強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖重塑土的剪切強(qiáng)度特性

韓雪梅，楊建英?，辜再元，張華，白麟，駱漢

(1.水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.北京綠之源生態(tài)科技有限公司，100083，北京)

在工程實(shí)踐中，計(jì)算地基承載力、評價(jià)地基穩(wěn)定性、計(jì)算擋土墻的土壓力、評價(jià)堤壩、基坑和天然土坡等的邊坡穩(wěn)定性以及會否產(chǎn)生滑坡裂縫時(shí)，都要用到土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)［1－2］。剪切現(xiàn)象隨處可見，剪切變形引起的危害也不容忽視。由于剪切作用，巖石的變形隨時(shí)間增大，強(qiáng)度逐漸降低，甚至導(dǎo)致非常嚴(yán)重的破壞。目前，國內(nèi)外關(guān)于單種巖石剪切強(qiáng)度特性的研究有很多，也取得了頗豐的成果［3－9］，分別對泥質(zhì)板巖、風(fēng)化泥質(zhì)板巖、砂巖、變質(zhì)砂巖、碳質(zhì)板巖等巖類進(jìn)行了研究;然而，國內(nèi)外有關(guān)2 種或2 種以上巖石互層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度特性的研究工作則相對較少，事實(shí)上，巖性、含水率和干密度對剪切強(qiáng)度特性有很大的影響。大量的工程實(shí)踐及室內(nèi)試驗(yàn)［10－11］都表明，對于軟弱巖石如本文中研究的強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖，地層巖性結(jié)構(gòu)特殊，含膨脹性黏土礦物，質(zhì)軟，遇水易泥化，其構(gòu)成軟硬相間的易滑地層組合，抗剪強(qiáng)度極低;因此，研究強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖重塑土的剪切強(qiáng)度特性，對于邊坡穩(wěn)定性分析、邊坡防護(hù)與復(fù)綠設(shè)計(jì)具有極其重要的意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征

在太湖周圍坐落有72 山峰，雪浪山為其中的第8 峰，位于蘇州—無錫—常州平原區(qū)中部，為丘陵型山峰，自然坡角25°左右，峰頂海拔約100 m。以東為廣闊的平原區(qū)。無錫處于亞熱帶氣候區(qū)，雨量豐沛，風(fēng)化作用強(qiáng)烈。

構(gòu)成雪浪山的地層巖性為泥盆系灰白色變質(zhì)石英砂巖夾板巖。砂巖單層厚0.5 m 左右，質(zhì)地堅(jiān)硬，性脆，含鐵質(zhì)。板巖單層厚0.1 ～0.3 m，含白云母，呈灰白色，局部層位呈深灰色，風(fēng)化后呈黃綠色或黃褐色，含膨脹性黏土礦物，質(zhì)軟，遇水易泥化，砂巖與板巖構(gòu)成軟硬相間的易滑地層組合。

地層向東傾斜，代表性產(chǎn)狀為100°∠23°。無錫雪浪山從20 世紀(jì)70 年代初即開山取石，迄今已有40 年歷史，2004 年關(guān)停了該采石場，并進(jìn)行復(fù)綠。開挖后的邊坡坡角一般在25°以上，因此A 段邊坡主要是切層邊坡，即易滑邊坡。大滑坡具有多年的滑動歷史，70 年代初，采石引起滑坡，壓埋了坡腳工棚，填埋了下方水塘，2005 年1 月5 日和1 月29 日的2 次降雨均引起了滑動。研究區(qū)平面圖如圖1 所示，滑坡縱剖面圖如圖2 所示。

圖1 無錫市濱湖區(qū)雪浪山平面圖Fig.1 Plan view of Xuelang Mountain by Binhu District of Wuxi City

圖2 無錫市濱湖區(qū)雪浪山采石開挖邊坡滑坡縱剖面圖Fig.2 Longitudinal plan of quarrying rock slope excavation landslide of Xuelang Mountain by Binhu District of Wuxi City

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)使用儀器

試驗(yàn)儀器采用TSZ－1 型應(yīng)變控制式三軸儀，此三軸儀按照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］設(shè)計(jì)制造，用于測定土樣在等應(yīng)變加荷方式下土體的抗剪強(qiáng)度、變形特性和空隙水壓力。根據(jù)土樣固結(jié)排水條件和剪切時(shí)的排水條件［13－14］，常規(guī)的三軸壓縮試驗(yàn)分為3 種:不固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，簡稱UU 試驗(yàn);固結(jié)不排水剪試驗(yàn)，簡稱CU 試驗(yàn);固結(jié)排水剪試驗(yàn)，簡稱CD 試驗(yàn)。該儀器可以進(jìn)行UU、CU 和CD 等剪切試驗(yàn)，試件尺寸為39.1 mm×80 mm，電動控制剪切速率。應(yīng)變控制方式由單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)無級變速;周圍壓力和反壓力由單片機(jī)自動控制。該機(jī)具有操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)方法選擇

常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)儀是土工實(shí)驗(yàn)室中最主要的儀器［15］，其各方面性能比較完善，試驗(yàn)方法及其理論也很成熟。國內(nèi)外學(xué)者［16－18］對土的三軸剪切試驗(yàn)進(jìn)行了很深入的研究，它不僅可以控制排水條件，而且可以測量土體內(nèi)的孔隙水壓力，應(yīng)力條件比較明確和應(yīng)力均勻，在受力條件上，屬于三維受力狀態(tài)，接近土體的“真實(shí)”受力狀態(tài)。本試驗(yàn)所選地區(qū)的滑坡主要是由采石導(dǎo)致土體松動以及降雨引起的，因此采用三軸UU 剪切試驗(yàn)可以更好地模擬實(shí)際情況。

本試驗(yàn)土樣物理性質(zhì)指標(biāo)的測定方法均參照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用比重瓶法測定相對密度，液、塑限聯(lián)合測定法測定液、塑限，顆粒分析試驗(yàn)采用篩析法［12，19］。運(yùn)用X 線衍射分析技術(shù)對試樣的礦物學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了考察［20］。

2.3 重塑土取樣及試樣制作

2.3.1 重塑土取樣 把土工試驗(yàn)室常用的直剪儀環(huán)刀(直徑61.8 mm)帶到滑坡現(xiàn)場，選擇滑帶土較厚的部位(厚度＞2 cm)，沿滑帶土上方剝離出能安放5 個(gè)環(huán)刀的平臺(約30 cm2)，將環(huán)刀刃口向下擺放在平臺上，并且使環(huán)刀的編號正對主滑方向，然后將普通磚刀平放在環(huán)刀上，用錘子輕擊磚刀，將環(huán)刀垂直壓入滑帶土中?；瑤烈话愠受浰軤睿苋菀讐喝?。若遇到石頭則難以壓入，需重新選擇位置安放。將環(huán)刀全部壓入后，從環(huán)刀下方3 ～5 cm 處，將磚刀水平打入，把環(huán)刀連同滑帶土一起鏟起，裝入塑料袋包裹密封，放入收納箱內(nèi)送入試驗(yàn)室［21］。按照這種取土方法，分別從滑坡體邊界、滑動面、剖面3個(gè)位置進(jìn)行了取土。

2.3.2 試樣制作 將風(fēng)干土樣放在橡皮板上用木碾碾散后通過2 mm 的篩，取篩下土，根據(jù)試驗(yàn)所需土樣和含水率，加適量水后密封靜置24 h，再將一定量的濕土分3 層倒入裝有環(huán)刀的擊實(shí)器內(nèi)，擊實(shí)至所需密度［19］。本次試驗(yàn)根據(jù)液塑限試驗(yàn)結(jié)果，并考慮制備土樣的可行性，選取了含水率為15%、20%和25%3 個(gè)級別，并選取干密度為1.75 和1.85 g/cm32 個(gè)級別，在相同條件下探索滑動層土體的抗剪強(qiáng)度特性，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

3 結(jié)果與分析

3.1 重塑土樣基本物理性質(zhì)

土體的物理性質(zhì)與土體的成因有著密切的關(guān)系，強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖地層巖性特殊，通過室內(nèi)試驗(yàn)，確定了重塑土樣的類型及其他物理性質(zhì)指標(biāo)值［22－23］，見表1。

表1 重塑土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical property index of remolded soil samples

重塑土樣的礦物成分見表2，單種巖石砂巖質(zhì)地堅(jiān)硬，性脆，其主要成分為:石英成分為52.0%以上、黏土15.0%左右、針鐵礦18.0%左右、其他物質(zhì)10.0%以上;單種巖石板巖中一般不含有礦物。由表2 可以看出強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖黏土礦物總量為72.0%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單種巖石砂巖的黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但其石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為28.0%，而單種巖石砂巖的石英成分為52.0%以上。砂巖夾板巖互層層理發(fā)育，易風(fēng)化，特別是遇水風(fēng)化為軟弱夾層，構(gòu)成了滑坡體的滑動面［24］。

表2 重塑土樣的礦物成分Tab.2 Mineral composition of remolded soil samples

3.2 不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)成果

表3 是主應(yīng)力差、圍壓、含水率和干密度兩兩變量間的Pearson 相關(guān)系數(shù)值以及相伴概率值。由此表可知:強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖重塑土樣的不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的主應(yīng)力差與圍壓的相關(guān)系數(shù)為0.520，其顯著性水平P=0.027 ＜0.05，二者關(guān)系顯著，成正相關(guān)關(guān)系，即主應(yīng)力差隨著圍壓的增大而增大;主應(yīng)力差與含水量的相關(guān)系數(shù)為－0.796，顯著性水平P=0.000 ＜0.001，二者關(guān)系極顯著，成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即主應(yīng)力差隨著含水率的增大而顯著減小;主應(yīng)力差與干密度的相關(guān)系數(shù)為0.136，顯著性水平P=0.590 ＞0.05，二者幾乎沒有任何關(guān)聯(lián)性，即主應(yīng)力差的大小與干密度的變化沒有關(guān)系。

表3 主應(yīng)力差與圍壓、含水率、干密度的相互關(guān)系Tab.3 Correlations of principal stress deviator and confining pressure，moisture content，dry density

3.3 重塑土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系

表4 示出黏聚力、內(nèi)摩擦角和含水率兩兩變量間的Pearson 相關(guān)系數(shù)以及相伴概率?？梢钥闯?當(dāng)干密度分別為1.75 和1.85 g/cm3時(shí)，強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖重塑土樣的黏聚力與含水率的相關(guān)系數(shù)為－0.965，其顯著性水平P=0.002 ＜0.05，二者關(guān)系顯著，成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即黏聚力隨著含水率的增大而減小;內(nèi)摩擦角與含水率的相關(guān)系數(shù)為－0.919，顯著性水平P=0.01 ＜0.05，二者關(guān)系顯著，成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即黏聚力隨著干密度的增大而減小。

通過三軸UU 剪切試驗(yàn)，當(dāng)干密度固定不變，分別為1.75 和1.85 g/cm3，隨著設(shè)定的含水率為15%、20%和25%時(shí)，得到了黏聚力與含水率的關(guān)系曲線(圖3)，其關(guān)系曲線均趨向于二次多項(xiàng)式。當(dāng)含水率為15%和25%時(shí)，干密度為1.85 g/cm3的土的黏聚力大于干密度為1.75 g/cm3的土的黏聚力;但含水率為20%時(shí)，干密度為1.85 g/cm3的土的黏聚力小于干密度為1.75 g/cm3的土的黏聚力。

表4 黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率的相互關(guān)系Tab.4 Correlations of cohesion，internal friction angle and moisture content

圖3 重塑土樣的黏聚力和含水率關(guān)系Fig.3 Relation curves of cohesion and moisture content of remolded soil samples

表5 是含水率和干密度的交互作用(含水率*干密度)檢驗(yàn)［25］分析表?？梢钥闯?含水率的顯著性水平P=0.000 ＜0.001，說明含水率是極顯著的，即含水率不同對黏聚力和內(nèi)摩擦角產(chǎn)生極顯著影響;而干密度的顯著性水平P=0.004 ＜0.05，含水率*干密度的顯著性水平P=0.001 ＜0.05，說明含水率和干密度交互作用的影響是顯著的。

粉質(zhì)黏土黏聚力取決于土粒間各種物理化學(xué)作用力，包括庫倫靜電力、范德華力、膠結(jié)作用力，等等［26］。對于粉質(zhì)黏土，土顆粒間的結(jié)合水對黏聚力的產(chǎn)生有著重要作用。隨著含水率的增加，土粒表面結(jié)合水膜增厚，粒間距離增大，連接力減弱，反映在宏觀上就是黏聚力減小［27］。對于滑動面土層，土粒間原有結(jié)構(gòu)被破壞了，這就更進(jìn)一步削弱了其黏聚力，導(dǎo)致土的強(qiáng)度迅速減小。

表5 含水率與干密度的交互作用檢驗(yàn)Tab.5 Tests of between－subjects effects of moisture content and dry density

圖4 為強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線，其關(guān)系曲線均趨向于二次多項(xiàng)式。當(dāng)干密度分別為1.75 和1.85 g/cm3時(shí)，強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖隨著含水率從15%增加到20%時(shí)，內(nèi)摩擦角均顯著減小;當(dāng)含水率為20%時(shí)，2 個(gè)密度級下的內(nèi)摩擦角相等;當(dāng)含水率從20%增加到25%時(shí)，干密度為1.75 g/cm3的重塑土的內(nèi)摩擦角依舊顯著減小，而干密度為1.85 g/cm3的重塑土的內(nèi)摩擦角減小趨于平緩，僅減小了0.1°。內(nèi)摩擦角的減小同樣削弱了粉質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度。

圖4 重塑土樣的內(nèi)摩擦角和含水率關(guān)系Fig.4 Relation curves of internal friction angle and moisture content of remolded soil samples

土的內(nèi)摩擦角與土的顆粒結(jié)構(gòu)、大小、形狀及密實(shí)度相關(guān):相同密實(shí)度的黏性土塑性指數(shù)越小，內(nèi)摩擦角越大;塑性指數(shù)一樣的黏性土，密實(shí)度越大，內(nèi)摩擦角也越大［27］。

試驗(yàn)原料為太西無煙超低灰純煤和粘結(jié)劑；試驗(yàn)設(shè)備主要包括磨粉機(jī)、除塵器、輥式壓塊機(jī)、粉碎機(jī)、整粒機(jī)、直線篩、振動給料機(jī)、炭活化一體爐等。太西無煙超低灰純煤的工業(yè)分析與元素分析見表1。

綜上所述，當(dāng)干密度分別為1.75 和1.85 g/cm3時(shí)，強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖的抗剪強(qiáng)度是隨著的含水率的增加而減小的。

3.4 重塑土的黏聚力、內(nèi)摩擦角與干密度的關(guān)系

通過三軸UU 剪切試驗(yàn)，當(dāng)含水率固定不變分別為15%、20%和25%，當(dāng)設(shè)定的干密度為1.75 和1.85 g/cm3時(shí)，得到了黏聚力與干密度的關(guān)系圖(圖5)，內(nèi)摩擦角與干密度的關(guān)系圖(圖6)。

圖5 重塑土樣的黏聚力和干密度關(guān)系Fig.5 Relation schema of cohesion and dry density of remolded soil samples

圖6 重塑土樣的內(nèi)摩擦角和干密度關(guān)系Fig.6 Relation schema of internal friction angle and dry density of remolded soil samples

由圖5 可知:當(dāng)含水率為15%和25%時(shí)，強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖在干密度為1.75 g/cm3的黏聚力均小于干密度為1.85 g/cm3的黏聚力;但當(dāng)含水率為20%時(shí)，干密度為1.75 g/cm3的黏聚力大于干密度為1.85 g/cm3的黏聚力。這種狀況的出現(xiàn)說明影響強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖黏聚力的界定值應(yīng)該為含水率20%左右的一個(gè)值。

由圖6 可知:當(dāng)含水率為15%和25%時(shí)，強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖在干密度為1.75 g/cm3的內(nèi)摩擦角均小于干密度為1.85 g/cm3的內(nèi)摩擦角;但當(dāng)含水率為20%時(shí)，干密度為1.75 g/cm3的內(nèi)摩擦角與干密度為1.85 g/cm3的內(nèi)摩擦角相等。由此進(jìn)一步論證了含水率20%極有可能就是一個(gè)界定值，在這個(gè)界定值下，強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖當(dāng)干密度為1.75 g/cm3和1.85 g/cm3時(shí)，內(nèi)摩擦角恒定不變，始終為3.4°。

4 結(jié)論與討論

1)無錫雪浪山強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受含水率的影響顯著。隨著含水率的增加，土粒間黏結(jié)力逐漸削弱，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)明顯減小。當(dāng)含水率從15%增加到25%，且當(dāng)干密度為1.75 g/cm3時(shí)，黏聚力減小8.5 kPa，內(nèi)摩擦角減小3.2°;當(dāng)含水率從15%增加到25%，當(dāng)干密度為1.85 g/cm3時(shí)，黏聚力減小10.8 kPa，內(nèi)摩擦角減小2.6°。

由于本文進(jìn)行三軸UU 剪切試驗(yàn)次數(shù)有限，在今后試驗(yàn)研究中，應(yīng)選擇增加試驗(yàn)次數(shù)以及增加剪切試驗(yàn)方法進(jìn)行剪切試驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)選取當(dāng)?shù)卦瓲钔吝M(jìn)行剪切試驗(yàn)對比，從而更加清晰地了解影響強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾板巖剪切強(qiáng)度指標(biāo)的因素。

實(shí)驗(yàn)及成文得到了趙廷寧、周德培、張加桂、冀曉東等老師的大力支持與幫助，在此深表謝意!

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