飽和粉質(zhì)黏土殘余強(qiáng)度剪切速率效應(yīng)試驗(yàn)研究

謝 強(qiáng) 張國棟 胡學(xué)文 魯劍楠

(1.三峽大學(xué) 湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(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；4.宜昌市夷陵區(qū)公路管理局，湖北 宜昌 443100)

殘余抗剪強(qiáng)度是滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，主要通過試驗(yàn)測(cè)試和反分析方法獲得，殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)方法也有多種，目前，環(huán)剪試驗(yàn)已成為測(cè)試土體殘余強(qiáng)度重要手段之一[1-2].影響土體殘余強(qiáng)度的因素較多，很多學(xué)者在這方面已做了較為系統(tǒng)的評(píng)述[3-5].在土的基本物理指標(biāo)確定的情況下，正應(yīng)力水平和剪切速率成為控制土體殘余強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，土體抗剪強(qiáng)度存在剪切速率效應(yīng)，不同類型土體表現(xiàn)出不同的剪切速率效應(yīng)[6-8]，而且受到法向應(yīng)力的影響.在已取得的試驗(yàn)研究成果中，正應(yīng)力水平大都在100～400kPa之間，對(duì)于低法向應(yīng)力(有效應(yīng)力小于100kPa)水平下土體殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)研究成果較少，試驗(yàn)成果的完備性不夠.另外，在已提出的殘余強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式中很少同時(shí)考慮正應(yīng)力和剪切速率的影響.

基于以上分析，本文拓展法向應(yīng)力的作用范圍，主要是拓展低法向應(yīng)力作用范圍，在此基礎(chǔ)上研究剪切速率對(duì)土體殘余強(qiáng)度的影響，并提出同時(shí)考慮正應(yīng)力和剪切速率影響的土體殘余強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式和通用表達(dá)式.

1 試樣制備和試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用土樣為三峽庫區(qū)某滑坡的滑帶土，經(jīng)風(fēng)干后過2mm 篩，取400g制作重塑粉質(zhì)黏土試樣，試驗(yàn)用土粒組百分含量和基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，將試樣均勻地裝入內(nèi)徑為94.5mm、外徑為150.3mm的環(huán)形剪切盒內(nèi)，剪切盒底部和頂部均放有一層濾紙.為了減小剪切盒壁摩擦，在環(huán)形剪切盒內(nèi)壁均勻涂抹凡士林.根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237-1999)真空飽和法將試樣飽和.

表1 試驗(yàn)用土粒組百分含量和基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

采用美國GCTS公司生產(chǎn)的SRS-150型非飽和土動(dòng)態(tài)環(huán)剪儀作為試驗(yàn)研究手段，試驗(yàn)分組及結(jié)果見表2.在法向應(yīng)力25～300kPa作用范圍內(nèi)開展剪切速率為0.05、0.1、0.5、1、5、10mm/min的單級(jí)剪試驗(yàn)共21組.試驗(yàn)分為固結(jié)和剪切兩個(gè)階段，首先在一定法向應(yīng)力條件下排水固結(jié)24h直到試樣法向位移穩(wěn)定為止，再以一定剪切速率進(jìn)行排水剪切試驗(yàn)，直至土體達(dá)到殘余強(qiáng)度.

表2 試驗(yàn)分組及殘余強(qiáng)度 (單位：kPa)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同法向應(yīng)力條件下殘余強(qiáng)度隨剪切速率的變化分析

圖1為不同法向應(yīng)力條件下殘余強(qiáng)度-剪切速率的關(guān)系曲線，可見殘余強(qiáng)度與剪切速率之間呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系.殘余強(qiáng)度-剪切速率變化率即殘余強(qiáng)度-剪切速率關(guān)系曲線的切線斜率，可表征殘余強(qiáng)度對(duì)剪切速率的敏感程度，將圖1中相應(yīng)擬合公式的導(dǎo)數(shù)值取負(fù)的自然對(duì)數(shù)值，其與剪切速率的關(guān)系曲線如圖2所示.

圖1 不同法向應(yīng)力條件下殘余強(qiáng)度-剪切速率關(guān)系曲線

圖2 殘余強(qiáng)度變化率的負(fù)對(duì)數(shù)-剪切速率關(guān)系曲線

圖1、圖2表明，在同一法向應(yīng)力條件下，殘余強(qiáng)度均隨剪切速率的增大而非線性減小，表現(xiàn)出明顯的負(fù)速率效應(yīng)，尤其在較低剪切速率(＜1mm/min)時(shí)，殘余強(qiáng)度隨剪切速率增大而降低的趨勢(shì)很明顯，殘余強(qiáng)度-剪切速率變化率的負(fù)自然對(duì)數(shù)值在較低剪切速率時(shí)也更大，說明殘余強(qiáng)度對(duì)較低剪切速率更加敏感，而當(dāng)剪切速率大于1mm/min時(shí)，殘余強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，對(duì)剪切速率相對(duì)不再敏感，這與繆海波等[9-10]的研究成果較為一致，表明滑帶土的殘余強(qiáng)度在較小的剪切速率范圍內(nèi)具有較明顯的剪切速率效應(yīng)，當(dāng)剪切速率超過1mm/min時(shí)，殘余強(qiáng)度趨于恒定.另外，試驗(yàn)用土為較高塑性的粉質(zhì)黏土，低剪切速率時(shí)高塑性土的剪切速率效應(yīng)更加顯著[11].

從圖1、圖2還可看出，殘余強(qiáng)度隨剪切速率增加而降低的幅度在較高法向應(yīng)力(＞100kPa)時(shí)更大，同一剪切速率下殘余強(qiáng)度-剪切速率變化率的負(fù)自然對(duì)數(shù)值在較高法向應(yīng)力時(shí)也更大，說明較高法向應(yīng)力(＞100kPa)時(shí)負(fù)速率效應(yīng)更顯著，較低法向應(yīng)力(＜100kPa)時(shí)負(fù)速率效應(yīng)不顯著，法向應(yīng)力是影響速率效應(yīng)的一個(gè)重要因素.

針對(duì)土體剪切負(fù)速率效應(yīng)，一方面，剪切速率主要是通過影響剪切帶周圍的孔隙水來影響土體抗剪強(qiáng)度，剪切速率越大，剪切面附近擾動(dòng)越劇烈，局部剪切帶迅速形成并不斷發(fā)展，孔隙水未能及時(shí)排出，從而產(chǎn)生超孔隙水壓力，導(dǎo)致剪切帶有效應(yīng)力減小，而且匯聚到剪切帶的水起到潤(rùn)滑作用，土顆粒間相互作用力減弱，所以土體強(qiáng)度降低[12-16].另一方面，剪切速率對(duì)土顆粒重排列有重要影響，剪切速率較小時(shí)，土顆粒相對(duì)充分地接觸，沿剪切方向定向重排，細(xì)顆粒填充土骨架孔隙使土體更加密實(shí)，顆粒間可充分建立摩擦，所以土體強(qiáng)度較高.

試驗(yàn)結(jié)束后將土樣取出掰斷觀察，可清晰地看到剪切帶所在位置，如圖3所示.

圖3 試樣斷面

2.2 殘余抗剪強(qiáng)度的數(shù)理表達(dá)

由圖1可見，殘余強(qiáng)度與剪切速率成對(duì)數(shù)相關(guān)，可統(tǒng)一用表達(dá)式(1)表示殘余強(qiáng)度的負(fù)速率效應(yīng)：

式中，τr為 殘 余 強(qiáng) 度(kPa)；V為 剪 切 速 率(mm/min)；K、b是 與 法 向 應(yīng) 力 相 關(guān) 的 系 數(shù).系 數(shù)K、b與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖4所示，系數(shù)K、b與法向應(yīng)力呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，即

式中，N為法向應(yīng)力(kPa).

圖4 系數(shù)K、b 與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

結(jié)合式(1)～(3)，可以得到同時(shí)考慮法向應(yīng)力和剪切速率的正常固結(jié)條件下重塑飽和粉質(zhì)黏土殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)的擬合公式為

基于上述分析，土體殘余強(qiáng)度可采用通用表達(dá)式(5)表示

其中f1(N)、f2(N)是關(guān)于法向應(yīng)力N的一次函數(shù)，f1(N)可定義為速率效應(yīng)系數(shù)[17]，具有一定物理意義.

3 結(jié) 論

基于飽和粉質(zhì)黏土的環(huán)剪試驗(yàn)研究成果，主要結(jié)論如下：

1)在各法向應(yīng)力條件下，殘余強(qiáng)度均隨剪切速率的增大而減小且兩者呈非線性關(guān)系，表現(xiàn)出明顯的負(fù)速率效應(yīng)；同一法向應(yīng)力條件下，低剪切速率(＜1 mm/min)時(shí)殘余強(qiáng)度隨剪切速率增大而降低的非線性趨勢(shì)很明顯，較高剪切速率(＞1mm/min)時(shí)殘余強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，對(duì)剪切速率相對(duì)不再敏感；同一剪切速率條件下，較高法向應(yīng)力(＞100kPa)時(shí)條件下，剪切負(fù)率效應(yīng)顯著，較低法向應(yīng)力(＜100kPa)時(shí)剪切負(fù)率效應(yīng)相對(duì)不顯著.

2)殘余強(qiáng)度與剪切速率呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系，可擬合出同時(shí)考慮法向應(yīng)力和剪切速率的正常固結(jié)條件下重塑飽和粉質(zhì)黏土殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式及通用表達(dá)式.