滑带土残余强度的室内试验与参数反分析_刘动

Grain size distrbution curves of slip zone soils in test 表1 试验用滑带土试样的基本指标
w /% 20． 8 20． 1 19． 8 20． 2 ρd / （ g·cm － 3 ） 1． 69 1． 70 1． 74 1． 71
Table 1
［3 ］
仪， 使 其 可 以 精 确 地 测 定 试 验 过 程 中 的 应 力； Gratchev 等［7］通过对地震引发的滑坡现场的天然黏 性土开展环剪试验， 结合扫描电镜试验， 从微观的角
［8 ］ 度分析了地震导致滑坡产生的原因； Frydman 等
最早关注了含粗颗粒较多的滑带土的残
［4 ］
余强度特性与一般黏土的差异； 李远耀等
［6 ］ 下的特性研究． Sassa 等 研制了较为先进的环剪
， 并取得
了一些共识． 但这些研究大都是针对由黏土矿物组 成的细粒土． 形成于库岸古滑坡中的滑动带的组成 中常见含粗颗粒的细粒土， 此类土的特点是粗粒含 量较高， 虽然仍属于细粒土， 但是由于粗颗粒含量的 影响不能被忽视而使其兼具粗粒土和细粒土的性 质； 截至目前， 此类土的剪切特性较少被专门研究． 周平根
剪应力 － 剪切位移特征及残余强度 在 v = 0． 1 mm / min 的剪切速率下， 第 1 组试样 200 、 300 kPa 法向荷载下的剪应力 － 剪切位 在 100 、 移曲线如图 6 所示（ 其余 3 组曲线相似） ．
2． 3
2． 3． 1
试验结果及分析
试样剪切面形态 试样达到残余强度后， 会形成明显的剪切带， 如 图 4 所示． 在剥露出的新鲜剪切面上， 可以看到颗粒 的定向排列非常明显， 仔细观测可见土颗粒上有明 显的摩擦痕迹， 表明剪切作用使部分粗颗粒脱离嵌 固状态， 或被剪碎或产生滑动， 形成细小的空隙， 如 图 5 （ a） 所示． 由图 5 （ b ） 所示的剪切面的扫描电子 显微镜分析结果可见， 滑带土微观结构较密实， 黏土 片层结构定向性明显， 粗颗粒的存在导致较多孔洞 的形成． 测定剪切面的含水率并与剪切之前的含水率相 比， 发现含水率略有升高 （ 经测定， 剪切面局部含水 率在 21% ～ 22% 之间） ， 表明剪切使剪切面的孔隙率 并使水分子向剪切面富集． 这也是导致滑 逐渐提高， 带土强度逐渐由峰值强度降低为残余强度的主要原 因之一．
图5 Fig． 5
剪切面及其扫面电镜图
Shear surface and its SEM image
2． 3． 2
1 ） w 为含水率， w L 为液限， p 为塑限． ρ d 为干密度，
多 环剪试验一般包括 3 种剪切方式： 单级剪切、 ［14 ］ 级剪切和预剪试验 ， 本研究采用了耗时最长、 但 效果较好的单级剪切方式． 每组试样分别在 100 、 由于滑带土的埋深较浅， 200 、 300 kPa 3 个不同固结压力下固结直到稳定， 然 后设定较低的剪切速率 （ v = 0． 1 mm / min ） 开始缓慢 剪切， 直到剪应力值达到稳定． 每级固结压力下准备 2 个试样， 共对 24 个试样进行了环剪试验．
图6 Fig． 6
剪应力 － 剪切位移曲线
Curves of shear stress versus shear displacement
由图 6 可见， 试样在每级荷载下经历一定的剪 ， 切位移后 剪应力会出现一不明显的峰值 （ 荷载越 小峰值越不明显 ） ， 之后随着剪切位移的增加剪应 力逐渐下降， 当剪切位移增大到足够大时 （ 一般为 80 mm以上） ， 即达到残余强度． 这 剪应力趋于稳定， 一结果与一般黏性土有较大不同， 表明此类土虽然 存在抗剪强度随剪切位移的衰减， 但并不具有明显 的应变软化特性． 根据 3 种不同固结压力下的剪应 力 － 剪切位移关系， 可以整理出每组试验的残余强 度指标， 如表 2 所示．
Fig． 2
图2
1 型） 环剪仪（ HJ-
Ｒing shear apparatus （ HJ1）
2． 2
试验方法
根据残余强度机理及现有研究成果， 认为土体
残余强度与土的初始结构及应力历史的关联可被忽 略
［1213 ］
． 为满足对比试验的需要， 并考虑到环剪试
验原状试样制样条件的约束， 本次试验全部采用重 ． 塑土进行 为了跟国内现行试验规范具有可比性 ， 参 照反复剪切试验的制样要求， 重塑土过孔径为 2 mm 的筛， 过筛后将现场原状样的天然含水率和干密度 作为控制指标进行夯击， 然后抽真空、 饱和， 得到重 塑试样． 由于含粗颗粒较多的滑带土与一般黏性土或砂 土在剪切性状方面的诸多不同， 研究中除了希望得
收稿日期： 2013-07-04
验， 研究了超固结比、 法向应力等对残余强度的影 响． 总的来说， 环剪仪由于其在获取残余强度方面的 种种优势， 目前在研究土的应变软化特性、 进行边坡
* 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 11072088 ） ； 广东省水利科技创新项目（ YSK200901 ） ）， mail： liudong04@ 126． com 主要从事土力学与基础工程 、 边坡工程等的研究． E作者简介： 刘动（ 1986男， 博士生， 通信作者： 陈晓平（ 1957）， mail： chenxp@ jnu． edu． cn 女， 教授， 博士生导师， 主要从事土力学与基础工程的教学与研究． E-
第 42 卷 第 2 期 2014 年 2 月
华南理工大学学报( 自然科学版) Journal of South China University of Technology （ Natural Science Edition）
Vol． 42 No． 2 February 2014
文章编号： 1000-565X （ 2014 ） 02-0081-07
图1 Fig． 1 滑带土粒度分布曲线 Grain size distrbution curvees of slips zone soils
到滑带土的残余强度指标外， 还特别关注了粗颗粒 含量对滑带土剪切特性的影响． 为此， 根据粗粒含量 的不 同， 将 试 样 分 为 4 组 （ 分 别 记 为 Group 1 、 Group2 、 Group3 、 Group 4 ） ， 各组试样的颗粒分布曲 基本特性指标见表 1 ， 表中 I d 为粗颗 线如图 3 所示， 粒含量（ 粒径在 0． 075 ～ 2． 00 mm 之间的土颗粒在整 个土颗粒中所占的比例， 以质量分数计） ．
3 3 2 D1 － D2 2 ， 3 D2 1 － D2
D1 和 D2 分别为试样的外径和内径， ω 为角速 式中， v 为平均剪切速率． 度，
1
工程概况及滑带土的基本特性
该大型古滑坡分布高程为 100 ～ 295 m， 是岸坡在 重力作用下， 经过蠕动、 倾倒和坐落滑动过程形成的 ， 一种复合型边坡 是古老滑坡体， 滑坡体总方量超过 200 万 m3 ． 古滑动带位于边坡强风化带界面处， 是一 厚度不等的含砂黏土及黏质砂的破碎带． 文中研究的 滑带土取样点位于古滑坡中滑带出露之处， 埋深较 浅， 利用筛析法结合密度计法得到试验用滑带土的颗 粒分布曲线， 如图 1 所示． 根据土的分类， 该试验用土 为含粗颗粒的细粒土， 可命名为含砂黏土， 具体物理 3 ： 2． 06 g / cm 20. 8% ， ， 指标为 天然密度 干密度 含水率 3 1. 69 g / cm ， 塑限 13. 4% ． 液限 31. 6% ，
滑带土是滑坡的重要组成部分， 其在大剪切位 移下的残余强度对于揭示滑坡的发生机制、 进行滑 坡的稳定性分析以及滑坡治理等都有十分重要的意 义． 一些学者通过现场试验、 室内试验及反分析等多 种方法开展了土体残余强度特性的研究
［12 ］
带土残余强度特性的研究由于受试验设备 、 试验方 法的局限， 一直进展有限， 在提供有效的工程参考依 据方面还有较大的研究空间． 环剪仪被认为是开展残余强度试验最为理想的 土工试验设备． 相比其他仪器， 其最大的优势在于可 获得同一个方向的连续大剪切位移， 不会产生偏心 荷载的作用， 并且整个试验过程中剪切面积不发生 改变． 许多学者采用环剪仪开展了土体大剪切应变
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华 南 理 工 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
第 42 卷
稳定性评价等方面发挥着越来越重要的作用 ， 但在 国内尚缺乏相应的试验规程以及标准试验方法 ， 相 应的研究成果也不多． 对于边坡稳定性分析评价， 参数的选择往往比 计算方法的选择更为重要， 滑带土抗剪强度细微的 变化会导致下滑力巨大的改变， 因此， 对于重要的边 坡工程， 一般以室内试验为基础， 同时采用反分析计 ， 算等多种 方 法 进 行 综 合 分 析 以 合 理 确 定 强 度 指 ［11 ］ 标 ． 文中针对粤北山区某水利枢纽近坝区的一大 型古滑坡滑动带中的含砂黏土， 开展了室内环剪试 验的系统研究， 分析了此类滑带土在大剪切位移下 的残余强度特征和强度衰减规律， 重点关注了粗颗 粒含量对滑带土残余强度的影响， 并基于实际工程 开展了滑带土的强度参数反演分析， 综合探讨了滑 ． 带土抗剪强度参数的选取
通过收 通过
集和整理三峡库区多处滑坡资料， 发现滑带土抗剪 强度参数受到粗颗粒含量的影响； 陈晓平等
［5 ］
利用环剪试验分析了滑带土的黏粒含量与其残余强 度的关系； 孙涛等
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对超固结黏土开展了环剪试
滑带土剪切强度试验总结了含粗颗粒的细粒土与一 般黏性土或砂土在剪切性状方面的诸多不同 ． 从目 前的研究来看， 相对于黏性土， 粗颗粒含量较高的滑
试样编号 Group1 Group2 Group3 Group4
Basic physical indexes of slip zone soils in test
Id /% 20． 1 30． 6 35． 2 40． 9 wL / % 31． 6 26． 8 27． 1 27． 2 wp / % 13． 4 14． 6 17． 0 16． 1