涇陽南塬黃土環(huán)剪強度特性試驗研究

李 文 可

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600)

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涇陽南塬黃土環(huán)剪強度特性試驗研究

李 文 可

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600)

摘要：研究大剪切位移條件下土的抗剪強度特性，對于邊坡穩(wěn)定性分析以及滑坡防治等具有重要意義。利用環(huán)剪試驗儀，研究了飽和狀態(tài)下涇陽南塬黃土在不同法向應力和剪切速率下的抗剪強度特性。試驗結果表明：飽和黃土的抗剪強度隨法向應力的增大而增大，呈明顯的線性關系；隨著剪切速率的增大，飽和黃土的抗剪強度呈減小的趨勢；在剪切速率較低時，飽和黃土的剪應力—位移曲線呈應變硬化型，而剪切速率較高時，剪應力—位移曲線出現(xiàn)較明顯的剪切峰值強度，表現(xiàn)為應變軟化型，且剪應力達到峰值強度時的剪切位移也隨剪切速率的增大呈增大的趨勢。

關鍵詞：涇陽南塬；抗剪特性；殘余強度；法向應力；剪切速率

涇陽南塬地處陜西省涇陽縣涇河右岸，系關中盆地渭北黃土臺塬的北緣[1]。自1976年塬區(qū)大面積灌溉以來[2]，塬邊黃土滑坡頻發(fā)，曾造成了嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。通過研究黃土的抗剪強度特性，尤其是研究其在大位移剪切條件下的殘余強度特性，對于分析黃土邊坡的穩(wěn)定、揭示黃土滑坡的發(fā)生、運動機理等特性具有重要的意義。

環(huán)剪試驗是一種空心扭剪試驗，與常規(guī)的直剪及三軸剪切試驗相比，環(huán)剪試驗過程中可以保持試樣的剪切面積不變并且可以使其在連續(xù)的位移條件下進行剪切。因此，環(huán)剪儀已被廣泛用于大剪切位移條件下的滑帶土殘余強度特性研究[3-5]，在應變軟化研究方面的作用也越來越重要。Skempton[6]認為，以緩慢的剪切速率剪切至較大位移時所達到的最小剪切強度即為土的殘余強度，且其決定了土的抗剪強度。Hvorslev[7]指出，扭轉剪切試驗可以更好的測定土的殘余強度。戴福初等[8]認為，從殘余強度的概念出發(fā)，與直剪試驗相比，在測定土的殘余強度方面環(huán)剪試驗具有更好的優(yōu)勢。孫濤等[9]、尹占巧等[10]利用環(huán)剪儀研究了超固結黏性土的峰值及殘余強度，為國內環(huán)剪試驗的研究提供了借鑒。

本文以涇陽南塬斜坡帶坡腳黃土為研究對象，通過室內環(huán)剪試驗，研究了不同法向應力和剪切速率對該層黃土在飽和狀態(tài)下抗剪強度特性的影響，以期為區(qū)內黃土邊坡的穩(wěn)定性分析和滑坡防治提供一定的理論借鑒。

1試樣來源及其物理性質指標

試驗所用黃土取自涇陽南塬西廟店滑坡所處斜坡帶坡腳Q2黃土，顏色呈灰黃色，較密實，顆粒較細，質地均一，黏性較高，偶含蟲孔及植物根系，鈣質結核較多，滑坡全貌及取樣點位置見圖1，土樣的物理性質指標見表1。利用丹東百特Bettersize2000智能激光粒度儀對土樣的顆粒級配分析測試結果如圖2所示，其中粒徑在0.075 mm～0.005 mm之間的顆粒含量為74.36%，粒徑小于0.005 mm的顆粒含量為23.81%。根據(jù)《土工實驗規(guī)程》[11](SL237-1999)試驗土樣定名原則，該黃土屬于粉質黏土(塑性指數(shù)10.3)。

表1　黃土基本物理性質指標

圖1　西廟店滑坡全貌

圖2試樣顆粒分析曲線

2試驗儀器及試驗方案

2.1試驗儀器

試驗采用美國GTCS公司生產的SRS-150型環(huán)剪試驗儀，該儀器將扭矩施加在空心圓柱狀土試樣上，使試樣發(fā)生剪切變形與破壞，以此來測定土的應力—應變關系與殘余強度。該環(huán)剪儀最大剪切速率為360°/min，峰值扭矩820 N·m，最大法向應力1 000 kPa，峰值剪切應力1 300 kPa。試驗所用環(huán)形試樣尺寸為：外環(huán)直徑150 mm，內環(huán)直徑100 mm，有效試樣面積為98 cm2，試樣高度為25 mm。

2.2試驗方案

為測試涇陽南塬黃土在不同法向應力和剪切速率下的抗剪強度特性，試驗均采用單級剪切，即在試樣充分固結后，只在一級法向應力下進行剪切。受試驗儀器的限制，原狀黃土的環(huán)狀試樣制作較為困難，故本次試驗采用重塑飽和試樣。將風干后過2 mm篩的試驗土樣分層裝入剪切盒并壓實，控制每次裝入土樣的質量相同。試驗采用浸水飽和法，將通過計算使試樣達到飽和所需的一定量的水分批均勻的滴入剪切盒內，完成后用保鮮膜將試樣密封，使其充分飽和48 h。試樣固結時間為24 h，在法向應力100 kPa、200 kPa、300 kPa下分別進行剪切速率為130 mm/min、260 mm/min、390 mm/min(120°/min、240°/min、360°/min)的固結不排水正交試驗，共9組。

3試驗結果分析

3.1法向應力對抗剪強度的影響

試樣在3組相同剪切速率、不同法向應力下的剪應力—剪切位移曲線如圖3(a)～圖3(c)所示。從圖3中可以看出，試樣在相同的剪切速率條件下，剪應力與剪切位移曲線呈漸增型，即隨著法向應力的增大，相同剪切位移時所對應的抗剪強度也隨之增大。

圖3不同法向應力下剪應力—剪切位移關系

3.2剪切速率對抗剪強度的影響

剪切速率對殘余強度的影響比較復雜[12-14]。按照殘余強度受影響程度的大小，可將剪切速率劃分為慢剪(小于0.01 mm/min)、一般剪切(0.01 mm/min～100 mm/min)以及快剪(大于100 mm/min)。Skempton[6]通過研究指出，在慢剪條件下黏性土的殘余強度受剪切速率變化的影響基本可以忽略，而在快剪條件下，殘余強度會出現(xiàn)很大變化，尚需進一步研究。Lemos等[15]發(fā)現(xiàn)，在慢速排水剪作用下形成的剪切面上進行快速剪切，最終的快剪殘余強度值可能大于、等于或小于慢速排水剪的殘余強度。Tika等[16]利用環(huán)剪試驗對意大利瓦伊昂水庫滑坡滑帶土進行了研究，結果表明在一定的快剪速率下，試樣均先表現(xiàn)為強度的升高，隨后又表現(xiàn)出強度的明顯降低，在100 mm/min的剪切速率下，最小的快剪強度值僅為慢剪強度值的60%。

針對以上研究現(xiàn)狀，本次試驗選取130 mm/min、260 mm/min、390 mm/min的剪切速率開展對涇陽南塬黃土在飽和狀態(tài)下的抗剪強度研究。試樣在3組相同法向應力、不同剪切速率下的剪應力—剪切位移曲線如圖4(a)～圖4(c)所示。從圖4中可以看出，在相同的法向應力條件下，隨著剪切速率的增大，飽和黃土的殘余強度隨之降低，且法向應力越大，殘余強度值降低的越大，這種現(xiàn)象主要是由于剪切速率過快，剪切面來不及排水，導致剪切面附近孔隙水壓力上升，有效應力減小，使土的殘余強度降低。

圖4不同剪切速率下剪應力—剪切位移關系

從圖4還可看出，剪切速率較低(130 mm/min)時，不同法向應力情況下，飽和黃土均未出現(xiàn)峰值強度，表現(xiàn)為應變硬化；而剪切速率較高時，在不同法向應力情況下飽和黃土都出現(xiàn)了比較明顯的剪切峰值強度，剪應力曲線呈應變軟化型，而隨著剪切速率的增大，剪應力達到峰值強度及殘余強度時所對應的剪切位移也增大，可見在較低的剪切速率條件下，土顆粒重新排列并固結，土體強度逐漸恢復，而剪切速率較高時，土體結構破壞，強度來不及恢復，故表現(xiàn)為應變軟化型，且黃土在剪切過程中需要更多的變形調整內部結構以達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3強度參數(shù)特性

飽和黃土剪應力—法向應力關系曲線如圖5所示。實驗結果表明，飽和黃土的抗剪強度隨法向應力的增大而增大，呈明顯的線性關系，由此可見同一級剪切速率條件下飽和黃土的內摩擦角與法向應力無關，這與文獻5中的結論一致。從剪應力—法向應力關系曲線中可以看出，隨著剪切速率的增大，同一級法向應力下的飽和黃土抗剪強度呈減小趨勢，且減小程度隨法向應力的增大而增大。

根據(jù)土力學中摩爾庫倫強度準則對不同剪切速率下飽和黃土的殘余強度和法向應力進行擬合，得到飽和黃土的強度參數(shù)c、φ值見表2。

圖5　剪應力—法向應力關系

4結論

(1) 飽和黃土的抗剪強度與法向應力呈明顯的線性關系，隨著法向應力的增大，相同剪切位移時，對應的抗剪強度也隨之增大，且剪應力達到峰值時的剪切位移也呈增大的趨勢。

(2) 法向應力相同時，飽和黃土的殘余強度隨著剪切速率的增大反而降低。

(3) 剪切速率較低(130 mm/min)時，不同法向應力情況下，飽和黃土均未出現(xiàn)峰值強度，表現(xiàn)為應變硬化；而剪切速率較高時，在不同法向應力情況下飽和黃土都出現(xiàn)了比較明顯的剪切峰值強度，剪應力曲線呈應變軟化型。

(4) 法向應力相同條件下，剪切應力達到峰值強度及殘余強度所對應的剪切位移隨著剪切速率的增大而增大。

參考文獻：

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Experiments of Shear Strength Characteristics in Ring Shear Tests of Loess from South Jingyang Plateau

LI Wenke

(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd，Beijing102600，China)

Abstract：Shear strength characteristics of large shear displacement of soil has important significance to the slope stability analysis and landslide prevention. Experiments were conducted on shear strength of saturated loess from South Jingyang Plateau at different normal stress and shear rate by using ring shear test. The results shows that the shear strength of saturated loess increases with the normal stress increases and reveal strong linear relationship, the shear strength of saturated loess decreases while the shear rate increases at low shear rate, shear stress-displacement curve of saturated loess shows strain hardening model, and at high shear rate, shear stress-displacement curve shows relatively obvious peak shear strength which shows the strain softening mode, and the shear displacement of shear stress at the peak time of strength also increases with the increase of shear rate.

Keywords:South Jingyang Plateau; shear strength; residual strength; normal strength; shear rate

文章編號：1672—1144(2016)01—0184—04

中圖分類號：P642

文獻標識碼：A

作者簡介：李文可(1990—)，男，河南洛陽人，碩士，主要從事巖土工程勘察方面工作。E-mail：liwenke121@163.com

基金項目：中國地質調查局項目(12120114036001)；國家自然科學基金重點項目(41130753)；西安科技大學博士啟動金(2014QDJ029)

收稿日期：2015-08-27修稿日期：2015-10-28

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.034