滑帶土含水率與力學(xué)參數(shù)關(guān)系試驗研究

齊劍峰，張成兵，宋雪琳，李 鐸

（1.河北省水資源可持續(xù)利用與開放重點實驗室，石家莊 050031；2.河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)隊，河北滄州 061000）

滑帶土含水率與力學(xué)參數(shù)關(guān)系試驗研究

齊劍峰1，張成兵2，宋雪琳1，李 鐸1

（1.河北省水資源可持續(xù)利用與開放重點實驗室，石家莊 050031；2.河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)隊，河北滄州 061000）

為研究降雨型滑坡滑帶土力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，通過三軸剪切試驗，在不同含水率下對某滑坡滑帶土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系、抗剪強度與變形模量以及強度指標進行了初步研究。研究表明，含水率對滑帶應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系發(fā)展模式影響顯著。當含水率小于塑限時，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的發(fā)展模式為彈性變形→應(yīng)變硬化→出現(xiàn)峰值→應(yīng)變軟化，出現(xiàn)剪切破壞面；而當含水率大于塑限時，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系發(fā)展模式基本上是應(yīng)變硬化，出現(xiàn)鼓脹破壞。隨含水率增大，滑帶土抗剪強度降低，可分為3個階段：塑限含水率以前，抗剪強度變化不明顯；塑限含水率至17%（液限與塑限含水率的平均值附近）時，抗剪強度下降速率最大；隨后變緩。隨含水率增大，滑帶土黏聚力降低，近似符合雙線性關(guān)系。

滑帶土；含水率；應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系；破壞模式；強度指標

1 研究背景

我國西南山區(qū)雨季常發(fā)生滑坡，其中由松散、軟弱的殘坡積土層組成的淺層滑坡眾多。滑坡發(fā)生的原因往往是降雨入滲使土體含水率和土體重度增大，進而導(dǎo)致土體的強度和剛度等力學(xué)性質(zhì)改變，最終造成斜坡失穩(wěn)。在該地區(qū)，常形成風(fēng)化殘坡積土帶—半風(fēng)化巖土帶—新鮮巖石的漸變結(jié)構(gòu)，其中殘坡積土組成復(fù)雜、土性差異大、空間分布起伏顯著，該類斜坡的構(gòu)成介質(zhì)從表面上看屬于砂性土或黏性土，但土體中存在軟弱結(jié)構(gòu)面、局部孔洞或使其呈現(xiàn)各向異性力學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)面［1－2］。

滑帶（面）位置的確定是進行斜坡穩(wěn)定性分析與合理評價的基礎(chǔ)，滑帶（面）土的形成演化過程及其工程性質(zhì)是認識該類斜坡滑動機理的關(guān)鍵。目前對殘坡積土工程性質(zhì)的研究較多，李維樹等通過原位試驗研究了滑帶土的抗剪強度參數(shù)［3］，江洎洧等通過CT掃描和仿真試驗研究了滑帶土的力學(xué)參數(shù)［4］。倪萬魁等通過對實際降雨強度模擬，研究了降雨入滲后含水率在黃土剖面的分布和對土體強度的影響［5］。田斌等通過工程實例對滑帶土強度參數(shù)的取值進行了研究，指出含水率是強度參數(shù)的主要影響因素之一［6］。然而針對殘坡積滑坡滑帶土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)特性的研究成果相對不夠豐富。為研究滑帶土在雨水入滲條件下力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，針對云南某滑坡滑帶土，采用應(yīng)變控制式三軸剪切儀等土工試驗設(shè)備，進行了多組不同含水率條件下的三軸剪切試驗，并基于試驗分析結(jié)果，對滑帶土的應(yīng)力－應(yīng)變變化特征和強度參數(shù)的變化規(guī)律進行了研究。

2 試驗概況

滑帶土試樣取自哀牢山地區(qū)嘎灑鎮(zhèn)青樹村某滑坡，滑坡處于滑動后固結(jié)階段，滑帶厚約0.5～1.0 m，主要在滑坡的右側(cè)緣滑帶附近和滑坡的中下部滑帶處分別采用鉆孔和探槽方式獲取土樣，取2份擾動土樣重25 kg，為獲得土的天然含水率，每份擾動土樣中均取約1 kg的土樣用塑料袋密封?；瑤镔|(zhì)主要為黑色泥、粉土夾少量碎石。其基本物理性質(zhì)指標如表1所示，2處滑帶土物理性質(zhì)指標較為接近，表中ρ，w，wl，wp，Ip，Gs分別為密度、含水率、液限、塑限、塑性指數(shù)、土粒相對密度。當進行力學(xué)性質(zhì)試驗時，通過烘干、研磨后過2mm土工篩，粒度累積曲線如圖1所示。為研究不同含水率條件下滑帶土的力學(xué)性質(zhì)，對干土進行分層擊實、加水，配制成干密度為1.77 g／cm3、含水率和飽和度均不相同的重塑試樣，如表2所示。為了使試樣的含水率能夠均勻，將制備好的土樣放在塑料袋里密封悶置24 h。試驗采用KTG全自動三軸儀進行不固結(jié)不排水（UU）試驗，剪切速率控制為0.5%／min，圍壓為50，100，200，300 kPa，試驗前后均測定試樣的含水率，表2中所給含水率值為2次測定含水率的平均值。

圖1 粒徑累積線Fig.1 Cumulative grain size curve

表1 滑帶土基本物理性質(zhì)指標Table 1 Physical properties of soil in the sliding-zone

表2 重塑土樣的含水率與飽和度值Table 2 Values of water content and saturated degree of remolded specimens%

3 應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系特性

通過三軸剪切試驗，獲得在相同圍壓、不同含水率條件下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，如圖2、圖3所示。當試樣的含水率小于塑限含水率時，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的發(fā)展模式為彈性變形→塑性應(yīng)變硬化→出現(xiàn)峰值→應(yīng)變軟化→殘余強度出現(xiàn)；而當試樣的含水率大于塑限含水率時，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的發(fā)展模式基本上是應(yīng)變硬化，沒有出現(xiàn)應(yīng)力峰值。2種不同的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系發(fā)展模式對應(yīng)的破壞方式也不相同，前者能夠觀察到明顯的剪切破壞面，后者主要是試樣的壓縮變形和底部鼓脹，沒有明顯的剪切破壞面。前者（在應(yīng)力達到峰值偏差應(yīng)力前）與后者具有相同的特點是：隨著含水率的升高，主應(yīng)力差和切線模量隨應(yīng)變的上升速率都相應(yīng)降低。

當含水率小于塑限時，一般在應(yīng)變達到約5%，出現(xiàn)峰值偏差應(yīng)力，而后隨應(yīng)變增大而應(yīng)力急速減??；在應(yīng)變超過10%以后，偏差應(yīng)力降速有減緩趨勢。當含水率（13%和15%）稍大于塑限時，即使應(yīng)變達到15%以后，偏差應(yīng)力增大趨勢明顯；而當含水率（＞17%）遠大于塑限時，應(yīng)變達到5%以后，偏差應(yīng)力增加量很小，可近似作理想塑性處理。

圖2 Q－1試樣的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Stress-strain relations of specim en Q－1

圖3 Q－2試樣的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Stress-strain relations of specimen Q－2

應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系發(fā)展破壞模式出現(xiàn)上述現(xiàn)象，反映了該滑帶土的物理力學(xué)變化特征：當土體的含水率小于塑限含水率時，土體稠度狀態(tài)處于固態(tài)或半固態(tài)，土顆粒之間的擴散層存在較薄的薄膜水，使土顆粒間連結(jié)力顯著增大，這種連接力形成了固化內(nèi)聚力。因而當初始加載時，主要是固化內(nèi)聚力抵抗施加應(yīng)力，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系基本呈線性關(guān)系，當荷載達到臨塑荷載后，土粒之間的摩擦力發(fā)揮作用，此時應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系呈線應(yīng)變硬化，隨著荷載和變形增大，固化內(nèi)聚力遭到破壞迅速降低，類似于非飽和黃土的結(jié)構(gòu)性破壞［7］，因而應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系在應(yīng)變達到5%左右出現(xiàn)峰值，以后呈應(yīng)變軟化。當土體的含水率大于塑限含水率時，土樣初始處于硬塑狀態(tài)，土粒間的結(jié)合水膜增厚，膠結(jié)力仍較高，此時由黏聚力和顆粒間的摩擦力共同抵抗施加的應(yīng)力，隨著荷載和變形加大，破碎的顆粒增大了摩擦系數(shù)，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化。隨著含水率增大，土樣處于可塑狀態(tài)，較厚的結(jié)合水膜為顆粒的重新排列調(diào)整提供了條件，當受到較大的豎向壓力作用時，土樣出現(xiàn)鼓脹，隨著變形加大，土體吸收了應(yīng)變能，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化。

根據(jù)滑帶土的天然含水率大小，得出應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的變化模式，進而判斷土體是沿剪切面迅速破壞或者是漸進的壓縮變形破壞，對于滑坡的穩(wěn)定性分析和工程治理具有重要的意義。

4 強度與剛度

為研究滑帶土的強度隨含水率的變化特征，當應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系出現(xiàn)峰值時，取峰值偏差應(yīng)力之半作為抗剪強度；無峰值時，取應(yīng)變值達到15%時的偏差應(yīng)力之半作為抗剪強度?；瑤恋目辜魪姸入S含水率的變化關(guān)系如圖4所示，當含水率相同時，隨圍壓增大抗剪強度增大；在相同的圍壓條件下，抗剪強度總體趨勢是隨著含水率的增大而減小，由抗剪強度減小的速率來看，可以分為3個階段：①在達到塑限含水率前，抗剪強度變化不明顯；②在超過塑限含水率后，抗剪強度降低明顯；③含水率達到17%（液限與塑限含水率的平均值附近）以后，抗剪強度下降變緩。而且在含水率接近液限時，無論圍壓大與小，抗剪強度最終趨向相同。因此對于暴雨工況下滑坡穩(wěn)定性分析時，如果土體的含水率達到或接近液限時，所使用的飽和抗剪強度參數(shù)可以通過同1個圍壓下的UU三軸試驗獲得。

圖4 滑帶土抗剪強度隨含水率的變化曲線Fig.4 Variations of shear strength against water content of soils in the sliding-zone

在土坡穩(wěn)定性評價中，滑帶土的抗剪強度指標是最重要的基本力學(xué)參數(shù)。在不同的含水狀態(tài)下，土體的抗剪強度指標存在顯著差異，特別對于含有大量親水性黏土礦物成分的巖土材料，含水率的變化將導(dǎo)致其抗剪強度的顯著變化。

4.1 黏聚力隨含水率變化

滑帶土黏聚力與含水率的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖可見，隨著含水率的增大，黏聚力總體呈減小趨勢，但減小速率具有階段性，當含水率從8%增至17%時，黏聚力從45 kPa減到3 kPa，減小了42 kPa，而當含水率由17%增至21%時，黏聚力僅減小了2 kPa。黏聚力出現(xiàn)階段性降低，當含水率增大時，結(jié)合水膜逐步增厚，膠結(jié)力降低，但含水率達到大于塑限含水率的某一值時，顆粒之間的結(jié)合水膜增厚，膠結(jié)作用逐漸喪失?；瑤琉ぞ哿εc含水率的經(jīng)驗關(guān)系符合雙線性，可用式（1）表示：

圖5 實測數(shù)據(jù)與擬合曲線Fig.5 Test data and the fitted curve

式中：A，B為試驗參數(shù)。通過對實測數(shù)據(jù)的擬合，得到滑帶土的試驗參數(shù)A＝73.33，B＝3.99，相關(guān)系數(shù)R＝0.98。擬合曲線如圖5所示，實測數(shù)據(jù)與擬合曲線較為一致。

4.2 內(nèi)摩擦角隨含水率變化

滑帶土內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖可見，相對于黏聚力，含水率對內(nèi)摩擦角的影響較小，當滑帶土的含水率由8%增至21%時，內(nèi)摩擦角僅在2°～6°范圍內(nèi)變化。整個變化過程中，內(nèi)摩擦角先增大，在塑限含水率（13%附近）達到峰值，隨后降低。這能夠解釋圖4（a）中在塑限含水率附近抗剪強度較高的原因，盡管在塑限含水率附近粘聚力降低，但內(nèi)摩擦角增大。由于滑帶土細粒成分含量多，因而土的內(nèi)摩擦角的絕對值也不大，而且從含水率8%至塑限13%之間的內(nèi)摩擦角為4°～6°，內(nèi)摩擦角變化主要集中在塑限含水率以后。

圖6 內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線Fig.6 Variations of internal frictional angle against water content

5 結(jié) 論

（1）滑帶土以塑限含水率為界限，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的發(fā)展破壞模式存在顯著差異。當試樣的含水率小于塑限時，其發(fā)展破壞模式為彈性變形→應(yīng)變硬化→峰值→應(yīng)變軟化，并可見剪切破壞面；而當試樣的含水率大于塑限時，其發(fā)展破壞模式一直表現(xiàn)為塑性應(yīng)變硬化，沒有出現(xiàn)應(yīng)力峰值，并可見鼓脹變形破壞。

（2）滑帶土抗剪強度隨著含水率的增大而減小，可分為3個階段，塑限含水率以前，抗剪強度變化不明顯，塑限含水率至17%（液限與塑限含水率的平均值附近）時，抗剪強度下降速率最大，隨后變緩。

（3）隨含水率增大，滑帶土黏聚力降低，近似符合雙線性關(guān)系。內(nèi)摩擦角最大值在塑性含水率附近，大于塑性含水率后內(nèi)摩擦角降低較快。

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［3］ 李維樹，鄔愛清，丁秀麗，等.三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強度參數(shù)的影響因素研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27（1）：56－60.（LIWei-shu，WU Ai-qing，DING Xiu-li，et al.Study on Influencing Factors of Shear Strength Parameters of Slide Zone Clay in Three Gorges Reservoir Area［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（1）：56－60.（in Chinese））

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［6］ 田 斌，戴會超，王世梅.滑帶土結(jié)構(gòu)強度特征及其強度參數(shù)取值研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（17）：2887－2892.（TIAN Bin，DAI Hui-chao，WANG Shi-mei.Strength Characteristic of Soil in Slide Zone and Determination of Its Parameters［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（17）：2887－2892.（in Chinese））

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（編輯：姜小蘭）

Experimental Study on the Relation Between Water Content and M echanical Properties of Soils in Sliding-Zone

QIJian-feng1，ZHANG Cheng-bing2，SONG Xue-lin1，LIDuo1
（1.Hebei Provincial Open Laboratory of Sustained Development and Utilization ofWater Resource，Shijiazhuang 050031，China；2.The Fourth Team of Hydro-Engineering of Hebei Provincial Bureau of Geo-exploration Mineral Development，Cangzhou 061000，China）

To research themechanical properties of soil in the sliding-zone of rainfall-induced landslide，we investigated the stress-strain relation，shear strength index and initial deformationmodulus by triaxial shear tests.The results indicated that the water content has remarkable impact on the developmentmode of stress-strain relations.When thewater content is smaller than the plastic limit，the stress-strain relation experienced a process from elastic deformation to strain hardening，to peak value emergence，then to strain softening，and finally to shear failure surface；while when the water content is larger than the plastic limit，themode of strain-stress relations generally developed from strain hardening swell at the bottom of the sample.With the increase of water content，the shear

strength decreases，which can be divided into three phases：when the water content is smaller than the plastic limit，the variation of shear strength is not obvious；when the plastic limit is17%（in the vicinity of the average value of liquid limit and plastic limit），the shear strength reducesmost rapidly；and afterwards，the decrease of shear strength slows down.With the increase of water content，the cohesion decreases in an approximate bilinear relation.

sliding-zone soil；water content；stress-strain relation；failuremode；strength index

TU 43

A

1001－5485（2013）07－0091－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.07.018

2012－10－3；

2012－11－04

973專項（2010CB428805－1）；國家科技支撐項目（2006BAC04B01）；國家大壩安全工程技術(shù)開放基金（NDSKFJJ1201）

齊劍峰（1975－），男，河南太康人，副教授，博士，主要從事土力學(xué)基本理論、地質(zhì)災(zāi)害及其防治等方面的研究，（電話）15833311974（電子信箱）jianfengluck＠163.com。