貴州畢節(jié)地區(qū)滑坡帶紅粘土水敏性探討

李利峰，程雪琴，王松，韓六平

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700）

貴州畢節(jié)地區(qū)滑坡帶紅粘土水敏性探討

李利峰，程雪琴，王松，韓六平

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，貴州畢節(jié)551700）

紅粘土是廣泛分布于西南地區(qū)的一種特殊土，其物理力學(xué)性質(zhì)隨含水量的變化很大。該文以畢節(jié)三個(gè)不同地點(diǎn)滑坡帶紅粘土為研究對(duì)象進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，研究了含水量對(duì)紅粘土的粘聚力、內(nèi)摩擦角的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著含水量的增加，紅粘土的峰值粘聚力和殘余粘聚力均呈一階負(fù)指數(shù)衰減，最后具有穩(wěn)定趨勢(shì)。峰值內(nèi)摩擦角和殘余內(nèi)摩擦角均呈線性關(guān)系下降。

紅粘土；粘聚力；內(nèi)摩擦角；滑坡帶

0 引言

由于第四紀(jì)季風(fēng)環(huán)流的存在，在熱帶-亞熱帶高溫濕條件下經(jīng)歷了復(fù)雜的紅土化過(guò)程形成了我國(guó)南方紅粘土[1]。貴州紅粘土是覆蓋于碳酸鹽巖系地層之上，由碳酸鹽巖系地層中的不溶雜質(zhì)為物質(zhì)來(lái)源而形成的特殊紅土。巖溶作用決定了紅粘土的成土早期和物質(zhì)來(lái)源的特點(diǎn)不同于其它巖石形成的土類(lèi)；巖溶殘余堆積物后期又經(jīng)歷紅土化作用，造就了紅粘土的基本特征[2]。大量學(xué)者針對(duì)紅粘土獨(dú)特的物理力學(xué)特性進(jìn)行了廣泛的研究。姜其巖和劉春等[3-4]根據(jù)紅粘土三軸剪切試驗(yàn)成果，論述其抗剪強(qiáng)度的基本特征及其影響因素。廖義玲[5]針對(duì)現(xiàn)行土飽和度計(jì)算方法用于粘土?xí)r出現(xiàn)數(shù)值偏大甚至超過(guò)理論最大值的不合理現(xiàn)象，分析了偏差產(chǎn)生的原因。黃質(zhì)宏等[6-7]采用不同應(yīng)力路徑并采用CT技術(shù)研究了紅粘土的力學(xué)特性。文獻(xiàn)[8-13]對(duì)不同地區(qū)紅粘土物理力學(xué)指標(biāo)的水敏性進(jìn)行了研究。研究表明：由于成土原因和所處地質(zhì)條件的差異，紅粘土的力學(xué)性質(zhì)也不盡相同。在水敏性方面表現(xiàn)尤為突出。貴州畢節(jié)地區(qū)紅粘土分布廣泛，在干旱半干旱或者地下水位較深的條件下，紅粘土常處于非飽和狀態(tài)。隨著降雨、地下水位變化以及其他原因的影響，紅粘土的含水量常處于變化之中，由此引起了邊坡失穩(wěn)、基礎(chǔ)不均勻沉降和路面沉降等一系列地質(zhì)災(zāi)害。這些地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生不是瞬時(shí)產(chǎn)生并結(jié)束，而是具有一定時(shí)間階段的，這種階段在邊坡中表現(xiàn)尤為突出。本文以貴州畢節(jié)的滑坡帶紅粘土為研究對(duì)象，研究不同含水量條件下滑坡帶紅粘土的粘聚力、內(nèi)摩擦角的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度變化規(guī)律，對(duì)預(yù)防和治理含水量變化引起的地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義。

1 取樣及試驗(yàn)

為了使試驗(yàn)對(duì)畢節(jié)整個(gè)地區(qū)的紅粘土具有一定的代表性，該試驗(yàn)采用了貴州省畢節(jié)市三個(gè)不同工程地點(diǎn)的土層進(jìn)行了研究。為了反映原狀土粘聚力、內(nèi)摩擦角隨含水量的變化，試驗(yàn)采用各地點(diǎn)同種類(lèi)型土層不同的天然含水量狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。取土試坑挖掘后，由試驗(yàn)人員用環(huán)刀、取土杯直接進(jìn)行第一次取樣，以后每間隔三天取一次樣。三個(gè)地點(diǎn)土樣的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式直剪儀，最大載荷為30kN，工作臺(tái)行程70mm，載荷速率0.002～2.4mm/ min，最小分辨率0.1mL。根據(jù)最新土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[14]對(duì)試樣不同含水量下的粘聚力、內(nèi)摩擦角的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2 結(jié)果分析

2.1 含水量對(duì)峰值粘聚力的影響分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制了三個(gè)地點(diǎn)土樣不同含水量條件下峰值粘聚力關(guān)系曲線。圖1中含水量對(duì)峰值粘聚力呈現(xiàn)出較為良好的一階指數(shù)衰減關(guān)系，按照指數(shù)關(guān)系回歸分析三條回歸方程為：

表2 物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 峰值粘聚力隨含水量變化曲線

圖2 峰值內(nèi)摩擦角隨含水量變化曲線

土樣Ⅰ的擬合方程：y=1568.80e-0.2x+11.29

土樣Ⅱ的擬合方程：y=350.67e-0.13x+5.56

土樣Ⅲ的擬合方程：y=341.12e-0.06x-56.67

其中：y為峰值粘聚力值，x為紅粘土的含水量。

從圖1中可以看出，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)土樣的峰值粘聚力隨含水量的增大均逐漸減小，含水量的增加表現(xiàn)出對(duì)粘聚力具有明顯的消減作用。三類(lèi)土樣含水量在20%～22%之間峰值粘聚力比較接近，曲線均相交于該范圍。由于實(shí)驗(yàn)采用的是天然含水量土樣，不像在室內(nèi)重塑土的含水量可以隨意設(shè)計(jì)。Ⅰ類(lèi)土樣的含水量比Ⅱ和Ⅲ類(lèi)土樣取值較大，表現(xiàn)出了在高含水量條件下峰值粘聚力趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。Ⅱ和Ⅲ類(lèi)土樣由于沒(méi)有高含水量土樣，在此方面沒(méi)有明顯的表現(xiàn)，同時(shí)也影響了曲線的擬合效果。

2.2 含水量對(duì)峰值內(nèi)摩擦角的影響分析

圖2給出了不同含水量條件下峰值內(nèi)摩擦角分布及其關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，隨著含水量的增加，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)土樣的峰值內(nèi)摩擦角線性減少，但是表現(xiàn)出一定的波動(dòng)。含水量的增加表現(xiàn)出對(duì)內(nèi)摩擦角同樣具有明顯的消減作用。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)土樣的直線擬合方程為：

土樣Ⅰ的擬合方程：y=43.62-1.25x

土樣Ⅱ的擬合方程：y=55.58-1.85x

土樣Ⅲ的擬合方程：y=50.71-1.57x

其中：y為峰值內(nèi)摩擦角值，x為紅粘土的含水量。

2.3 含水量對(duì)殘余粘聚力的影響分析

圖3 殘余粘聚力隨含水量變化曲線

根據(jù)表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的三個(gè)地點(diǎn)土樣不同含水量條件下殘余粘聚力關(guān)系曲線如圖3所示。

基于紅粘土的殘余粘聚力隨含水量的變化關(guān)系進(jìn)行回歸擬合分析獲得的擬合曲線方程為：

土樣Ⅰ的擬合方程：y=716.88e-0.21x+6.37

土樣Ⅱ的擬合方程：y=1508.64e-0.25x+8.7

土樣Ⅲ的擬合方程：y=16109.78e-0.34x+6.85

其中：y為殘余粘聚力值，x為紅粘土的含水量。

從圖3中含水量和殘余粘聚力值數(shù)據(jù)分布和回歸分析曲線可以看出，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)土樣的殘余粘聚力隨含水量的變化與峰值粘聚力隨含水量的變化趨勢(shì)相同，殘余粘聚力隨含水量的增大均逐漸減小，含水量的增加表現(xiàn)出對(duì)粘聚力具有明顯的消減作用。隨著含水量的增加，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)土樣殘余粘聚力表現(xiàn)趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

2.4 含水量對(duì)殘余內(nèi)摩擦角的影響分析

圖4 殘余內(nèi)摩擦角隨含水量變化曲線

圖4給出了不同含水量條件下殘余內(nèi)摩擦角分布及其關(guān)系曲線圖。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)土樣的直線擬合方程分別為：

土樣Ⅰ的擬合方程：y=43.62-1.25x

土樣Ⅱ的擬合方程：y=55.58-1.85x

土樣Ⅲ的擬合方程：y=50.71-1.57x

其中：y為殘余內(nèi)摩擦角值，x為紅粘土的含水量。

從圖4中殘余內(nèi)摩擦角和含水量的分布可以看出，隨著含水量的增加，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類(lèi)土樣的峰值內(nèi)摩擦角線性減少，含水量對(duì)殘余內(nèi)摩擦角同樣具有明顯的消減作用。這種殘余內(nèi)摩擦角隨含水量變化與峰值內(nèi)摩擦角趨勢(shì)相似。

3 結(jié)論

紅粘土隨著含水量的變化其力學(xué)性質(zhì)變化非常明顯。通過(guò)對(duì)貴州畢節(jié)三個(gè)不同地點(diǎn)滑坡帶紅粘土自然條件不同含水量條件下的粘聚力、內(nèi)摩擦角的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著含水量的增加，紅粘土的峰值粘聚力和殘余粘聚力均呈一階負(fù)指數(shù)衰減關(guān)系，均具有穩(wěn)定趨勢(shì)。紅粘土的峰值粘聚力和殘余粘聚力的曲線各自均交于在一定含水量范圍內(nèi)。紅粘土的峰值內(nèi)摩擦角和殘余內(nèi)摩擦角均呈線性關(guān)系下降。紅粘土的峰值內(nèi)摩擦角、粘聚力和殘余內(nèi)摩擦角、粘聚力相比隨含水量的變化趨勢(shì)均相似，只是數(shù)值大幅減少。

[1]趙穎文，孔令偉，郭愛(ài)國(guó)，等.典型紅粘土與膨脹土的對(duì)比試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（15）：2593-2598.

[2]廖義玲，朱要強(qiáng)，趙坤，等.對(duì)貴州紅粘土成因的再探討[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（4）：361-365.

[3]姜其巖，余培厚，郭沛，等.紅粘土力學(xué)強(qiáng)度特征的形成及分析[J].貴州工學(xué)院學(xué)報(bào)，1991（2）：22-28，34.

[4]劉春，吳緒春.非飽和紅粘土強(qiáng)度特性的三軸試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2003（2）：65-66，73.

[5]廖義玲.土的飽和度Sr的計(jì)算方法及誤差原因分析[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（2）：80-84.

[6]姜其巖，余培厚，郭沛，等.不同應(yīng)力路徑下紅粘土的力學(xué)特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（15）：2599-2603.

[7]黃質(zhì)宏，朱立軍，蒲毅彬，等.三軸應(yīng)力條件下紅粘土力學(xué)特性動(dòng)態(tài)變化的CT分析[J].巖土力學(xué)，2004（8）：1215-1219.

[8]趙穎文，孔令偉，郭愛(ài)國(guó)，等.廣西原狀紅粘土力學(xué)性狀與水敏性特征[J].巖土力學(xué)，2003（4）：568-572.

[9]史文兵，廖義玲，唐曉玲.貴陽(yáng)紅粘土抗剪強(qiáng)度與含水量關(guān)系的探討[J].路基工程，2011（4）：80-81，86.

[10]賀珺，廖義玲，閆建，等.貴州紅粘土的含水性及指標(biāo)特性探討[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009（2）：104-107，111.

[11]唐益群，佘恬鈺，張曉暉，等.貴州石漠化地區(qū)降雨條件下紅粘土剪切強(qiáng)度特性隨含水量變化關(guān)系探討[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009（2）：249-252.

[12]畢慶濤，姜國(guó)萍，丁樹(shù)云.含水量對(duì)紅粘土抗剪強(qiáng)度的影響[J].地球與環(huán)境，2005（3）：144-147.

[13]王中文，洪寶寧，劉鑫，等.紅粘土抗剪強(qiáng)度的水敏性研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2011（1）：17-22.

[14]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 4934.1-2008土工試驗(yàn)儀器剪切儀第1部分：應(yīng)變控制式直剪儀[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

責(zé)任編輯:孫蘇，李紅

Discussion on the Water-sensitive Properties of Red Clay in Landslide Zone of Bijie,Guizhou

Red clay is a kind of special soil，widely distributed in southwest China,and its physical and mechanical properties vary significantly with the change of moisture content.Taking the red clay of three different landslide zones in Bijie,this paper performs a direct shear test to study the impact rule of moisture content on the cohesion of red clay,the peak intensity of internal friction angle and residual strength.The experimental results show that with the increase of moisture content the peak cohesion and residual cohesion of red clay present the first-order negative exponential attenuation and final stabilization,and the peak internal friction angle and residual internal friction angle present a linear decline.

red clay;cohesion;internal friction angle;moisture content

TU446

A

1671-9107（2017）05-0029-03

基金論文：該論文為貴州省科技廳聯(lián)合基金（LKB[2012]11號(hào)）及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201510668006，201510668009，201510668010）論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.05.029

2017-03-12

李利峰（1983-），男，河北沙河人，研究生，主要從事巖石力學(xué)與支護(hù)領(lǐng)域的教學(xué)科研工作。