剪切方式對(duì)重塑黃土殘余強(qiáng)度的影響

王 煒, 駱亞生

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院， 山西 太谷 030801； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

滑帶土隨著滑坡的發(fā)生而形成并發(fā)展，是滑坡的重要組成部分[1]，從滑帶土角度對(duì)滑坡進(jìn)行研究有重要的意義[2]，因此要從多方面對(duì)滑帶土進(jìn)行研究，目前地質(zhì)方面的研究已有不少成果[3]，滑帶土強(qiáng)度特性的研究是滑坡研究中最重要的內(nèi)容，自1964年Skempton[4]提出殘余強(qiáng)度后，滑坡土體的強(qiáng)度研究便為以殘余強(qiáng)度為主。殘余強(qiáng)度的獲取方式較多，主要包括反分析評(píng)價(jià)法[5]、數(shù)值模擬法[6-8]，以及試驗(yàn)測(cè)算[9]。李妥德[9]總結(jié)指出殘余強(qiáng)度的測(cè)試途徑主要包括：大位移剪切、預(yù)制切面剪切和沿天然剪切面剪切，主要的試驗(yàn)儀器有：環(huán)剪儀、應(yīng)變式直剪儀、三軸儀和現(xiàn)場(chǎng)大面積剪切儀。環(huán)剪儀的剪切過(guò)程為空心扭轉(zhuǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于剪切過(guò)程中剪切面面積穩(wěn)定、面上應(yīng)力均勻分布[10]，試樣可以沿著一個(gè)方向連續(xù)剪切，且有效法向應(yīng)力、剪切速率都可控制，因此扭轉(zhuǎn)剪切測(cè)得的殘余強(qiáng)度準(zhǔn)確率高[11]，能較好地模擬滑坡[12-13]。黏土的殘余強(qiáng)度研究成果較多，而黃土作為一種特殊性質(zhì)的土體，再加上滑帶土的重要性及特殊性[14-15]，且土在不同剪切方式下的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)和強(qiáng)度指標(biāo)存在差異[16]。

為了了解土體在不同剪切方式下的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)及強(qiáng)度指標(biāo)、變形特性等問題，本文采用HJ-1型環(huán)剪儀，對(duì)重塑黃土進(jìn)行了環(huán)剪試驗(yàn)，探究其峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及變形規(guī)律，為黃土滑坡工程評(píng)價(jià)及治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 環(huán)剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器與土樣

本試驗(yàn)所用試驗(yàn)儀器為HJ-1型環(huán)剪儀。該儀器主要用于測(cè)量土的殘余強(qiáng)度，提供的最大法向應(yīng)力為900 kPa，最大扭矩值為300 N·m，剪切速率為3.00×10-6～2.10×10-2r/min，可以設(shè)置有效法向應(yīng)力和剪切速率，根據(jù)試樣沉降或固結(jié)時(shí)間來(lái)控制固結(jié)過(guò)程，試驗(yàn)中可記錄一系列的角位移θ，扭矩M，試樣沉降量及試驗(yàn)時(shí)間t。

本試驗(yàn)所用土料取自涇陽(yáng)縣太平鎮(zhèn)崔師某磚窯，取土的縱向深度約4.0 m，屬于晚更新世馬蘭黃土，顯棕黃色，其主要的物理指標(biāo)詳見表1。原狀土取樣難度大，運(yùn)輸保存容易受干擾，而土體的初始結(jié)構(gòu)、應(yīng)力歷史對(duì)其殘余強(qiáng)度無(wú)影響[17]，故試驗(yàn)采用重塑試樣。制備過(guò)程為將土樣烘干碾碎、過(guò)2 mm的土工篩，噴灑試驗(yàn)設(shè)定含水率所需的水量，并且讓水與土進(jìn)行24 h以上的充分混合，制備成尺寸為φ100 mm(外徑)×φ60 mm(內(nèi)徑)×20 mm(高)，密度為1.52 g/cm3的試樣。根據(jù)計(jì)算得試樣的面積為50.27 cm2，試樣平均直徑為8.17 cm。

表1 試驗(yàn)土料基本物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)原理

剪切過(guò)程中，上剪切盒與扭矩荷重帽固定，剪切盒中的試樣隨著下剪切盒以剪切速率旋轉(zhuǎn)，在剪切力的作用下，試樣產(chǎn)生剪切裂紋、逐漸形成剪切面，最后達(dá)到剪切破壞。由于環(huán)剪儀的特點(diǎn)，剪切過(guò)程中剪切面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力近似認(rèn)為均勻分布，由于試樣寬度較小，一般采用平均剪應(yīng)力τ和平均剪切位移S，這2個(gè)量可以通過(guò)扭矩M和角位移θ計(jì)算求得，其中扭矩M由扭矩顯示器讀取，角位移θ等于下剪切盒的旋轉(zhuǎn)速率υ2與剪切時(shí)間t的乘積。

(1) 平均剪應(yīng)力τ:

(1)

(2) 平均剪切位移S：

(2)

式中：r1——試樣圓環(huán)內(nèi)半徑(cm)；r2——試樣圓環(huán)外半徑(cm)；υ2——下剪切盒轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/min)；Dm——試樣平均直徑；t——扭轉(zhuǎn)剪切歷時(shí)(min)。

1.3 試驗(yàn)方案

環(huán)剪儀的剪切方式主要分為[5]：?jiǎn)渭?jí)剪切試驗(yàn)、預(yù)剪試驗(yàn)和多級(jí)剪切試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用的剪切方式為單級(jí)剪與多級(jí)剪。具體試驗(yàn)方案詳見表2。

表2 重塑黃土的環(huán)剪試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 單級(jí)剪試驗(yàn)結(jié)果

為探究有效法向應(yīng)力對(duì)黃土強(qiáng)度的影響，取不同含水率13%，16%，19%，22%的試樣，在同一剪切速率下進(jìn)行單級(jí)環(huán)剪試驗(yàn)，得出的剪應(yīng)力—剪切位移曲線如圖1所示。

由圖1可知，隨著剪切位移的增加，土體的強(qiáng)度迅速增加，且有效法向應(yīng)力越大，強(qiáng)度增加越快，表現(xiàn)為土體強(qiáng)度曲線斜率與有效法向應(yīng)力呈正相關(guān)。土體強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度后，大多出現(xiàn)了強(qiáng)度的軟化，而較小有效法向應(yīng)力(100 kPa)下的強(qiáng)度軟化要明顯于較大有效法向應(yīng)力(300 kPa)下的軟化現(xiàn)象。隨著剪切位移的持續(xù)增加，土體的強(qiáng)度逐漸穩(wěn)定，達(dá)到殘余強(qiáng)度。土體的峰值強(qiáng)度隨著有效法向應(yīng)力的增加而增加，因?yàn)榇怪眽毫^大時(shí)，土體的結(jié)構(gòu)變密實(shí)，土顆粒更容易形成次生結(jié)構(gòu)。而殘余強(qiáng)度隨著有效法向應(yīng)力的變化規(guī)律與峰值強(qiáng)度相同，且有效法向應(yīng)力較大時(shí)，達(dá)到殘余強(qiáng)度所需要的剪切位移較小，因?yàn)橛行Хㄏ驊?yīng)力越大，土樣內(nèi)部的孔壓越小，土體顆粒間的摩擦作用越大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更容易破壞，進(jìn)而沿著剪切方向形成剪切面；相反有效法向應(yīng)力較小時(shí)，試樣土顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度變化很小，起主要作用的是黏聚強(qiáng)度，而達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)，黏聚強(qiáng)度顯著減小[18]。所以強(qiáng)度軟化現(xiàn)象在低有效法向應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)明顯，而高有效法向應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)不明顯或呈現(xiàn)弱硬化。由圖1還可看出，含水率為19%試樣在有效法向應(yīng)力300 kPa及含水率為22%的試樣強(qiáng)度曲線為弱硬化，其原因可能是高含水率的試樣在剪切過(guò)程中，由于土體排水的過(guò)程中攜帶了部分土顆粒，這部分土顆粒隨著下剪切盒的旋轉(zhuǎn)，被擠壓到剪切盒之間增大了摩擦造成了誤差[19]。

圖1 重塑黃土單級(jí)剪切試驗(yàn)剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

2.2 多級(jí)剪試驗(yàn)結(jié)果

圖2所示為不同含水率試樣在同一剪切速率下的多級(jí)剪切應(yīng)力—剪切位移關(guān)系曲線。從圖2可知， ①第一級(jí)剪切實(shí)質(zhì)上就是單級(jí)剪切，隨著剪切位移的增加，土體迅速達(dá)到峰值強(qiáng)度，之后逐漸減小，趨于穩(wěn)定時(shí)達(dá)到殘余強(qiáng)度，這時(shí)已形成剪切面，總體上呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型； ②在新的固結(jié)荷載作用后，繼續(xù)進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，土體強(qiáng)度的變化規(guī)律與第一級(jí)荷載作用時(shí)的規(guī)律相似，總體上各級(jí)荷載作用下的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均較前一級(jí)的有明顯提高，這是因?yàn)檩^大的有效法向應(yīng)力將土體擠密壓實(shí)，土顆粒之間形成新的較大的黏結(jié)結(jié)構(gòu)，故其峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度都變大； ③試樣所受的有效法向應(yīng)力越大，達(dá)到殘余強(qiáng)度所需的剪切位移越小，但峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度之間的衰減越不明顯，因?yàn)榈谝患?jí)荷載作用后，土顆粒完成定向排列，顆粒之間的摩擦咬合作用減弱，土體越容易達(dá)到殘余強(qiáng)度。

圖3為試樣多級(jí)剪切的沉降位移—剪切位移曲線。由圖3可知，沉降位移與分級(jí)荷載呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，第一段實(shí)質(zhì)是單級(jí)剪切的沉降位移—剪切位移曲線。初始階段，土體在較小有效法向應(yīng)力作用下由于剪脹作用導(dǎo)致沉降位移變化明顯，隨著剪切位移的增大，沉降位移逐漸穩(wěn)定，試樣達(dá)到殘余強(qiáng)度。由圖3可知，試樣最大的沉降位移為3 mm，即試樣高度的15%。土體的沉降位移隨有效法向應(yīng)力的增加而增大；圖3中低有效法向應(yīng)力下土體沉降規(guī)律明顯，高有效法向應(yīng)力下土體沉降無(wú)明顯規(guī)律。在低有效法向應(yīng)力作用時(shí)，土體沉降的主要控制因素為有效法向應(yīng)力；而有效法向應(yīng)力較大時(shí)，沉降的控制因素變?yōu)楹屎陀行Хㄏ驊?yīng)力的共同作用。對(duì)比圖2和圖3可知，沉降位移表現(xiàn)出明顯的階段性，即初始剪脹階段、顆粒運(yùn)移壓密階段、穩(wěn)定壓密階段[20]。初始剪脹階段：土體前期結(jié)構(gòu)遭到破壞，顆粒之間的摩擦、搓揉作用較大，土顆粒重新分布并形成穩(wěn)定的排列，土體形成裂縫和剪切面，這一階段剪應(yīng)力急劇增大；顆粒運(yùn)移壓密階段：隨著剪切位移的增加，部分土顆粒被碾碎，增加了土體中細(xì)顆粒的比例，剪切面附近的粗顆粒向上下運(yùn)移，扭剪作用使水分移動(dòng)過(guò)程中攜帶了部分的細(xì)顆粒，促使剪切面附近的土顆粒形成定向排列。剪切過(guò)程中，儀器開合剪切縫不密封，試樣剪切面的土顆粒隨著環(huán)剪過(guò)程被擠出剪切盒，試樣沉降位移也會(huì)變大；在穩(wěn)定壓密階段：細(xì)粒土為主的剪切面上，土顆粒沿著剪切方向形成定向排列，試樣沉降穩(wěn)定，強(qiáng)度也達(dá)到殘余強(qiáng)度。

圖2 重塑黃土多級(jí)剪切試驗(yàn)剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖3 不同含水量下的沉降位移-剪切位移關(guān)系曲線

2.3 殘余強(qiáng)度結(jié)果比較

由表3可知，殘余黏聚力比峰值黏聚力顯著減小，而殘余內(nèi)摩擦角較峰值內(nèi)摩擦角略小，這是因?yàn)檫_(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)，土體內(nèi)部的黏聚作用明顯降低。相同法向應(yīng)力下，單級(jí)剪的殘余強(qiáng)度指標(biāo)與多級(jí)剪的殘余強(qiáng)度指標(biāo)的均值相差不多。分析不同剪切方式下殘余強(qiáng)度指標(biāo)差異的原因有兩點(diǎn)，一是孔隙水壓力在多級(jí)剪中消散較慢，土粒在前期已定向排列；二是由于多級(jí)剪試驗(yàn)中試樣受到多次剪切后，剪切帶上會(huì)擠出一些土顆粒到儀器的剪切縫中，這樣上下剪切盒之間的摩擦增大，影響了試驗(yàn)結(jié)果。所以剪切方式的不同，對(duì)殘余強(qiáng)度參數(shù)的測(cè)定造成影響。工程實(shí)踐中為確保安全，在選擇剪切方式的時(shí)候應(yīng)該首選單級(jí)剪切。

表3 不同試驗(yàn)條件下試樣的峰值強(qiáng)度指標(biāo)和殘余強(qiáng)度指標(biāo)

3 結(jié) 論

(1) 重塑黃土的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均隨著有效法向應(yīng)力的增加而增大，第1級(jí)荷載作用后會(huì)出現(xiàn)軟化，第2，3及4級(jí)荷載作用后，試樣很快達(dá)到殘余強(qiáng)度，試樣達(dá)到殘余強(qiáng)度所需的剪切位移與其受到的有效法向應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2) 重塑黃土的變形表現(xiàn)為受剪壓縮。低含水率的土體在多級(jí)剪切后，沉降變形隨有效法向應(yīng)力的增大而增大，當(dāng)土體含水率高于塑限值時(shí)，沉降變形受含水率與有效法向應(yīng)力共同作用的影響。

(3) 剪切方式對(duì)土體的強(qiáng)度有影響，表現(xiàn)在多級(jí)剪切與單級(jí)剪切得出的強(qiáng)度指標(biāo)大小不同，所以為保證結(jié)果的精確性，剪切方式應(yīng)首選單級(jí)剪切。