涇陽(yáng)南塬階地砂質(zhì)粉土剪切特性試驗(yàn)研究

牛 兵

（1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054）

1 概述

滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，其致災(zāi)后果嚴(yán)重，時(shí)常給居民的人身安全及財(cái)產(chǎn)造成巨大的威脅和損失，這種致災(zāi)后果與滑坡運(yùn)動(dòng)能力相關(guān)，而確定滑坡運(yùn)動(dòng)能力的是滑帶土的力學(xué)強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滑帶土進(jìn)行了大量的研究,Skempton[1]對(duì)粘土物質(zhì)組成的滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)滑帶土在滑動(dòng)后產(chǎn)生殘余強(qiáng)度的主要原因是由于剪切作用形成了以滑動(dòng)帶上扁平狀粘土顆粒的定向排列為特征的微觀結(jié)構(gòu)。WenBP[2-3]etal.對(duì)滑帶土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，在一定應(yīng)力歷史條件下土體的粒徑分布和礦物的性質(zhì)對(duì)土體的剪切行為有很大的影響，并且黏土礦物和各粒徑的相對(duì)比例控制著土體對(duì)剪切變形的響應(yīng)。Timothy[4]等人對(duì)裂隙性硬粘土滑坡的滑帶土進(jìn)行了分析，并且采用環(huán)剪試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)的方法對(duì)粘土、泥巖和頁(yè)巖的抗剪強(qiáng)度特性展開研究，結(jié)果表明：完全軟化強(qiáng)度受到有效法向應(yīng)力、粘土礦物的類型和粘粒含量的影響，給出了完全軟化強(qiáng)度與液限、粘粒含量和有效法向應(yīng)力的關(guān)系。周平根[5]認(rèn)為影響滑帶土強(qiáng)度的因素有礦物成分、粒度分布、塑性指數(shù)、黏粒含量等，并建立了各項(xiàng)指標(biāo)與強(qiáng)度參數(shù)的相關(guān)關(guān)系式。諶文武[6]等對(duì)舟曲泄流坡滑坡滑帶土在固結(jié)不排水條件下利用分級(jí)循環(huán)加載法來(lái)研究含水率對(duì)滑帶土力學(xué)特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)滑帶土的動(dòng)彈性模量隨含水率的增大而減小，且減小的速率隨含水率的增大而增大。謝輝輝[7]采用環(huán)剪試驗(yàn)的方法對(duì)千枚碎屑巖滑帶土重塑樣改變法向應(yīng)力和剪切速率的條件下抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明該滑帶土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都隨法向應(yīng)力的增大而增大且呈線性關(guān)系，峰值強(qiáng)度隨剪切速率的增大而減小。

陜西省涇陽(yáng)地區(qū)自1976年由于農(nóng)業(yè)灌溉等原因先后發(fā)生58起滑坡[8]，對(duì)于該地區(qū)的滑帶土的力學(xué)特性眾多學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究：龍建輝[9-10]等對(duì)黃土滑坡滑帶土的特征進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)其物理性質(zhì)指標(biāo)，電阻率特性，細(xì)觀微觀結(jié)構(gòu)特征有顯著差別；李文[11]等進(jìn)行不同體積含水率下的反復(fù)剪切試驗(yàn)研究高速遠(yuǎn)程黃土滑坡的復(fù)活，發(fā)現(xiàn)天然含水率較低時(shí)，體積含水率的變化對(duì)殘余剪切強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于粘粒含量的影響；許領(lǐng)[12]等對(duì)涇陽(yáng)滑坡類型與發(fā)育特征進(jìn)行研究將該地區(qū)的滑坡分為流滑型和滑動(dòng)型兩類。其中流滑型滑坡由于其具有體積大、破壞性強(qiáng)、致災(zāi)范圍廣等特點(diǎn)帶來(lái)的危害往往大于滑動(dòng)型滑坡，段釗[13]等對(duì)該地區(qū)的典型滑坡通過(guò)開挖探槽發(fā)現(xiàn)流動(dòng)型滑坡的下墊面—階地滑床中粉土（砂）層液化現(xiàn)象十分明顯，而非單一的滑體底部液化（黃土層內(nèi)），這表明該類滑坡的運(yùn)動(dòng)機(jī)制更為復(fù)雜。

本文基于此以涇陽(yáng)南塬階地砂質(zhì)粉土為研究對(duì)象采用三軸飽和固結(jié)不排水試驗(yàn)和環(huán)剪試驗(yàn)的方法來(lái)研究該階地砂質(zhì)粉土的抗剪強(qiáng)度特性，討論流滑型滑坡的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，以便為災(zāi)害防治提供一定的理論依據(jù)。

1 試樣物理性質(zhì)

試樣取自涇河下游右岸一級(jí)階地，顏色呈灰黃色，較密實(shí)，顆粒較細(xì)，質(zhì)地均一，土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。采用丹東百特Bettersize2000智能激光粒度儀對(duì)土樣的顆粒級(jí)配分析測(cè)試結(jié)果如圖1所示，不均勻系數(shù) Cu=8.2，曲率系數(shù) Cc=2.3 其中粒徑在 0.075～0.005mm 的顆粒含量為 73.13%，粒徑小于0.005 的顆粒含量為 8.25%。

圖1 試樣顆粒分析曲線

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

2.1 三軸飽和固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

本次試驗(yàn)采用重塑土進(jìn)行試驗(yàn)研究，將從現(xiàn)場(chǎng)取回的土料測(cè)其最優(yōu)含水率為12%，將土料烘干后敲碎碾壓過(guò)2mm篩。將干燥后的土料和蒸餾水配制到最優(yōu)含水率并密封保存48h使水分均勻，按照原狀樣孔隙比0.86來(lái)制做重塑樣，計(jì)算每層所需的質(zhì)量，將土料分層壓實(shí)，保持壓力30min以上，隨后刮毛該層表面，并加入新的土料，直至達(dá)到要求，重塑砂質(zhì)粉土試樣尺寸為Φ39.1mm×80mm。試驗(yàn)儀器采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SLB-1A型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸蠕變剪切儀。采用二氧化碳通氣及反壓飽和法對(duì)試樣進(jìn)行分步飽和，當(dāng)孔壓增量與圍壓增量的比值（孔壓系數(shù)）大于0.95時(shí)認(rèn)為試樣飽和；隨后增加圍壓，分別在 50kPa，100kPa，200kPa，400kPa 的圍壓下進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，剪切速率為0.1mm/min，當(dāng)試樣軸變達(dá)到20%時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，見表1。

表1 砂質(zhì)粉土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 環(huán)剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

環(huán)剪試驗(yàn)采用美國(guó)GTCS公司生產(chǎn)的SRS－150型環(huán)剪試驗(yàn)儀，該儀器通過(guò)將矩施加在圓環(huán)狀土樣上，使試樣發(fā)生剪切變形與破壞，以此來(lái)測(cè)定土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與殘余強(qiáng)度。試驗(yàn)所用環(huán)形試樣尺寸為:外環(huán)直徑150mm，內(nèi)環(huán)直徑100mm，有效試樣面積98cm2，試樣高度25mm。將風(fēng)干后過(guò)2mm篩的試驗(yàn)土樣分層裝入剪切盒并壓實(shí)，控制每次裝入土樣的質(zhì)量相同。試驗(yàn)采用浸水飽和法，將通過(guò)計(jì)算使試樣達(dá)到飽和所需的一定量的水分批均勻的滴入剪切盒內(nèi)，完成后將試樣密封，使其充分飽和48h。試樣固結(jié)時(shí)間為24h，在法向應(yīng)力100kPa、200kPa、300kPa下分別進(jìn)行剪切速率為 130mm/min、260mm/min、390mm/min (120°/min、240°/min、360°/min)的環(huán)剪試驗(yàn)。

3 三軸試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

圖2為不同圍壓下剪應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線圖，由圖可見：在不同圍壓條件下，試樣曲線均表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變軟化特征，剪切開始后，隨著應(yīng)變的增加土體的剪應(yīng)力迅速增大，并很快到達(dá)峰值強(qiáng)度，然后隨著應(yīng)變的增加，剪應(yīng)力又逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定值。隨著圍壓的增加峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度也增加，且峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的差值“峰殘差”也越大。

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3.2 孔隙水壓力特征

圖3為剪切過(guò)程中孔隙水壓力與應(yīng)變的關(guān)系曲線，由圖可見：孔壓受到圍壓的影響，隨著圍壓的增加，孔壓也逐漸增大；在剪切剛開始階段，孔壓隨著應(yīng)變的增加而迅速增加，而隨著應(yīng)變的增加，孔壓增速逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定值。圍壓越大孔壓在達(dá)到穩(wěn)定前的增速也越大。

圖3 孔壓—應(yīng)變曲線

圖4孔壓—剪應(yīng)力關(guān)系曲線表現(xiàn)出與孔壓—應(yīng)變曲線相對(duì)應(yīng)的特征，在偏應(yīng)力較小時(shí)，孔隙水壓力較小，曲線相對(duì)較緩；隨著偏應(yīng)力的增大，孔壓逐漸增加，當(dāng)出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)孔壓迅速增加；當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，孔壓仍然在增加，但增長(zhǎng)速度變慢，曲線變緩，最后孔壓趨于穩(wěn)定。對(duì)于曲線中出現(xiàn)的拐點(diǎn)認(rèn)為是土體的臨界應(yīng)力點(diǎn)和土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk有關(guān)。可結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線給出合理解釋:當(dāng)有效應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)屈服力時(shí)，土體結(jié)構(gòu)較為完整，大部分的壓力都由土體結(jié)構(gòu)骨架承擔(dān)，僅小部分壓力由孔隙水承擔(dān)，因此孔壓增長(zhǎng)較緩；當(dāng)有效應(yīng)力不斷增加并接近于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，此時(shí)土體結(jié)構(gòu)開始大量出現(xiàn)破壞，結(jié)構(gòu)承受壓力的能力急劇損失從而將大部分的壓力轉(zhuǎn)移到孔隙水上，從而使孔壓迅速上升，有效應(yīng)力迅速降低；土體嚴(yán)重破壞后，土體的變形主要是由顆粒間的滑移引起，此時(shí)孔隙水壓力增長(zhǎng)緩慢，基本維持穩(wěn)定。

圖4 孔壓—剪應(yīng)力曲線

圖5為孔壓比與應(yīng)變的關(guān)系曲線由圖可知，在不排水條件下，軸向應(yīng)變很小時(shí)不同圍壓的孔壓比均出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到2%時(shí)，此時(shí)50kPa，100kPa，200kPa，400kPa 的 孔 壓 比 分 別 為0.96,、0.92、0.87、0.80，說(shuō)明在 CU01-CU04 均出現(xiàn)了嚴(yán)重的液化，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是試樣在剪切的過(guò)程中圍壓保持不變但孔隙水壓力逐漸增大導(dǎo)致砂質(zhì)粉土有效應(yīng)力和強(qiáng)度都基本降為零，并且土體液化勢(shì)隨著圍壓的增加。

圖5 孔壓比-應(yīng)變曲線

3.3 穩(wěn)定狀態(tài)

按照Poulos[14]提出的穩(wěn)定狀態(tài)模型，因?yàn)槭窃谕豢紫侗认逻M(jìn)行試驗(yàn)的，因此連接不同圍壓下的穩(wěn)定點(diǎn)即可得到穩(wěn)定狀態(tài)線（SSL）,其在 q’—p’平面內(nèi)近似的可以用以下線性公式來(lái)表示。

式中 q’ss為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的偏應(yīng)力，p’ss為穩(wěn)定時(shí)的平均有效主應(yīng)力，M為穩(wěn)定狀態(tài)線在q’ss—p’ss平面內(nèi)的斜率。通過(guò)對(duì)砂質(zhì)粉土三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)整理后得到飽和砂質(zhì)粉土的穩(wěn)定狀態(tài)線（如圖6所示），通過(guò)最佳擬合得到M=1.246，飽和砂質(zhì)粉土的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角由sinΦ=3M/(6+M)得到Φ=31.06°。

圖6 飽和砂質(zhì)粉土穩(wěn)定狀態(tài)曲線

3.4 強(qiáng)度參數(shù)特征

對(duì)不同圍壓下的剪切莫爾圓的公切線進(jìn)行了擬合，得到的飽和狀態(tài)下砂質(zhì)粉土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表2。

表2 飽和砂質(zhì)粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

4 環(huán)剪試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 不同剪切速率下土體剪切力學(xué)性質(zhì)

由圖7發(fā)現(xiàn)，飽和砂質(zhì)粉土在控制法向應(yīng)力條件下，改變剪切速率進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)時(shí)，峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都隨著剪切速率的增大而減小。對(duì)于飽和粉土，剪切速率越慢土體內(nèi)部孔隙水越容易運(yùn)移，進(jìn)而可以降低剪切面處孔隙水含量導(dǎo)致有效應(yīng)力增加，從而使土體的殘余強(qiáng)度隨剪切速率的增加而減小。不同的剪切速率下環(huán)剪曲線均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征，在有限位移條件下，殘余強(qiáng)度不顯著。出現(xiàn)這樣的原因主要是土體的整個(gè)剪切過(guò)程中，剪應(yīng)力有足夠的時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)整從而均勻分布，剪切面沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中，土體的粘聚力和剪脹力得到了充分的發(fā)揮。當(dāng)剪切速率較快時(shí)，土體顆粒在產(chǎn)生滑移的同時(shí)，還形成旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)等其它的運(yùn)動(dòng)形式，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，土顆粒形成定向排列，凝聚力和剪脹力消失，土體抗剪強(qiáng)度僅由摩擦力承擔(dān)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)法恢復(fù)，因此在剪切過(guò)程中需要更多的形變調(diào)整以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 不同剪切速率下剪切力—剪切位移曲線

4.2 不同法向應(yīng)力下土體剪切力學(xué)性質(zhì)

在控制剪切速率條件下，所繪制的剪應(yīng)力—剪切位移的關(guān)系曲線（如圖8所示）表明，法向應(yīng)力對(duì)曲線的形態(tài)沒有很大的影響，飽和砂質(zhì)粉土峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨著法向應(yīng)力的增加而增加，呈明顯的線性關(guān)系，擬合峰值強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線R2（R為相關(guān)系數(shù)）達(dá)到了0.970以上，說(shuō)明在同一級(jí)的剪切速率下，飽和粉土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力和內(nèi)摩擦角）與法向應(yīng)力無(wú)關(guān)。

圖8 不同法向應(yīng)力下剪應(yīng)力—剪切位移曲線

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)涇陽(yáng)南塬階地砂質(zhì)粉土飽和重塑樣進(jìn)行不同圍壓的室內(nèi)三軸試驗(yàn)和不同法向應(yīng)力、不同剪切速率的環(huán)剪試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

1）三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)研究表明：在不同圍壓下，土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系都呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)變軟化，孔壓比—應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出嚴(yán)重的液化現(xiàn)象且土體的液化勢(shì)隨著試驗(yàn)圍壓的增加而減小，并且得出飽和砂質(zhì)粉土的穩(wěn)定狀態(tài)參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)特征。

2）環(huán)剪試驗(yàn)研究表明：當(dāng)剪切速率條件相同時(shí)，不同法向應(yīng)力下剪應(yīng)力都在同一剪切位移處達(dá)到峰值強(qiáng)度，且峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨法向應(yīng)力的增加而增加，但飽和砂土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力和內(nèi)摩擦角）與法向應(yīng)力無(wú)關(guān)；當(dāng)法向應(yīng)力條件相同時(shí)，在不同的剪切速率下環(huán)剪曲線中的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征。

3)人工灌溉導(dǎo)致地下水位上升，位于下墊層的砂質(zhì)粉土飽和后隨著孔隙水壓力的增加出現(xiàn)嚴(yán)重的液化現(xiàn)象導(dǎo)致土體有效應(yīng)力急劇減小從而使土體力學(xué)強(qiáng)度降低發(fā)生剪切破壞，土體沿著下墊層發(fā)生滑動(dòng)形成高速遠(yuǎn)程滑坡。