不同含水率下滑帶土的力學(xué)特性研究

張小林,韓愛(ài)果,任光明

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

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不同含水率下滑帶土的力學(xué)特性研究

張小林,韓愛(ài)果,任光明

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

摘要：通過(guò)中剪試驗(yàn)和側(cè)限壓縮試驗(yàn)，研究同一干密度、不同含水率條件下滑帶土的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力、摩擦系數(shù)和側(cè)限壓縮試驗(yàn)中孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量的變化規(guī)律等。結(jié)果表明：隨著含水率的增加，抗剪強(qiáng)度呈線性減小，內(nèi)聚力和摩擦系數(shù)減小，可用對(duì)數(shù)方程表示?？紫侗?、壓縮系數(shù)和壓縮模量變化顯著，但敏感性有所不同。

關(guān)鍵詞：滑帶土；中剪試驗(yàn)；側(cè)限壓縮試驗(yàn)；含水率

滑帶土是滑坡物理力學(xué)作用(溫度、壓力、剪應(yīng)力)和水—巖(土)化學(xué)作用的產(chǎn)物，存在于多數(shù)滑坡的滑床與滑體之間，其結(jié)構(gòu)破碎、厚度不等使滑帶受力特殊和形成過(guò)程復(fù)雜，使得其結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)、地球化學(xué)等性質(zhì)與滑坡體中其他部位的巖土體存在較大的差異[1-2]，并且成為滑坡中力學(xué)強(qiáng)度最低的軟弱帶。其力學(xué)特性一直是土力學(xué)與巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題，與滑坡的發(fā)展變形、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有著密切的關(guān)系[3-4]。因此，獲取正確可靠的滑帶土力學(xué)參數(shù)對(duì)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)滑坡地質(zhì)災(zāi)害及確定滑坡治理方案至關(guān)重要。西藏、青海等高海拔、高嚴(yán)寒、交通不便地區(qū)的工程項(xiàng)目,要采取原狀土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)非常困難，要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更是需要很大的投資。所以，國(guó)內(nèi)外對(duì)擾動(dòng)滑帶土研究甚多，尤其是不同含水率下滑帶土的力學(xué)特性研究，取得了可喜的成果。如王海東等[5]使用WF循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)研究了含水率對(duì)非飽和砂土力學(xué)特性影響，陳偉等[6]用室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)研究青海地區(qū)重塑黃土力學(xué)性能影響，Zhang Dingwen等[7]研究壓實(shí)非飽和土的模量與含水率關(guān)系,Athanasopoulos[8]對(duì)經(jīng)過(guò)土工膜加固的高飽和度淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行了大型直剪試驗(yàn)研究, 分析了隨著剪應(yīng)力的不斷增大，加固土剪切損傷變形行為以及土與土工膜間接觸摩擦力的發(fā)展變化過(guò)程，吳民暉等[9]利用側(cè)限壓縮固結(jié)儀研究了不同含水率重塑黃土變形特性分析，分析了含水率對(duì)于重塑黃土的變形影響。根據(jù)含水率對(duì)土力學(xué)特性影響的復(fù)雜性和試驗(yàn)規(guī)模的大小在某種程度上影響到試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性。綜合考慮，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，進(jìn)行了同一干密度、不同含水率下的中剪試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)研究，著重研究了西藏芒康縣巴塘水電站一滑坡滑帶土力學(xué)特性，探討了滑帶土抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力、摩擦系數(shù)、孔隙比和壓縮模量等的變化規(guī)律，并為選擇適合的滑面強(qiáng)度參數(shù)、進(jìn)行庫(kù)岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)用土取自西藏芒康縣巴塘水電站一滑坡前緣鉆孔所揭露的巖芯，通過(guò)滑帶土顆粒分析知其物質(zhì)成分為級(jí)配良好的含細(xì)粒土砂，其中小于0.075 mm的細(xì)粒含量占13.46%，2～0.075 mm的砂粒含量占58.00%, 2～20 m的礫粒占28.54%。圖1為中剪試驗(yàn)和側(cè)限壓縮試驗(yàn)用土的顆粒累積曲線，基本物理性質(zhì)測(cè)試得滑帶土天然含水率7.95%，天然密度為2.11，液限32.13，塑限19.69，干密度1.95 g/cm3。

1.1 中剪試驗(yàn)

按環(huán)刀容積(14 cm×15 cm×16 cm)及干密度，計(jì)算得到所需要的土質(zhì)量和加水量，將稱取的土樣平鋪于搪瓷盤(pán)中，并將稱取好的水均勻噴灑于土樣中，充分拌勻后裝入盛土容器內(nèi)蓋緊，潤(rùn)濕24 h。根據(jù)環(huán)刀容積及干密度計(jì)算所需要的濕土，將盒底面墊上濾紙，在盒內(nèi)側(cè)鋪薄紙板，采用擊樣法將土樣分三層裝入盒內(nèi)，每層試樣裝填儀器高度的1/3，逐層搗實(shí)。依次試樣頂部放上濾紙、試樣蓋板、滾珠軸承，將水平加載系統(tǒng)前板緊貼下剪切盒推板。設(shè)計(jì)8.27%、10.43%、12.60%、14.96%、16.73%等五組試樣，每組5個(gè)樣，垂直壓力分別為2.789、5.64、8.5、11.35、14.26 kPa。分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪應(yīng)力，求得破壞時(shí)的剪切應(yīng)力，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同含水率下對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

1.2 側(cè)限壓縮試驗(yàn)

將土烘干，篩選小于2 mm的擾動(dòng)土做高壓固結(jié)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)7.98%、16.41%，18.56%、24.31%、28.00%、31.35%等6種不同含水率試樣，結(jié)合壓縮固結(jié)試驗(yàn)的要求，施加1 kPa的預(yù)壓力使試樣與儀器上下各部件之間接觸，將百分表調(diào)整到測(cè)讀初始讀數(shù)，然后施加壓力等級(jí)為12.5、25、50、100、200、300、400、800 kPa。試驗(yàn)采用慢速固結(jié)穩(wěn)定的方法，即施加每級(jí)壓力后24 h記錄百分表讀數(shù)，研究不同含水率對(duì)滑帶土的變形影響。

2 試樣結(jié)果整理與分析

2.1 含水率對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的影響

圖2給出了6條不同含水率下滑帶土抗剪強(qiáng)度的試樣曲線，可見(jiàn)滑帶土的抗剪強(qiáng)度值與正應(yīng)力均表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，用摩爾庫(kù)倫關(guān)系式進(jìn)行描述如下：

τ=σtanφ+c

(1)

式中:τ為剪應(yīng)力；σ為正應(yīng)力；c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；摩擦系數(shù)f=tanφ。

從圖2可以看出，滑帶土的抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增加而整體下降，這是由于隨著含水率增加，土顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)開(kāi)始迅速溶解，抗剪強(qiáng)度減小。

2.2含水率與內(nèi)聚力和摩擦系數(shù)的關(guān)系

滑帶土的內(nèi)聚力和含水率的關(guān)系如圖3所示，從圖中和表1可以看出，內(nèi)聚力隨著含水率增加而減小?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中對(duì)粘聚力多采用指數(shù)擬合和對(duì)數(shù)擬合[10]，為了使擬合結(jié)果相關(guān)性更高，本文用對(duì)數(shù)來(lái)進(jìn)行回歸分析，得到如下關(guān)系式：

C= -56.32ln(w) + 184.65R2= 0.977 8

(2)

滑帶土的摩擦系數(shù)隨著含水率的變化如圖4所示，其隨著含水率的增大而減小，得到如下回歸方程式：

f= -0.358 ln(w) +1.310 9R2= 0.957 8

(3)

根據(jù)滑帶土的天然含水率為7.95%，將其帶入公式(2)、(3)，即可求出天然狀態(tài)下滑帶土的摩擦系數(shù)為0.569，內(nèi)聚力為67. 89 kPa, 該滑坡滑帶土天然狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度參數(shù)值。

2.3 含水率對(duì)滑帶土變形參數(shù)的影響

文獻(xiàn)資料顯示，e-p曲線近似于對(duì)數(shù)曲線，而去掉0點(diǎn)后則擬合效果明顯改善[11]。根據(jù)不同含水率，得到曲線如圖5。不同含水率下孔隙比與垂直壓力的關(guān)系式如表2。

表2 不同含水率下孔隙比與垂直壓力的關(guān)系式

含水率w/%孔隙比與垂直壓力關(guān)系式相關(guān)系數(shù)R27.98e=-0.025ln(w)+0.38760.973416.41e=-0.032ln(w)+0.39890.920718.56e=-0.037ln(w)+0.42340.946224.31e=-0.038ln(w)+0.40290.973028.00e=-0.041ln(w)+0.40620.960231.35e=-0.045ln(w)+0.38270.9357

從圖5和表2可看出，試樣在同一干密度1.95 g/cm3下初始孔隙比都為0.37左右，隨著含水率的增加，e-p曲線變化明顯，尤其是在接近液限(含水率31.35%)時(shí)，壓縮曲線急劇下降，若用公式e=Aln(w)+B來(lái)表示曲線情況，可明顯看出A隨含水率增加整體下降，B>0。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得垂直壓力12.5～800 kPa內(nèi)滑帶土的壓縮系數(shù)、壓縮模量變化如表3。

從表2中可以看出，土樣含水率在天然狀況下時(shí)，壓縮系數(shù)較低，土體表現(xiàn)出了較低的壓縮性，此時(shí)土樣具有較高的強(qiáng)度，與之前算出的天然狀況下摩擦系數(shù)為0.569，內(nèi)聚力為67.89 kPa可相互印證。由于壓縮模量是在側(cè)限條件下豎向壓應(yīng)力與豎向總應(yīng)變之比，可得壓縮系數(shù)愈小，壓縮模量Es愈大，圖6、圖7是壓縮模量、壓縮系數(shù)與含水率關(guān)系曲線，從中可看出，含水率在12.5 kPa時(shí)，壓縮模量隨著含水率的增大而先減小后增加，又緩慢減小，在25～300 kPa時(shí)，壓縮模量隨含水率的增加，其變化幅度較大，說(shuō)明不同壓力下含水率增加可降低土體的壓縮性，尤其是在400～800 kPa時(shí)隨含水率增大壓縮模量變化更是顯著。

表3 不同含水率下壓縮系數(shù)及壓縮模量隨壓力的變化

3 結(jié)論

1)抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力和摩擦系數(shù)隨著含水率的增加而減小。其中內(nèi)聚力C=-56.32ln(w)+184.65，摩擦系數(shù)f=-0.358 ln(w)+1.310 9，只需采取少量土樣測(cè)得天然含水率，就能推算出天然含水率下滑帶土的黏聚力、內(nèi)摩擦角。

2)土樣含水率由低變高，垂直壓力較小時(shí)，壓縮模量先減小后增加再減小。隨著垂直壓力增大，壓縮模量變化越來(lái)越明顯，而壓縮系數(shù)與壓縮模量相反。

3)初始孔隙比都為0.37，e-p曲線隨著含水率的增加變化明顯。很多水電站滑坡受現(xiàn)場(chǎng)勘探工作量的控制，不能獲得較系統(tǒng)的深部土樣進(jìn)行試驗(yàn)，需取接近液態(tài)時(shí)試驗(yàn)做高壓固結(jié)試驗(yàn)。

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(責(zé)任編輯李軍)

Study on mechanical properties of sliding zone under different water contents

ZHANG Xiao-lin, HAN Ai-guo, REN Guang-ming

(State Key Lab. of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University Of Technology, Sichuan Chengdu 610059,China)

Abstract：Through the shear test and the confined compression test, this paper studied the change rule of the shear strength of soil, cohesion, friction coefficient and confined compression test of void ratio, compression coefficient and compression modulus under the condition of same dry density and different moisture content. Results show that with the increase of moisture content, the shear strength linearly decreases, and cohesion and friction coefficient decreases, which can be expressed by logarithmic equation. Void ratio, compression coefficient and compression modulus changes significantly, but the sensitivity is different.

Key words：sliding zone; shear test; confined compression test; water content

中圖分類(lèi)號(hào)：TU432

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2016)01-0096-04

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.021

作者簡(jiǎn)介：張小林(1990-)，女，四川古藺人，碩士，主要研究方向?yàn)榈刭|(zhì)工程

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41072229)

收稿日期：2015-10-14