不同飽和度的粉質(zhì)黏土剪切率效應(yīng)環(huán)剪試驗研究★

魯劍楠 李學(xué)良 陳光富

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443002； 3.河南省中州公路工程有限公司，河南 南陽 474550)

0 引言

土體在剪切過程中，表現(xiàn)為剪切速率相關(guān)性，對其峰值和殘余強(qiáng)度會產(chǎn)生較大影響，在對滑坡變形演化過程分析和穩(wěn)定性評價中，與變形速率相關(guān)的強(qiáng)度參數(shù)取值是值得關(guān)注的一個問題。Skempton[1]提出了峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的概念，認(rèn)為在自然條件下邊坡發(fā)生滑動時，土體能提供的抗剪強(qiáng)度接近殘余強(qiáng)度。Carrubba等[2]對意大利的一處滑帶進(jìn)行了現(xiàn)場和室內(nèi)環(huán)剪試驗。胡明鑒等[3]對西藏的易貢滑坡滑帶土進(jìn)行了不同剪切速率、不同排水條件下的環(huán)剪試驗，認(rèn)為剪切速率越高，土體強(qiáng)度越低。孫濤等[4]采用環(huán)剪儀對超固結(jié)黏土進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度測試，分析了不同超固結(jié)比、法向應(yīng)力以及剪切速率對土體的抗剪強(qiáng)度的影響。張迪等[5]對巴東黃土坡滑坡臨江1號滑坡體滑帶土在不同剪切速率、含水率和法向應(yīng)力情況下的殘余強(qiáng)度開展了環(huán)剪試驗研究。吳迪等[6]利用環(huán)剪儀對殘積土在大位移剪切條件下的強(qiáng)度特性進(jìn)行了分析。另外，一些研究者環(huán)剪測試結(jié)果表明不同含水率滑帶土的強(qiáng)度存在較大差異[7,8]。

環(huán)剪儀[9]是一種研究土體在大剪切位移條件下力學(xué)特性的土工試驗設(shè)備，環(huán)剪儀最大的優(yōu)勢在于其具有剪切面積固定、允許試樣沿一個方向連續(xù)剪切的特點(diǎn)，且能在剪切過程中動態(tài)控制垂直應(yīng)力、剪切速率和剪切力等條件，能模擬大變形條件[10,11]。此外，環(huán)剪試驗?zāi)軌虮３旨羟忻嫔蠎?yīng)力均勻，因此，環(huán)剪儀是研究大變形土體強(qiáng)度較好的儀器[12]。

已有的研究成果大都是針對飽和土，對于不同飽和度的土體，剪切速率效應(yīng)問題研究成果較少，為了便于同飽和土研究成果比較分析，本文針對不同飽和度的土樣開展了相關(guān)的環(huán)剪試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗儀器

試驗采用美國GCTS公司研發(fā)的SRS-150環(huán)剪儀，如圖1所示。該系統(tǒng)是全伺服/吸力控制，且通過軸平移技術(shù)實現(xiàn)土樣的大變形測試。SRS-150環(huán)剪儀主要用于研究土體在扭剪力作用下，產(chǎn)生大變形破壞后土體抗剪強(qiáng)度的衰減規(guī)律。試驗過程中控制法向力、剪切速率等變量，最終可得到抗剪強(qiáng)度(殘余強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度等)、剪切位移等。其主要基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SRS-150環(huán)剪儀的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試樣制備

試驗土樣為三峽庫區(qū)樹坪滑坡粉質(zhì)粘土，通過土工試驗測出土的各項基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。按現(xiàn)行土工試驗規(guī)范方法制備飽和土樣，非飽和土分別配制一定含水率的重塑土樣，分別均勻地裝入內(nèi)徑為94.5 mm，外徑為150.3 mm，有效高度20 mm，剪切面積為10.72×103mm的環(huán)形剪切盒內(nèi)。飽和土在抽真空飽和缸中飽和24 h，使其達(dá)到飽和狀態(tài)，測得其飽和含水率為26.3%，最后在環(huán)剪儀上將試樣固結(jié)24 h,直到垂直位移不再變化為止。非飽和土樣根據(jù)不同含水率配置，試樣固結(jié)以垂直位移不再變化為止。

表2 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗方案

制備三種不同飽和度的粉質(zhì)黏土試樣，法向應(yīng)力分別取100 kPa,200 kPa,300 kPa，剪切速率分別為0.1 mm/min,0.5 mm/min,1 mm/min，質(zhì)量含水率分別為10%,20%,26.3%(飽和)。具體試驗方案見表3。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 飽和粉質(zhì)黏土剪應(yīng)力和剪切位移變化

表3 環(huán)剪試驗方案

圖2表示不同正應(yīng)力作用下剪切速率對試樣強(qiáng)度變化的影響，總的趨勢是在低剪切速率情況下試樣具有明顯的軟化現(xiàn)象，在高剪切速率下試樣軟化效應(yīng)不明顯，并表現(xiàn)為剪切負(fù)速率效應(yīng)，即剪切速率越大，剪切強(qiáng)度越低。該試樣表現(xiàn)出的負(fù)剪切速率效應(yīng)主要與其顆粒組成有關(guān)，試樣粉粒含量較高，且以圓粒和亞圓粒為主，而黏粒含量較低，從圖3法向位移變化可以看出，低剪切速率下法向位移變化較大，而高剪切速率下法向位移變化相對較小。主要是因為在低剪切速率下剪切面上土顆粒轉(zhuǎn)動和沿剪切方向的定向排列比較充分。

3.2 飽和粉質(zhì)黏土的殘余強(qiáng)度

表4為飽和粉質(zhì)黏土在不同法向應(yīng)力和剪切速率情況下的殘余強(qiáng)度值。圖4為法向應(yīng)力分別為100 kPa,200 kPa,300 kPa作用下，不同剪切速率下殘余抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。從表4數(shù)據(jù)和圖4可以看出，殘余剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力之間存在較好的線性正相關(guān)性，隨法向應(yīng)力的增加殘余剪切應(yīng)力增大，剪切速率為負(fù)速率相關(guān)性，即剪切速率越大，殘余強(qiáng)度越低。在法向應(yīng)力為100 kPa作用下，不同剪切速率對殘余強(qiáng)度的影響并不顯著，即剪切率效應(yīng)不明顯，殘余強(qiáng)度降低了11.6%，當(dāng)法向應(yīng)力為300 kPa時，不同剪切速率對殘余強(qiáng)度影響的負(fù)相關(guān)性較為顯著，即隨剪切速率增大，殘余強(qiáng)度降低顯著，殘余強(qiáng)度降低了23.3%。

表4 不同環(huán)剪試驗下的殘余強(qiáng)度

3.3 非飽和粉質(zhì)黏土剪應(yīng)力和剪切位移變化

通過三種正應(yīng)力和不同飽和度的環(huán)剪試驗，獲得不同飽和度土樣的剪應(yīng)力和水平位移的關(guān)系試驗結(jié)果如圖5所示。隨著飽和度的增加，吸力減小，強(qiáng)度值降低，飽和度對殘余強(qiáng)度也有顯著的影響。

3.4 非飽和粉質(zhì)黏土的殘余強(qiáng)度

表5為在剪切速率為0.5 mm/min，法向應(yīng)力分別為100 kPa,200 kPa和300 kPa作用下，不同飽和度試樣的殘余強(qiáng)度。圖6為對應(yīng)于不同飽和度的殘余強(qiáng)度包絡(luò)線。從表5數(shù)據(jù)和圖6可以看出，法向應(yīng)力100 kPa作用下，土樣飽和度對殘余強(qiáng)度影響更為顯著，與飽和土殘余強(qiáng)度相比強(qiáng)度提高了32.3%，在高法向應(yīng)力300 kPa作用下，殘余強(qiáng)度提高僅為5.6%。從不同飽和度粉質(zhì)粘土殘余抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線(如圖6所示)中可以看出殘余剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力之間存在較好的線性關(guān)系，隨法向應(yīng)力的增加殘余剪切應(yīng)力增大。圖7為不同法向應(yīng)力下基質(zhì)吸力與殘余抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，殘余抗剪強(qiáng)度隨著基質(zhì)吸力的增加而增大，在低法向應(yīng)力條件下，基質(zhì)吸力對殘余強(qiáng)度影響更為顯著，表現(xiàn)為斜率比高法向應(yīng)力下大，并且在這一系列的環(huán)剪試驗所測得的吸力范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度與吸力呈線性正相關(guān)性。

試驗結(jié)果表明：低法向應(yīng)力作用下，低飽和度試樣，殘余強(qiáng)度提高最為顯著，高法向應(yīng)力作用下，飽和度對殘余強(qiáng)度的影響并不明顯。

表5 不同環(huán)剪試驗下的殘余強(qiáng)度

4 結(jié)語

以樹坪滑坡重塑粉質(zhì)黏土為研究對象，分別開展了不同法向應(yīng)力、飽和度、剪切速率下的環(huán)剪試驗，主要成果如下：

1)不同飽和度的粉質(zhì)黏土表現(xiàn)為剪切速率負(fù)相關(guān)，但不同飽和度的粉質(zhì)黏土，法向應(yīng)力對率效應(yīng)的影響不同。

2)對于飽和粉質(zhì)黏土的殘余抗剪強(qiáng)度，低法向應(yīng)力作用下，剪切率效應(yīng)不明顯，高法向應(yīng)力作用下，剪切速率效應(yīng)較為顯著。

3)對于非飽和粉質(zhì)黏土的殘余強(qiáng)度，低法向應(yīng)力和低飽和度試樣，殘余強(qiáng)度提高最為顯著，高法向應(yīng)力作用下，殘余強(qiáng)度提高不明顯。

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