滲透作用下滑帶土強度弱化規(guī)律研究*

魯文搏　吳益平　廖建民　李曜男　王　飛

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院1)　武漢　430074)　(江西省電力設計院2)　南昌　330096)

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滲透作用下滑帶土強度弱化規(guī)律研究*

魯文搏1)吳益平1)廖建民2)李曜男1)王飛1)

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院1)武漢430074)(江西省電力設計院2)南昌330096)

摘要：利用模擬庫水位實驗儀器，研究水位周期性漲落消落帶滑帶土滲流作用，對比滑帶土天然樣、浸泡樣及滲透樣抗剪強度特征.研究滲透作用對滑帶土強度弱化的規(guī)律，得到了滑帶土殘余強度與滲透壓力-時間之間的擬合公式，為消落帶滑帶土強度參數(shù)取值提供理論基礎.同時也為消落帶滑帶土力學強度判識提供定量化參考.

關(guān)鍵詞：滑帶土；滲流；強度弱化；殘余強度

0引言

滑帶土強度的研究是滑坡穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵性內(nèi)容，滑坡的發(fā)展演化與滑帶土強度特性密切相關(guān).國內(nèi)外學者對滑帶土強度影響因素做了大量的研究，劉小麗等[1]回顧國內(nèi)外一些代表性研究工作，對滑帶土強度特性研究內(nèi)容、方法和成果進行了總結(jié).考慮到滑帶土強度的工程作用，目前滑帶土強度的研究主要集中在滑帶土的殘余強度、強度軟化、結(jié)構(gòu)強度再生及其影響因素的研究上.

事實表明，滑帶土殘余強度與滑動后滑坡的穩(wěn)定性密切相關(guān)，剪切作用使滑動帶上扁平狀粘土顆粒形成定向排列是產(chǎn)生殘余強度的根本原因.土的殘余強度的表征是：剪切面上的孔隙水壓力的充分消散和顆粒的定向排列，因此需要用慢的剪切速率達到較大的剪切位移.目前對滑帶土殘余強度的研究主要側(cè)重在滑帶土的組成、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)特征、基本物理性質(zhì)等方面[2-4]，而針對地質(zhì)環(huán)境因素(如地下水狀態(tài)、應力狀態(tài)、變形狀態(tài)等)變化對滑帶土強度動態(tài)特性的影響這一領域的研究還比較欠缺.實際上，庫水位變動、大氣降雨和人類活動等因素的影響造成了三峽庫區(qū)大量滑坡的失穩(wěn)，其中滑帶土受庫水的反復浸泡作用，由此引發(fā)的強度降低是產(chǎn)生新生型滑坡或大量古滑坡復活的主要原因[5].而土的強度指標屬于土性指標中的動態(tài)參量，它是某種狀態(tài)條件下的產(chǎn)物，在滑坡的演化過程中隨著地質(zhì)環(huán)境因素的改變滑帶土強度參數(shù)是動態(tài)變化的.

文中以三峽庫區(qū)黃土坡滑坡為例，研究黃土坡滑坡在三峽水庫蓄水周期性漲落過程中，消落帶滑帶土受到庫水周期性的滲透作用后強度的弱化規(guī)律.利用自制模擬庫水位漲落實驗儀器對黃土坡滑坡滑帶土進行滲透處理，將處理后的土樣進行環(huán)剪實驗，通過不同試樣的強度對比，揭示滲透作用對滑帶土強度影響的實質(zhì).

1滑帶土基本物理力學特性

試驗用土來自中國地質(zhì)大學(武漢)巴東縣大型野外綜合試驗場TP3平硐內(nèi)的滑帶土.TP3平硐中出露的滑帶土，顏色以黃褐、灰褐色為主，經(jīng)顆粒分析可知，其主要物質(zhì)成分為粉質(zhì)粘土夾角礫，其基本物理性質(zhì)試驗結(jié)果見表1.可知原狀樣天然含水率小于塑限含水率，天然密度2.03 g/cm3，說明滑帶土處于超固結(jié)狀態(tài).塑性指數(shù)高達7.59，說明蠕動滑帶泥化程度高.由于所取的滑帶土處于地下水位以下，所以飽和度75.5%較高.本次試驗用土為過2 mm篩后的土樣.

表1　TP3平硐滑帶土基本物理性質(zhì)

2試驗方案

目前確定殘余強度的室內(nèi)試驗方法有3種：復排水剪試驗、三軸試驗、環(huán)剪試驗[6].往復排水剪試驗設備構(gòu)造簡單，制樣與安裝方便，操作易于掌握.其缺點是：假定上下盒之間的水平面為最危險滑動面，與實際情況不相符；試驗過程是通過剪切速率來控制排水程度，做不到嚴格的排水;隨著剪切位移的增大，土體的接觸面積逐漸減小，使土樣的應力發(fā)生變化，特別是豎向應力逐漸增大；在盒邊緣處的剪切面上剪應變集中，應變數(shù)值最大，在盒中部則分布較均勻，數(shù)值最小，這些使得試驗結(jié)果難以分析.往復直剪儀在剪切的過程中，上下兩個金屬盒是互相接觸的，應力環(huán)測定的不僅僅是土樣剪切面上的剪應力，還包括了2個金屬盒的摩擦力，導致了試驗結(jié)果高于真實結(jié)果.三軸試驗剪切位移有限，主要應用于峰值強度的研究中，關(guān)于殘余強度的研究成果很少.環(huán)剪儀在研究滑坡土體殘余強度方面優(yōu)點有：剪切面積不變；試樣可以沿一個方向連續(xù)剪切，能模擬滑坡的大位移條件；能夠在剪切過程中動態(tài)控制垂直應力、剪切速率和剪切力等條件[7-8].另外關(guān)于實心扭剪試驗中剪切面上剪應力分布不均的現(xiàn)象，由于試樣寬度相對于土環(huán)半徑而言較窄，因此可以認為剪應力沿剪切面是均勻分布的.總的來說環(huán)剪儀是研究殘余強度較好的儀器.

在對滑帶土試樣進行環(huán)剪實驗之前，先對土樣進行滲透處理，其中滲透實驗與環(huán)剪實驗原理如下所示.

2.1滲透試驗原理

滲透試驗原理見圖1，首先通過加壓氣泵將空氣壓入水箱，當水箱內(nèi)部壓力達到要求時滲透液(水)經(jīng)調(diào)壓閥后以一定的水壓進入到滲透儀下蓋和下透水石之間的水槽，接著通過下透水石-土樣-上透水石，最后從上蓋的水槽流出，即完成一個完整的滲透的過程.

圖1　滲透試驗原理示意圖

2.2環(huán)剪試驗原理

如圖2所示，環(huán)剪儀的剪切盒由上下2個金屬環(huán)組成，試驗時試樣放在環(huán)狀剪切盒內(nèi)，傳力板直接給環(huán)狀試樣的上部施加法向應力，試樣上表面被傳力板上徑向的刀口固定，通過下剪切盒轉(zhuǎn)動給試樣施加扭矩，實際上環(huán)剪試驗和直剪試驗一樣，破壞面是一個預設定的剪切面.

圖2　環(huán)剪試驗裝置原理圖

3試驗方案

3.1定滲透時間試驗方案

本次試驗擬通過定滲透時間(t=12 h)條件下，得到不同滲透壓力下滑帶土的強度參數(shù)，以分析滲透壓力對滑帶土強度弱化規(guī)律.為了得到各組強度參數(shù)c，φ值，需通過不同法向應力下的平行樣來實現(xiàn)，試驗方案見表2.滲透過后的試樣，力學強度指標通過ARS型環(huán)剪儀來檢測，為了排除環(huán)剪試驗條件對滲透試驗結(jié)果的干擾，各組試樣均先固結(jié)相同的時間(12 h)，再以恒定的剪切速率(v=0.5 mm/min)進行試驗.

表2　滲透壓力-法向應力試驗方案

注：天然樣(natural)和飽和樣(saturated)由于未經(jīng)歷滲透過程，所以滲透壓(permeability pressure)pp=0 kPa.

應用環(huán)剪儀確定殘余強度的方法分為：單級剪切試驗、預剪試驗和多級剪試驗，單級剪切是將試樣固結(jié)后只在恒定法向應力下進行剪切；預剪是指試樣固結(jié)后利用快剪形成一個剪切面然后再緩慢剪切；多級剪則是指試樣先后在從低到高的法向應力下固結(jié)剪切.由于每級滲透壓(pp)下需做三組不同法向應力下的環(huán)剪試驗，所以本次試驗采用多級剪方式進行剪切，即每級滲透壓下的試樣先在法向應力σ=100 kPa下固結(jié)12 h，再以0.5 mm/min的速率剪切6 h，繼而施加下一級(200，300 kPa)法向應力固結(jié)后再剪切，如此反復.一個試樣需經(jīng)歷3次固結(jié)-剪切的循環(huán)過程.

3.2滲透壓力-滲透時間試驗方案

本次試驗旨在研究滲透壓力、滲透時間對滑帶土強度弱化過程研究，在同時考慮2個變量(pp，t)情況下，得到滑帶土弱化系數(shù)的數(shù)學表達式，試驗分組見表3.本次試驗所有滲透后的試樣均在σ=100 kPa的法向應力下固結(jié)1 h，再以v=5 mm/min的速率進行剪切.

表3　滲透壓力-滲透時間試驗分組

4滲透作用對滑帶土強度的弱化效應分析

綜合國內(nèi)外學者研究表明水對滑帶土有弱化作用[9-10]，將此次試驗中滲透作用對滑帶土強度弱化分為兩個部分：(1)水對土體的直接軟化和潤滑作用，這部分與土的含水率或孔隙水壓力相對應，而與滲透壓本身無直接關(guān)系；(2)滲透壓力對土體組構(gòu)的破壞、劣化作用，這部分與水對土體的滲透力相對應.水對土體的軟化作用只與含水率相關(guān)，并不會直接破壞土體組構(gòu)的完整性，可以認為是一個相對靜態(tài)的過程.而滲透壓力對土體組構(gòu)的破壞、劣化作用則與滲透壓力直接相關(guān)，可以直接破壞土體組構(gòu)，導致力學強度劣化，這是一個相對動態(tài)的過程.

基于上述分析，本文引入水對土的直接軟化系數(shù)(簡稱軟化系數(shù))η(t)和滲透作用對土體組構(gòu)的劣化系數(shù)(簡稱劣化系數(shù))ω(pp,t)分別用來刻畫這兩部分對滑帶土強度的弱化作用，并且假設這兩個部分是相互獨立作用的，由此可得土體在一定滲透壓pp下滲透時間t后的弱化系數(shù)D(pp,t)為

(1)

1) 軟化系數(shù)η(t)的定義由于軟化系數(shù)是水對土體的直接軟化、潤滑作用，不會直接破壞土體組構(gòu)，內(nèi)在原因是含水率或孔隙水壓力的變化，所以選用浸泡土樣試驗來求得軟化系數(shù)，η(t)只與浸泡時間t相關(guān)，在滲透試驗時等同于滲透時間.軟化系數(shù)η(t)定義如下.

(2)

式中：τ(0,t)，τn分別為浸泡(pp=0 kPa)t時刻及天然樣的抗剪強度(也可為c，tanφ值).

2) 劣化系數(shù)ω(pp,t)的定義滲透作用對土體組構(gòu)的劣化作用則不僅與滲透壓pp有關(guān)，還與滲透時間t也有關(guān)，其定義如下.

(3)

式中：τ(pp,t)為滲透壓pp作用時間t后的抗剪強度(也可為c，tanφ值)；τ(0,t)為浸泡時間t后的抗剪強度(也可為c，tanφ值).

由式(1)～(3)可知：

(4)

5試驗結(jié)果分析

5.1定滲透時間試驗結(jié)果分析

由圖3可知峰值強度與滲透壓pp擬合關(guān)系不明顯，殘余強度與滲透壓pp擬合性較好，主要是由于試樣均為重塑土，其峰值強度與原狀樣有差異，而滑帶土的殘余強度與土的應力歷史、原始結(jié)構(gòu)無關(guān)，可用滑帶土的重塑樣進行大位移剪切試驗求取殘余強度來表征原狀樣的強度指標.表4中滑帶土殘余強度環(huán)剪試驗數(shù)據(jù)反映了較好的規(guī)律，殘余強度隨著滲透壓增大而遞減，且在較小的范圍內(nèi)迅速弱化，在100～150 kPa即趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)負指數(shù)衰減規(guī)律.同時可以看出滑帶土抗剪強度與試驗時的法向應力有關(guān)，法向應力越大抗剪強度也越大.定滲透時間(t=12 h)條件下各試樣的強度參數(shù)見表5.

表4　各組試驗峰值強度及殘余強度值　kPa

圖3　各組試驗τ-pp擬合曲線

參數(shù)編號12345678c/kPa10.6967.6766.5566.1365.8165.8965.7765.872tan?0.4640.4130.3570.3070.2690.2420.2260.220

由式(2)、式(3)可知，本試驗工況下c值的軟化系數(shù)η(t)、劣化系數(shù)ω(pp,t)分別為

(5)

(6)

式中：b為待定系數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)確定；R0為收斂值；pp為對應的滲透壓.

將表3試驗數(shù)據(jù)帶入式(5)、式(6)可得

(7)

5.8+1.876e-0.017 1pp

(8)

0.717(5.8+1.876e-0.017 1pp)

(9)

c(pp,12)=cnD(pp,12)

(10)

(11)

0.22+0.193e-0.007 97pp

(12)

0.89(0.22+0.193e-0.007 97pp)

(13)

(14)

圖4為各滲透壓下滑帶土組構(gòu)劣化占整個強度弱化的比重，可以明顯看出：(1)c，tanφ比重都隨滲透壓pp的增大而增大，并且很快趨于穩(wěn)定；(2)c值的組構(gòu)劣化比重沒有tanφ值的高，組構(gòu)劣化對c的影響沒有對φ的影響大；(3)c值的組構(gòu)劣化比重均小于0.5，說明軟化作用比劣化作用對c值的影響大；(4) tanφ的組構(gòu)劣化比重均大于0.5，說明內(nèi)摩擦角φ的弱化以組構(gòu)劣化為主.

圖4　劣化占弱化比重圖

綜上所述，滲透作用對滑帶土強度存在弱化作用，且隨著滲透壓pp的增大而迅速增大，并且很快趨于穩(wěn)定.如果把這種弱化作用分為直接軟化作用和組構(gòu)劣化作用兩部分來研究，那么直接軟化作用主要影響c值的大小，而組構(gòu)劣化作用主要影響tanφ值的大小，說明含水率直接影響土的基質(zhì)吸力，由于環(huán)剪試驗中滑帶土的φ值主要取決于滑帶上土顆粒的定向排列程度，組構(gòu)劣化作用是影響了土顆粒的定向排列，繼而導致tanφ值的減小.

5.2滲透壓力-滲透時間試驗結(jié)果分析

D(pp,t) 由η(t)、ω(pp,t)兩部分組成，η(t)通過浸泡樣(pp=0 kPa)與天然樣比較求得，η(t)與時間t的關(guān)系見圖5.

圖5　η(t)-t關(guān)系曲線

由于η(t)基本符合負指數(shù)衰減規(guī)律，假設其數(shù)學表達式為：

(15)

式中：b為待定系數(shù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定；η0為η(t)收斂值；t為浸泡時間.代入試驗數(shù)據(jù)可得η0=0.79，b=0.196，則軟化系數(shù)數(shù)學表達式為

(16)

組構(gòu)劣化系數(shù)ω(pp,t)通過滲透樣與浸泡樣比較求得，ω(pp,t)與pp，t的關(guān)系曲線見圖6.

圖6　各滲透壓下ω(pp,t)-t關(guān)系曲線

由圖6可知，各組試驗均反映了較好的規(guī)律.從7組試驗強度比值線可看出，殘余抗剪強度隨著滲透時間增加而遞減，且在較短時間內(nèi)迅速弱化，經(jīng)歷一段時間后抗剪強度保持定值不再減小，呈現(xiàn)出負指數(shù)衰減的特性.同比7組試驗數(shù)據(jù)又可發(fā)現(xiàn)，滑帶土殘余抗剪強度的弱化幅度與滲透壓大小也有關(guān)，滲透壓越大抗剪強度的弱化降幅越大，且最終的收斂值越小.由上述分析可得，滲透作用下滑帶土殘余強度的弱化不僅與滲透時間有關(guān)，還與滲透壓的大小相關(guān).

由于ω(pp,t)基本符合負指數(shù)衰減規(guī)律，假設其數(shù)學表達式為

(17)

式中：a為待定系數(shù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定；K(pp)為劣化系數(shù)收斂值.進一步分析收斂值K(pp)與滲透壓的關(guān)系，見圖7，浸泡樣pp=0 kPa.

圖7　收斂值K(pp)與滲透壓pp關(guān)系

同理假設其數(shù)學表達式為

(18)

式中：c為待定系數(shù)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定；K0為收斂值.代入試驗數(shù)據(jù)可得K0=0.71，c=0.008 93，K(pp)的數(shù)學表達式為

K(pp)=0.71+0.29e-0.008 93pp

(19)

將式(19)和數(shù)據(jù)代入式(17)得a=0.103 3，則劣化系數(shù)ω(pp,t)的數(shù)學表達式為

(20)

將式(16)、式(20)代入(1)可得本試驗條件下的弱化系數(shù)D(pp,t)的數(shù)學表達式為

(21)

滑帶土滲透樣殘余強度τ(pp,t)的數(shù)學表達式為

(22)

式中：τn為天然樣的殘余強度值；D(pp,t)為弱化系數(shù).

式(22)揭示了滲透作用的時間和強度對滑帶土的殘余強度的弱化效應，給出了滑帶土殘余強度隨著滲透壓強和時間的一個動態(tài)變化過程，為涉水滑坡工程中殘余強度的確定提供了參考依據(jù)，并且為水對土體強度弱化效應的研究提供了一定探索思路.

6結(jié)論

1) 水對土體的弱化作用分為軟化作用和劣化作用.水對土體的軟化作用只與含水率相關(guān)，并不會直接破壞土體組構(gòu)的完整性，可以認為是一個相對靜態(tài)的過程；滲透壓力對土體組構(gòu)的破壞(即劣化作用)則與滲透壓直接相關(guān)，可以直接破壞土體組構(gòu)，導致力學強度劣化，這是一個相對動態(tài)的過程.

2) 滲透作用對滑帶土強度存在弱化作用，且隨著滲透壓pp的增大而迅速增大，并且很快趨于穩(wěn)定.把這種弱化作用分為直接軟化作用和組構(gòu)劣化作用兩部分來研究，那么直接軟化作用主要影響c值的大小，即含水率直接影響土的基質(zhì)吸力；而組構(gòu)劣化作用主要影響tanφ值的大小，即組構(gòu)劣化作用主要影響了土顆粒的定向排列，繼而導致tanφ值的減小.

參 考 文 獻

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The Law of Residual Strength Weakening of Slip Soil Under the Action of Seepage

LU Wenbo1)WU Yiping1)LIAO Jianming2)LI Yaonan1)WANG Fei1)

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)1)(ElectricPowerDesignInstituteofJiangxi,Nanchang330096,China)2)

Abstract：By using self-made instrument, the seepage of the slip soil under the periodic change of the reservoir water level is simulated. The shear strengths of natural soil samples, soaked soil samples and seepage samples are compared. The law based on which seepage influences the strength of slip soil is studied. A fitting formula describing the relationship between the residual strength of slip soil and seepage pressure-time is obtained. It provides theoretical foundation for the parameter valuation of slip soil in the water-level-fluctuating zone. In addition, this formula also provides a quantitative reference for strength identification of slip soil.

Key words：slip soil; seepage; strength weakening; residual strength

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.029

中圖法分類號：U416.1

收稿日期：2016-02-14

魯文博(1990- )：男，碩士生，主要研究領域為巖土工程穩(wěn)定性評價

*國家自然科學基金項目資助(41272307)