滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的水致弱化規(guī)律試驗研究

董金玉, 鄭珠光, 趙志強(qiáng), 楊繼紅

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450045)

滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的水致弱化規(guī)律試驗研究

董金玉, 鄭珠光, 趙志強(qiáng), 楊繼紅

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450045)

滑帶土的強(qiáng)度特性直接關(guān)系到滑坡體的穩(wěn)定性，在影響滑帶土強(qiáng)度特性的眾多因素中，水的作用至關(guān)重要，且水對不同種類滑帶土強(qiáng)度特性的影響程度不同。粉土和粉質(zhì)黏土屬于兩種常見的滑帶土類型，筆者選取三峽的粉土滑帶土和欒川的粉質(zhì)黏土滑帶土，進(jìn)行了不同含水率下的室內(nèi)直接剪切試驗，旨在對比研究此兩種滑帶土的水致弱化規(guī)律。試驗結(jié)果表明:在含水率增大的過程中，三峽粉土滑帶土的黏聚力先增大后減小，在液限附近存在一個極大值，欒川粉質(zhì)黏土滑帶土的黏聚力則呈對數(shù)形式遞減；隨著含水率的增大，三峽粉土滑帶土和欒川粉質(zhì)黏土滑帶土的內(nèi)摩擦角均呈線性降低，三峽粉土滑帶土內(nèi)摩擦角降低的速率小于欒川粉質(zhì)黏土滑帶土。

滑帶土;含水率;直接剪切試驗;黏聚力;內(nèi)摩擦角

滑帶是滑坡的一個重要結(jié)構(gòu)要素,滑帶土則是滑坡滑動過程中形成的特殊巖土體[1]。研究滑帶土的力學(xué)強(qiáng)度特性對預(yù)測滑坡體的變形情況及再次滑動具有重要意義。影響滑帶土強(qiáng)度特性的因素很多，李維樹等[2]對三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為滑帶土的地質(zhì)代表性、試樣尺寸、試驗數(shù)量、應(yīng)力大小、含水率及剪切面形態(tài)均為影響滑帶土力學(xué)特性的重要因素。在這些因素中水的影響尤為突出，大部分滑帶土都具有水致弱化規(guī)律，其強(qiáng)度特性對水十分敏感。陳小龍等[3]研究了三峽某黃土滑坡滑帶土力學(xué)特性隨含水率的變化規(guī)律，結(jié)果顯示，滑帶土的黏聚力及內(nèi)摩擦角均隨含水率增大近似呈線性減小，且內(nèi)摩擦角降低的線性規(guī)律更明顯。林峰等[4]采用各種直剪試驗方法研究了泥加碎石滑帶土重塑樣強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律,結(jié)果表明此滑帶土內(nèi)摩擦角隨含水率的增加變化不大，而黏聚力隨含水率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。李險鋒[5]對4組不同含水率的千枚巖碎屑土滑帶土樣進(jìn)行了剪切試驗，認(rèn)為隨著含水率的增大，滑帶土黏聚力和內(nèi)摩擦角均減小，但敏感性有所不同。帥常娥等[6]對碎石混合滑帶土進(jìn)行了不同黏粒含量及不同含水率的多組直剪試驗，結(jié)果顯示，土體含水率以塑限為臨界點，礦物含量對黏聚力表現(xiàn)出兩種不同的影響規(guī)律。

滑帶土強(qiáng)度特性隨含水率增減的變化規(guī)律對研究滑坡體的穩(wěn)定具有重要的指導(dǎo)意義，但目前關(guān)于水對滑帶土強(qiáng)度特性影響的研究多見于黃土、黏土、碎屑土和碎石土等類型的土體，而對滑動帶上粉土及粉質(zhì)黏土強(qiáng)度參數(shù)的水致弱化規(guī)律研究較少。

滑帶土由于物質(zhì)成分復(fù)雜，其強(qiáng)度特性受含水率影響不同。筆者選取典型的兩種滑帶土：三峽粉土滑帶土和洛陽欒川粉質(zhì)黏土滑帶土，對比研究兩種滑帶土原狀土樣在不同軸壓下的抗剪強(qiáng)度特性，分析了兩種滑帶土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角在不同含水率條件下的變化規(guī)律。

1 滑帶土的物理力學(xué)特性

三峽庫區(qū)某滑坡體為第四系松散堆積層，厚度10～30 m，滑床為紫紅色粉砂巖及泥巖或灰黃色泥灰?guī)r，滑帶厚度40 cm，室內(nèi)液、塑限試驗測得滑帶土液限為24.9%，塑限為18.0%，塑性指數(shù)為6.8，定名為粉土。欒川某降雨滑坡體為殘坡積土，基巖地層主要為土黃色泥巖，灰褐色、灰黑色、灰黃色互層泥巖，炭質(zhì)泥巖軟弱夾層等，滑帶土經(jīng)室內(nèi)試驗測得液限為34.2%，塑限為22.7%，塑性指數(shù)為11.5，定名為粉質(zhì)黏土。

兩種滑帶土顆粒級配情況見表1及如圖1所示。由級配曲線可知：三峽滑帶土和欒川滑帶土的限制粒徑d60分別為0.89、0.50 mm，d30分別為0.37、0.18 mm，有效粒徑d10分別為0.12、0.06 mm，不均勻系數(shù)Cu分別為7.42、8.62，曲率系數(shù)Cc分別為1.28、1.12。由于兩種土的不均勻系數(shù)均大于5，曲率系數(shù)在1～3范圍，說明土體顆粒不均勻，級配良好。此外，對比兩種滑帶土的不均勻系數(shù)可知，三峽滑帶土顆粒相對于欒川滑帶土顆粒組成更均勻；對比顆粒粒徑通過率可知，三峽滑帶土的顆粒粒徑總體上大于欒川滑帶土的顆粒粒徑。

表1 滑帶土樣篩分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計

圖1 滑帶土顆粒級配曲線

2 試驗方案

在滑帶土不同含水率室內(nèi)直接剪切試驗中，三峽粉土滑帶土的控制含水率分別為11.00%(天然含水率)、16.30%、18.00%(2 mm塑限含水率)、20.18%、25.00%(10 mm液限含水率)、35.62%(飽和含水率)；欒川粉質(zhì)黏土滑帶土控制含水率分別為11.00%、14.00%、16.90%(最優(yōu)含水率)、20.00%、23.00%、24.46%(天然含水率)、29.70%(飽和含水率)。同時，為了保證試驗過程中水土混合均勻和防止水分流失而導(dǎo)致含水率變化，在制備好試樣后，將其用塑料薄膜包裹起來放入保濕缸保存24 h后，再取出進(jìn)行直剪試驗。試驗在反復(fù)剪試驗儀RSI ShearTrac-Ⅱ上進(jìn)行。此儀器的優(yōu)點是可精確控制剪切速率并且可以完整地采集試驗數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 剪應(yīng)力-位移曲線

三峽粉土滑帶土和欒川粉質(zhì)黏土滑帶土天然含水率下的剪應(yīng)力-位移曲線如圖2所示。由圖可知：兩種滑帶土的剪應(yīng)力隨剪切位移的增大而不斷增大，在剪切過程中未出現(xiàn)峰值，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。在軸壓較小，如100、200 kPa時，三峽粉土滑帶土剪切開始時剪應(yīng)力增長迅速，隨著剪切的進(jìn)行，剪應(yīng)力增長速率不斷下降；欒川粉質(zhì)黏土滑帶土后期剪切曲線近似呈斜直線，說明剪應(yīng)力增長速率基本不變。這是因為隨著剪切的進(jìn)行，土樣內(nèi)部顆粒之間發(fā)生相對錯動，原先的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，這種破壞是不可逆的，試樣破壞后剪應(yīng)力克服的是滑帶土的殘余強(qiáng)度。在軸壓較高，如300 kPa時，三峽粉土滑帶土的剪切應(yīng)力隨著剪切的進(jìn)行持續(xù)增長，應(yīng)變硬化現(xiàn)象明顯，說明土樣內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生相對錯動后，在較高的軸壓下發(fā)生咬合形成新的抗剪強(qiáng)度；欒川粉質(zhì)黏土滑帶土在300 kPa軸壓下剪應(yīng)力沒有出現(xiàn)類似的增長速率，主要是因為其顆粒較小、含水率高、咬合力弱，結(jié)構(gòu)破壞后短時間內(nèi)難以形成新的抗剪強(qiáng)度。

圖2 滑帶土剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

3.2 滑帶土強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律

三峽粉土滑帶土和欒川粉質(zhì)黏土滑帶土在不同含水率下的強(qiáng)度及參數(shù)見表2及表3，進(jìn)一步可擬合得出含水率與強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力、內(nèi)摩擦角)之間的關(guān)系，如圖3和圖4所示。

表2 不同含水率下三峽滑帶土的黏聚力和內(nèi)摩擦角

表3 不同含水率下欒川滑帶土的黏聚力和內(nèi)摩擦角

圖3 滑帶土黏聚力與含水率關(guān)系曲線

圖4 滑帶土內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線

由圖3可以得到以下結(jié)論：

1)三峽粉土滑帶土和欒川粉質(zhì)黏土滑帶土的黏聚力隨含水率的增加呈非線性變化規(guī)律。

2)三峽粉土滑帶土的黏聚力隨含水率的增大，呈先增大后減小的趨勢，且黏聚力存在極大值，此極大值對應(yīng)的含水率約為25%，與其液限24.9%極為接近。從微觀角度來分析，土體中的水分為強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水，液限是土體中弱結(jié)合水含量最大并且有一定量的自由水的含水率[7]。在土體含水率介于塑限和液限之間時，含水率的增大主要是由于土顆粒間弱結(jié)合水的增多，而當(dāng)其超過液限后，含水率的增大會導(dǎo)致顆粒間游離的自由水含量明顯增大，從而導(dǎo)致分子間結(jié)合力的急劇減小，宏觀上則表現(xiàn)為黏聚力的明顯降低。

3)欒川粉質(zhì)黏土滑帶土隨著含水率的增大，黏聚力呈對數(shù)形式迅速減小,表現(xiàn)為明顯的水致弱化規(guī)律，但整體黏聚力大于三峽滑帶土。這是由于欒川滑帶土屬于粉質(zhì)黏土，而粉質(zhì)黏土中含有較多的細(xì)微黏性顆粒。在一定體積內(nèi)細(xì)粒含量越多，表面上產(chǎn)生的電化學(xué)力越能吸附水分子和離子，顆粒之間產(chǎn)生的黏滯阻力(凝聚力)也就越大[8]。

由圖4可以看出：三峽粉土滑帶土和欒川粉質(zhì)黏土滑帶土的內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大而近于線性減小。這是由于含水率的增大導(dǎo)致顆粒間的弱結(jié)合水和自由水含量升高，顆粒間隙被水分子填充，本來相互咬合摩擦的顆粒被較厚的水膜包裹，導(dǎo)致了摩擦系數(shù)的減小，降低了顆粒間的摩阻力，從而造成了內(nèi)摩擦角隨含水率增大而減小的現(xiàn)象。兩種滑帶土內(nèi)摩擦角隨含水率增大而減小的速率不同，欒川滑帶土屬于粉質(zhì)黏土，細(xì)微黏性顆粒含量較高，這些黏性顆粒具有親水性，在含水率增大的過程中能較快吸收水分子形成較厚的水膜覆蓋在顆粒表面，所以其內(nèi)摩擦角的減小速率要大于三峽粉土滑帶土。相同含水率下三峽滑帶土的內(nèi)摩擦角總是大于欒川滑帶土的內(nèi)摩擦角，這是顆粒組成和級配的差異造成的。

4 結(jié) 語

1)三峽粉土滑帶土和欒川粉質(zhì)黏土滑帶土的剪應(yīng)力隨剪切位移的增大而不斷增大，在剪切過程中均未出現(xiàn)峰值，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。在軸壓較高時，三峽粉土滑帶土應(yīng)變硬化現(xiàn)象顯著，欒川滑帶土應(yīng)變硬化不很顯著。

2)隨著含水率的增大，三峽粉土滑帶土的黏聚力先增大后減小，在液限附近存在一個極大值，欒川粉質(zhì)黏土滑帶土的黏聚力則呈對數(shù)形式遞減；三峽粉土滑帶土和欒川粉質(zhì)黏土滑帶土的內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大呈線性降低，三峽粉土滑帶土內(nèi)摩擦角降低的速率小于欒川粉質(zhì)黏土滑帶土。

[1]黃志全，李小慧，孫怡,等.魏家溝滑坡滑帶土非飽和蠕變特性試驗研究[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,36(1):47-50.

[2]李維樹，鄔愛清，丁秀麗.三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響因素研究[J].巖土力學(xué)，2006，27(1):56-60.

[3]陳小龍，丁建鋒，簡文星.含水率對滑帶土強(qiáng)度參數(shù)的影響[J].煤田地質(zhì)與勘探，2015,43(1):58-61.

[4]林鋒,丁秀美,楊松.滑帶土強(qiáng)度對水的敏感性直剪試驗研究[C]∥中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會.第八次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集.北京：科學(xué)出版社，2004.

[5]李險峰.含水率對滑帶土力學(xué)特性的影響研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012,25(1):83-85.

[6]帥常娥,石成,彭鵬.滑帶土中粘粒含量及含水量的變化對其強(qiáng)度影響的試驗研究[J].勘察科學(xué)技術(shù),2012(5):1-5，15.

[7]郭進(jìn)京，王芳，趙光鵬.軟土的含水率與界限含水量意義的討論[J].巖土工程技術(shù)，2009,23(1):26-29.

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(責(zé)任編輯：喬翠平)

Experimental Study on the Decrease Regularity of the Strength Parameters of Slip Soil Because of the Influence of Moisture

DONG Jinyu, ZHENG Zhuguang, ZHAO Zhiqiang, YANG Jihong

(School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The strength characteristic of slip soil is directly related to the stability of the landslide, and the moisture plays a very important role among the numerous influence factors.The moisture has different effects on the strength characteristics of different kinds of slip soils. Silt and silty clay are two kinds of common slip soils.Aimed at comparing the decrease regularity of the two slip soils because of the influence of moisture, we carried out the direct shear experiments to the silt slip soil from the Three Gorges and the silty clay slip soil from Luanchuan with different moisture contents in the laboratory. The experimental results show:with the increase of moisture content, the cohesive strength of the silt from the Three Gorges increases first and then decreases, and there is a maximum value near the liquid limit, while that of the silty clay from Luanchuan decreases in a logarithm; with the increase of the moisture content, the internal friction angles of the silt from the Three Gorges and the silty clay from Luanchuan linearly decrease, and the friction angle of the silt from the Three Gorges decrease more slowly than that of silty clay from Luanchuan.

slip soil; moisture content; direct shear test; cohesive strength; internal friction angle

2016-01-16

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(41102203);河南省科技創(chuàng)新人才計劃;水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301034);盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室開放課題(2013-07);華北水利水電大學(xué)青年科技創(chuàng)新人才支持計劃項目。

董金玉(1977—),男,河南省濟(jì)源人，副教授,博士,主要從事地質(zhì)工程方面的研究。E-mail:dongjinyu@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.02.015

TV16;TU411

A

1002-5634(2016)02-0083-04