)于因子A和因子C，因子B(軟弱夾層的含水率)對(duì)滑帶土的強(qiáng)度參數(shù) c、φ的影響最顯著，其次為因子C(黃色滑帶土的含水率)和因子A(軟弱夾層的度厚)。

3 結(jié)論

本文以兩種不同顏色的滑帶土為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)獲得了滑帶土厚度、含水率對(duì)其強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角(φ)和粘聚力(c)影響規(guī)律，為進(jìn)一步探索滑帶土的強(qiáng)度特性提供借鑒。

滑帶土是滑坡體的主要組成部分，它的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)滑坡穩(wěn)定性分析和滑坡防治設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。因此，開展滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Study on the effect about interlayer thickness and water content to the strength parameters of landslide soil

ZHOU Yong-kun1，WEI Zuo-an1，2，ZHU Bin1，ZHANG Qian-gui1
(1.College of Resource and Environmental Sciences，Chongqing University，Chongqing 400044，China;2.The Key Laboratory of the Exploitation of Southwest Resources＆ the Environmental Hazards Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

In this paper there are two different color(red and yellow)soils from the slide zones as two samplers to be studied through libratory test.Firstly，the basic physical and mechanical properties about two soils were measured.Then the red soil which was poorer in shear strength was selected as an interlayer，through changing thickness of interlayer and its water content，based on orthogonal design，using triaxial shear tests，the shear strength(internal friction angle φ and cohesion c)of the landslide mass were studied.The test results show that among factors the water content of interlayer soil is the greatest influence to the shear strength of landslide soil，then interlayer thickness also has a certain effect.

slide soil;landslide study;orthogonal design;shear strength;analysis of variance

1003-8035(2010)02-0025-05

TU411.7

A

2010-01-28;

2010-04-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10772205);重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(CSTC，2007BB0136);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20070420123);湖南省煤礦安全開采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(200806)

周永昆(1983—)，男，碩士研究生，主要從事礦業(yè)工程與土力學(xué)方向的研究。

E-mail:yongkun@126.com。