含水率對(duì)金坪子滑坡土體力學(xué)特性的影響

李險(xiǎn)峰

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，安徽淮北 235000)

含水率對(duì)金坪子滑坡土體力學(xué)特性的影響

李險(xiǎn)峰

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，安徽淮北 235000)

通過(guò)8組不同含水率千枚巖碎屑土滑坡土體的三軸排水剪切試驗(yàn)，研究了含水率對(duì)滑坡土體力學(xué)特性的影響.研究表明:滑坡土體三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線總體上表現(xiàn)為硬化型，且呈現(xiàn)出明顯的非線性;隨著含水率增大，滑坡土樣粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈減小趨勢(shì)，滑體土和滑帶土對(duì)含水率的敏感性有所不同.

滑體土;滑帶土;千枚巖;三軸試驗(yàn);含水率

0 引言

我國(guó)西南山區(qū)雨季常發(fā)生滑坡，原因往往是土體含水率在降雨過(guò)程中發(fā)生改變，導(dǎo)致滑帶土體強(qiáng)度和剛度衰減，最終造成邊坡失穩(wěn)［1－2］.在滑坡的形成過(guò)程中，由于邊坡巖土體各部位的受力性質(zhì)、受力大小和滑動(dòng)速率不同而產(chǎn)生拉張裂縫［3］，而這些裂縫又為雨水的進(jìn)入提供了通道.在雨水及邊坡下滑力的作用下，在邊坡內(nèi)某特殊土層中便形成滑動(dòng)面，而此特殊土層也就是滑動(dòng)帶.因而研究滑帶土和滑體土的工程特性及其之間的差異，對(duì)于滑坡的形成機(jī)制與穩(wěn)定性分析將具有重要意義.

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，滑坡的形成過(guò)程也就是滑帶土的變形破壞過(guò)程［4－5］.文獻(xiàn)［6］通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)典型滑帶不同狀態(tài)的原位直剪對(duì)比試驗(yàn)，研究了粘土、粉質(zhì)粘土及土石混合體三類(lèi)滑帶體土在不同含水狀態(tài)下的直剪抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化規(guī)律;程?hào)|幸等［7］通過(guò)影響滑帶土長(zhǎng)期強(qiáng)度的含水量、粒度成分、密度、礦物化學(xué)成分以及試驗(yàn)條件研究了滑帶土長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的衰減特性;鄭曉晶等［8］研究了三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州區(qū)膨脹性滑帶土的粘粒含量、含水量和應(yīng)力狀態(tài)與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了解釋;宋雪琳等［9］研究了云南哀牢山某滑坡滑體土與滑帶土工程性質(zhì)的差異.陶宏亮等［10］通過(guò)對(duì)趙樹(shù)嶺滑坡特征(滑坡形態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造及滑帶土性狀等)的歸納總結(jié)，探討其形成條件，并對(duì)各種擬定情況下滑坡Ⅰ級(jí)平臺(tái)的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量計(jì)算，為三峽水庫(kù)三期蓄水后的滑坡穩(wěn)定分析、研究及檢測(cè)提供參考.本文采用室內(nèi)三軸排水剪切試驗(yàn)，著重研究了含水率對(duì)金坪子滑坡II區(qū)滑帶土、滑體土力學(xué)強(qiáng)度的影響.

1 滑坡概況

金坪子滑坡位于烏東德水電站下游0.9～2.6 km金沙江右岸，也是白鶴灘水電站水庫(kù)庫(kù)尾，由于金坪子滑坡扼守于梯級(jí)電站的敏感部位，其穩(wěn)定性、變形發(fā)展趨勢(shì)及可能失穩(wěn)規(guī)模成為金沙江下游兩個(gè)梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)中必須明確回答的問(wèn)題之一.

金坪子滑坡三維地形圖如圖1所示，滑坡一共分為五個(gè)區(qū)，可研階段的研究重點(diǎn)在I區(qū)和II區(qū).滑坡Ⅱ區(qū)體積約2 700萬(wàn)m3，屬蠕滑變形體，堆積體厚度一般45～100 m，最厚110～130 m(前部)，厚度總體上由前至后變薄.滑坡區(qū)地形復(fù)雜，前后緣高差大，達(dá)1 100～1 200 m，滑帶土主要是千枚巖碎屑土.從2005年5月至2009年8月的變形監(jiān)測(cè)資料看，Ⅱ區(qū)蠕滑體水平總位移在52.4～223.5 cm之間，后緣平均日變形位移在0.30～0.77 mm/d之間，中下部地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)日變形位移大于1.0 mm/d，表現(xiàn)為前緣大、后緣小，可見(jiàn)該滑坡已有牽引式蠕滑跡象.

圖1 金坪子滑坡三維地形圖Fig.1 Three-dimensional topographic map of Jinpingzi landslide

金坪子滑坡存在規(guī)模大、滑坡體坡陡層厚、滑帶土千枚巖碎屑土粒粗且松散、有蠕動(dòng)變形跡象等特點(diǎn)，而千枚巖碎屑土的強(qiáng)度特性與其含水率密切相關(guān)，對(duì)滑帶土與滑體土力學(xué)特性的研究，可以為邊坡的穩(wěn)定性分析及支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù).

2 滑坡土體物理化學(xué)特性

2.1 物理特性

千枚巖碎屑土滑帶樣與滑體樣均呈紫紅色，滑帶樣現(xiàn)場(chǎng)干密度為2.15 g/cm3，天然含水率為9.2%;滑體樣現(xiàn)場(chǎng)干密度為2.10 g/cm3，天然含水率為5.4%;滑帶土的其他物理特性參數(shù)如表1所示.千枚巖碎屑土滑帶樣與滑體樣的顆粒累積曲線如圖2所示，滑帶土中膠粒與粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25.9%、44%，滑體土中粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.8%、16.2%，可見(jiàn)，滑帶土中細(xì)粒含量明顯高于滑體土.

表1 滑帶土與滑體土的物理特性參數(shù)Table 1 Physical mechanics parameters of slidingzoo and sliding-body

圖2 滑帶土與滑體土顆粒累積曲線Fig.2 Particle accumulation curve of sliding-zoo and sliding-body

2.2 礦物化學(xué)特性

千枚巖碎屑土滑帶樣與滑體樣粘土礦物成分、化學(xué)成分、pH值的試驗(yàn)成果見(jiàn)表2和表3所示.由表2可知，滑帶樣與滑體樣礦物成分中，伊利石含量最高，分別為58%、55%，且滑帶土含量比滑體土高.其次是石英，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為23%.礦物化學(xué)分析成果表明，滑帶土Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.0%，高于滑體土的11%，所以滑帶土外觀呈現(xiàn)紫紅色;pH值分別為8.96、7.80，呈弱堿性.

表2 千枚巖碎屑土滑帶樣礦物分析成果Table 2 Analysis results of phyllite debris clay-like minerals

表3 千枚巖碎屑土滑帶樣化學(xué)試驗(yàn)成果Table 3 Chemical test results of phyllite debris soil slip

3 含水率對(duì)滑坡土體力學(xué)性質(zhì)影響

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本次試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備采用SY250型應(yīng)變式三軸儀.試驗(yàn)中體變的量測(cè)采用外體變量測(cè)裝置，通過(guò)測(cè)量壓力室內(nèi)水的質(zhì)量變化來(lái)?yè)Q算外體變，當(dāng)試樣體積發(fā)生膨脹時(shí)，壓力室的水進(jìn)入圍壓控制壓力室，反之當(dāng)試樣體積收縮時(shí)，圍壓控制壓力室的水進(jìn)入壓力室，通過(guò)測(cè)量圍壓控制壓力室質(zhì)量變化，換算成試樣的外體變.

本次試驗(yàn)試樣尺寸為Φ101 mm×200 mm，土料經(jīng)風(fēng)干碾散過(guò)20 mm篩，按試驗(yàn)要求對(duì)超過(guò)試驗(yàn)儀器允許的最大顆粒粒徑部分進(jìn)行處理，本試驗(yàn)儀器允許最大顆粒粒徑為20 mm，對(duì)大于20 mm粒徑部分按規(guī)范采用等量替代處理.對(duì)千枚巖碎屑土滑帶土和滑體土分別進(jìn)行四組不同含水率的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，滑帶土土樣干密度為2.15 g/cm3，含水率分別為6.5%、7.8%、9.2%、10.0%(飽和含水率)，滑體土土樣干密度為2.10 g/cm3，含水率分別為7.2%、9.3%、11.2%、13.2%(飽和含水率)，試樣均在1.0 MPa圍壓下排水固結(jié)，固結(jié)完成后分別卸圍壓至0.3 MPa、0.6 MPa、0.9 MPa和加至1.2 MPa圍壓下固結(jié)穩(wěn)定后進(jìn)行排水剪切試驗(yàn).

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3是滑帶土與滑體土三軸剪切后照片，圖4為不同含水率情況下滑帶土與滑體土三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，圖5為滑帶土與滑體土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化曲線.

圖3 千枚巖碎屑土滑坡土體三軸剪切后照片F(xiàn)ig.3 Photos of phyllite soil landslide debris after triaxial shear

由圖3可以看出，千枚巖碎屑土三軸剪切后沒(méi)有明顯的剪切面，試樣側(cè)面發(fā)生鼓脹，且圍壓越低，含水率越高，其鼓脹越明顯，即其剪脹現(xiàn)象越明顯.由圖4可以看出，千枚巖碎屑土滑帶樣和滑體樣三軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線均表現(xiàn)出明顯的非線性，且總體上表現(xiàn)為硬化型，隨著圍壓的增大，硬化現(xiàn)象越顯著.

由圖5可以看出，千枚巖碎屑土滑帶樣和滑體樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均隨含水率的增大而降低，滑帶土c值從165 kPa降低到67 kPa，降低了59.4%，滑體土c值從226 kPa降低到54 kPa，降低了76%，且在一定界限區(qū)段內(nèi)對(duì)含水率的變化比較敏感，在此區(qū)段內(nèi)粘聚力隨著含水率增大急劇下降，超過(guò)此界限區(qū)段上限含水率后，粘聚力變幅很小，這是由于隨著含水率的增大，非飽和土的基質(zhì)吸力作用逐漸減弱，基質(zhì)吸力在一定程度上發(fā)揮著“假粘聚力”的作用，而當(dāng)超過(guò)一定含水率后，基質(zhì)吸力隨含水率變化較小，粘聚力基本沒(méi)有變化;當(dāng)滑帶土和滑體土均達(dá)到飽和含水率時(shí)，滑帶土粘聚力c值比滑體土大，這是因?yàn)橥馏w細(xì)粒含量高，則土顆粒比表面積大、顆粒間間距小且接觸面積大，而粘聚力是土顆粒間膠結(jié)連接、水連接等連接力的直接反映，隨著含水率的增大，土顆粒外圍水膜增厚，顆粒間距離增大，致使土中水連接作用減弱，從而c值降低，滑帶土細(xì)粒成分含量高，所以c值降低程度遠(yuǎn)小于滑體土.由圖5(b)可以看出內(nèi)摩擦角φ值也是隨著含水率的增大而降低的，降低幅度分別為23%、30%，由于含水率的增大，相當(dāng)于在土顆粒間增加了潤(rùn)滑劑，削弱了土顆粒間的相互嵌接與相互咬合，從而導(dǎo)致φ值的降低，而φ值是摩擦系數(shù)的反映，與顆粒表面間的粗糙度有關(guān)，粗顆粒具有較大的粗糙度，這也是飽水后滑體土φ值大于滑帶土的原因.

圖4 滑坡土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between stress and strain of sliding-body

圖5 滑坡土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between shear strength parameter and moisture content of sliding-body

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)8組不同含水率千枚巖碎屑土滑坡土體的三軸排水剪切試驗(yàn)，研究了含水率對(duì)滑帶土與滑體土的力學(xué)特性的影響，并分析了產(chǎn)生影響的機(jī)理，得出以下結(jié)論:

a.千枚巖碎屑土三軸剪切后沒(méi)有明顯的剪切面，試樣側(cè)面發(fā)生鼓脹，且圍壓越低，含水率越高，其鼓脹越明顯，即其剪脹現(xiàn)象越明顯;三軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線均表現(xiàn)出明顯的非線性，且總體上表現(xiàn)為硬化型，隨著圍壓的增大，硬化現(xiàn)象越顯著.

b.千枚巖碎屑土滑帶樣和滑體樣的粘聚力c均隨含水率的增大而降低，這是由于隨著含水率的增大顆粒間的連接減弱，從而使c值降低，而滑帶土細(xì)粒成分含量高，顆粒間的連接大于滑體土，從而滑帶土c值降低程度遠(yuǎn)小于滑體土.

c.千枚巖碎屑土滑帶樣和滑體樣的內(nèi)摩擦角φ均隨含水率的增大而減小，這是由于含水率的增大，相當(dāng)于在土顆粒間增加了潤(rùn)滑劑，削弱了土顆粒間的相互嵌接與相互咬合，從而導(dǎo)致φ值的降低.

d.千枚巖碎屑土滑帶樣和滑體樣的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ均隨含水率的增大而減小，但是在一定界限區(qū)段內(nèi)滑體土的力學(xué)特性受含水率的變化較滑帶土敏感.

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Impact of moisture content on mechanical properties of Jinpingzi slip soil

LI Xian-feng
(Department of Civil Engineering，Huaibei Vocational＆Technical College，Huaibei 235000，China)

Through eight groups of different triaxial compression tests of slip soil in different moisture content，the impact of moisture content on mechanical properties of slip soil was studied.The results show that the stressstrain curve of phyllite sliding soil is hardening modulus and nonlinear relationship，both the cohesive strengthcand the friction angle φ reduce with the increasing of moisture content in sliding-body and sliding-zoo，whose sensitivity to moisture content is also different.

sliding-body;sliding-zoo;phyllite;triaxial test;moisture content

TU44

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2012.03.007

1674-2869(2012)03-0027-05

2011-12-28

李險(xiǎn)峰(1968－)，男，安徽淮北人，高級(jí)工程師，碩士.研究方向:土力學(xué)與工程方面的教學(xué)與研究.

本文編輯:龔曉寧