砂質黏土固結不排水力學特征三軸試驗研究

為研究陜南秦巴山區(qū)砂質黏土在不同干密度、含水率下的強度及破壞特征，用TSZ-1型應變控制式三軸儀進行了60組試驗：控制干密度為1.53 g/cm3、1.62 g/cm3、1.71 g/cm3，含水率為11%、14%、16%、18%、20%，圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。試驗分析發(fā)現(xiàn)：土樣在三軸剪切過程中，由于試樣含水率以及試驗過程中試樣內部強度發(fā)生強化、弱化現(xiàn)象，導致試樣最終破壞形態(tài)多樣；在相同含水率情況下，土樣自身內摩擦角及粘聚力隨著含水率的不同，變化規(guī)律也有所不同，且都在干密度1.63 g/cm3時達到臨界值；在相同干密度情況下，土樣自身內摩擦角及粘聚力變化與含水率變化存在某種函數(shù)關系，發(fā)現(xiàn)含水率對內摩擦角和粘聚力的變化以及增長都有較大影響。研究成果可為秦巴山區(qū)邊坡治理提供數(shù)據(jù)支撐。

砂質黏土； 剪切強度； 破壞機理； 三軸試驗

TU411.7A

［定稿日期］2023-05-09

［基金項目］陜西省重點研發(fā)計劃項目（項目編號：2023-YBSF-324）；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（項目編號：202210720001）

［作者簡介］彭楊旭（2000—），男，在讀本科，研究方向為巖土工程。

［通信作者］郭鴻（1984—），男，博士，副教授，研究方向為顆粒物質力學、巖土工程理論及數(shù)值模擬。

0 引言

我國是世界上滑坡災害最嚴重的國家之一 ［1］。近年來，陜南秦巴山區(qū)地質災害頻發(fā)，對當?shù)鼐用竦纳约柏敭a安全產生了嚴重威脅［2］。在降雨、人類工程活動等因素的影響下，地質災害的發(fā)生具有群發(fā)性、突發(fā)性的特點 ［3］ 。近年來隨著邊坡防護工程的發(fā)展與諸多學者對陜南地區(qū)邊坡防護工程的研究，人類工程活動對地質災害的影響已得到了有效改善［4-6］。降雨成為滑坡的主要的誘發(fā)因素 ［7］，降雨入滲會導致地下水位的變化，這是產生滑坡的主要原因 ［8］ 。目前已有學者從降雨強度、降雨時間、降雨類型等多個方向入手，對邊坡失穩(wěn)因素進行了分析，潘威等［9］通過對路基邊坡垂直入滲深度進行討論，為路基穩(wěn)定性分析提供了依據(jù)。韓佳明等［10］建立黃土邊坡滲流場計算模型，通過多孔介質理論和水力學理論建立了非飽和土滲流的控制方程。

本文主要通過三軸固結不排水試驗研究秦巴山區(qū)土樣的破壞特征及強度指標，意在分析出該地區(qū)土樣在不同干密度、不同含水率下條件下內摩擦角和粘聚力的變化規(guī)律，以便為此后該方面研究提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗方案

本項目采用陜西省漢中市勉縣某公路旁土質邊坡土樣為研究對象。土樣采集前，該地曾有一段時間降雨，并出現(xiàn)了明顯的小型滑坡。該段坡體能明顯觀察到土體已經過一段時間沉淀，邊坡斷層處能明顯觀察到該邊坡含水率分布出現(xiàn)了分層，試驗所采集土樣為已發(fā)生滑坡的滑坡體的松散土樣，由于取樣地點已發(fā)生滑坡，能夠反映土體滑坡時的土樣內部構成，適合作為該項目試驗對象。土樣采集地實地照片如圖1所示。通過含水率試驗、液、塑限聯(lián)合測定試驗、標準擊實試驗測得土樣基本物理指標如表1所示，土樣顆粒級配曲線如圖2所示。

通過分析土樣顆粒級配曲線，該土樣不均勻系數(shù)Cu=10.78，曲率系數(shù)Cc=2.25，土樣級配良好。粒徑大于0.075 mm的顆粒含量為90.89%，說明采用土樣為細砂質黏土。

1.1 試驗流程

本試驗采用儀器為TSZ-1型應變控制式三軸儀，加載速率設定為0.1 mm/min，圍壓設定為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四種。試驗操作過程中，從試樣開始產生應變開始，每產生1 mm的軸向位移，對測力計度數(shù)，孔隙水壓力和軸向變形度數(shù)進行一次測記，直至試樣開裂破壞或軸向應變達到20%時停止試驗，并進行試驗記錄。

試樣的為39.1 mm，高80 mm，分五層壓實，采用三軸試驗用模具制作，并在每次填充壓實后用工具將連接面處刮花，以防止試樣各層間出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，影響試驗結果的準確性（圖3）。所用試樣控制干密度為1.53 g/cm3、1.62 g/cm3、 1.71 g/cm3，含水率為11%、14%、16%、18%、20%，圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，共做了60組試驗。

1.2 試樣破壞形態(tài)

試樣破壞形態(tài)特征為中心部分向外鼓脹，部分試塊開裂，開裂試件裂縫角度與貫穿程度各不相同，產生該現(xiàn)象的原因有兩個：一是因為試樣在三軸試驗過程中，試塊內部出現(xiàn)了部分強化、弱化現(xiàn)象，從而導致破壞形態(tài)有所差異［11］；二是在三軸試驗過程中，由于含水率的不同從而導致試樣破壞特征不同 ［12］，含水率較低時，試樣多為鼓脹破壞，隨含水率增大，試件開始出現(xiàn)剪切破壞，裂紋方向近似為豎向，且隨著含水率增大，剪切的裂紋逐漸貫通，試樣破壞形態(tài)如圖4所示。

1.3 試驗數(shù)據(jù)分析

圖5、圖6分別為不同含水率下內摩擦角-壓實度及粘聚力壓實度關系曲線。在含水率相同的條件下，內摩擦角隨著干密度的增大整體呈上升趨勢，如圖5所示。由圖5（a）可以看出，當含水率較小時，內摩擦角隨著干密度增大而線性增大；當含水率較大時，內摩擦角隨著干密度增大先減小再增大。

在含水率相同的條件下，粘聚力隨著干密度的增大先增大后減小。由圖6可以看出，內摩擦角隨著干密度增大而增大，當試樣干密度超過1.63 g/cm3后，內摩擦角隨著干密度增大而減小。由圖6（a）、圖6（b）可以看出，當含水率小于最優(yōu)含水率時，粘聚力隨著干密度增大整體呈減小趨勢；當含水率小于最優(yōu)含水率時，粘聚力隨著干密度增大整體呈增大趨勢。圖5、圖6共同反映出在含水率相同的情況下，干密度1.6 g/cm3為內摩擦角和粘聚力變化的臨界值。

圖7、圖8分別為不同壓實度下內摩擦角-壓實度及粘聚力壓實度關系曲線。通過對圖6、圖7分析發(fā)現(xiàn)，同一壓實度下含水率與內摩擦角、粘聚力之間存在某種函數(shù)關系，含水率對粘聚力的增長率呈現(xiàn)出遞減趨勢，且對粘聚力增長幅度的影響更為顯著。含水率變化對內摩擦角與粘聚力影響較大。

在含水率相同的情況下，內摩擦角隨著干密度增大先減小后增大；且在含水率較低時，內摩擦角與土樣干密度保持線性增加的關系。粘聚力則隨著干密度增大先增大后減小。且在含水率較低時整體呈減小趨勢，含水率較高時整體呈增大趨勢。干密度1.63 g/cm3為內摩擦角和粘聚力隨干密度變化而變化的臨界值。

在干密度相同的情況下，內摩擦角與粘聚力與含水率之間存在函數(shù)關系，說明含水率對內摩擦角和粘聚力增長幅度影響更為顯著，含水率變化對內摩擦角與粘聚力影響較大。且最優(yōu)含水率下由于土體內部氣相和水相分布均連續(xù)，故在外力作用下水相和氣相均達到最大值［13］。

2 結論

通過對不同干密度與不同含水率兩種條件下測得各試樣數(shù)據(jù)進行分析，對試驗數(shù)據(jù)進行總結，發(fā)現(xiàn)含水率與干密度均對該土樣抗剪強度有一定影響。

（1）在試驗過程中，試樣會由于試驗過程中內部結構強化、弱化和含水率的因素出現(xiàn)不同的破壞形態(tài)。

（2）在含水率相同的情況下，內摩擦角隨著干密度增大先減小后增大；且在含水率較低時，內摩擦角與土樣干密度保持線性增加的關系。粘聚力則隨著干密度增大先增大后減小。且在含水率較低時整體呈減小趨勢，含水率較高時整體呈增大趨勢。

（3）在含水率相同情況下，干密度1.63 g/cm3為內摩擦角和粘聚力隨干密度變化而變化的臨界值。

（4）在干密度相同的情況下，內摩擦角與粘聚力與含水率之間存在函數(shù)關系，說明含水率對內摩擦角和粘聚力增長幅度影響更為顯著，含水率變化對內摩擦角與粘聚力影響較大。

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