含水率對滑帶土強度及變形影響試驗研究

黃 斌，傅旭東，譚 凡，吳忠明

（1.武漢大學 土木建筑工程學院，武漢 430072；2.長江科學院 土工所，武漢 430010；3.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

1 引 言

滑帶土是滑坡的重要組成部分，與滑坡的發展變形、穩定性有著密切的關系[1]。滑帶土的強度與變形特性受含水率的影響較大，降雨、水庫蓄水及水位變化等都會引起滑帶土體含水率的變化。大量的分析計算表明，滑帶土強度參數的微小變化都會帶來滑坡體推力的巨大改變。根據一大型滑坡的監測結果，滑坡滑動位移曲線在雨季開始時會有突變，位移速率突然加大，且降雨量越大，邊坡位移量越大，因此，研究滑帶土強度及變形隨含水率的變化規律對滑坡穩定性評價及滑坡工程治理具有重要意義。

在現有的非飽和土強度及變形的研究中基本都以吸力作為一個參量，反映吸力對強度及變形的影響[2－3]，這樣更直接，也更嚴格；但控制吸力的室內試驗代價昂貴，試驗周期非常長，吸力的現場測試更加困難。國內許多學者利用常規儀器開展了一系列非飽和土試驗研究。林峰[4]、林鵬[5]等通過不同含水率的三軸試驗及直剪試驗研究了含水率對滑帶土強度的影響；周永昆等[6]通過三軸UU試驗研究了含水率與強度參數的關系，并建立了含水率與強度參數的二次函數關系式；柏永巖等[7]通過不同含水率的滑帶土直剪試驗表明，含水率對凝聚力c的影響較大，而對內摩擦角φ的影響很小，參數c與含水率可以用對數函數來擬合。綜上所述，目前的研究主要在含水率對強度的影響上，且進行的試驗多為三軸UU、CU或直剪試驗，在含水率對滑帶土體變形方面的研究較少，因此，加強變形性狀的研究非常有必要。

本文在研究含水率對強度與變形的影響時，避開了吸力的測量，采用與文獻[8－9]類似的方法來研究含水率對滑帶土強度及變形的影響。通過對滑帶土進行不同初始飽和度的常規三軸固結排水（氣）試驗，研究了強度參數隨飽和度的變化規律，獲取了不同初始飽和度條件下的 Duncan-Chang模型參數，并建立了變形參數與初始飽和度的經驗公式。

2 三軸試驗

2.1 試樣制備

試驗土樣取自某水電站下游一大型滑坡滑帶土體，滑帶為灰黑色千枚巖碎屑土，液限為29.7%，塑限為13.5%，土類為黏土質礫。從理論上講，重塑樣相對原狀樣結構被破壞了，強度會低些，而滑帶土常年處于蠕滑狀態，其變形也會對土體的結構性產生損傷，因此，本文采用重塑樣進行試驗，得到偏工程安全的強度參數，重點研究不同含水率下強度變形參數的影響。

Skempton認為，對于已經滑動的滑坡，應采用殘余強度τfr或殘余強度系數R＞0.95的平均抗剪強度來進行滑坡穩定性分析。由于τfr與土體的原始受力狀態、土的結構性無關，可采用重塑樣求取滑帶土的τfr，不一定采用原狀土，減少取樣難度。

對滑帶土樣進行相同干密度、不同初始飽和度的三軸固結排水（氣）試驗，試樣尺寸為φ101 mm×200 mm。先將土料風干過 20 mm的篩，對大于20 mm的顆粒采取等量替代法進行處理。由于粒徑大于20 mm的顆粒非常少，僅占總質量的0.9%，對強度的影響不大，可采用剔除法或等量替代法對超徑顆粒進行處理。本文采用了等量替代法，用粒徑為5～20 mm的土粒按比例等質量替換粒徑大于20 mm的顆粒，試驗級配如表1所示。試樣干密度為2.05 g/cm3，孔隙比為0.358。試樣含水率分別為7.2%（Sr=54.5%）、9.3%（Sr=70.5%）、11.2%（Sr=84.8%）和13.2%（Sr=100%）。

為了控制試樣的飽和度，先將土料含水率調至試驗要求的含水率，再用塑料袋密封24 h，待水分均勻后分3層擊實成型；直接擊實飽和度100%的試樣比較困難，本試驗通過對成型好的試樣進行抽真空飽和，再通過反壓飽和及孔隙壓力系數B值檢測，從而制備飽和度100%的試樣。

表1 滑帶土試驗級配Table 1 Test particle size of slip soils

2.2 試驗方法

對于非飽和試樣，測試其內體變（即試樣排水量）是無法反映試樣的體積變化，必須在試驗過程中量測試樣的外體變。針對非飽和土的體變測試，本文提出1種新方法，其儀器簡圖如圖1所示，已申請新型實用專利[10]。在圍壓氣源和壓力室之間添加了一個氣水轉換裝置，氣水轉換裝置一半為水，底部與壓力室相連。通過測量氣水轉換裝置內水的質量變化來換算成試樣的體變，當試樣體積發生膨脹時，壓力室的水進入氣水轉換裝置，反之當試樣體積收縮時，氣水轉換裝置的水進入壓力室，氣水轉換裝置通過一個轉盤與重物連接，重物放置在電子天平上，天平最小稱量讀數為0.01 g，最大稱量質量為5100 g。通過稱量重物質量來測量氣水轉換裝置質量變化，換算成試樣的體積變化，該外體變測試精度可達0.01 mL。同時，為了減小壓力室在加壓和溫度變化時的體積體積變化，試驗時采用剛度很大的厚壁金屬壓力室，并在整個試驗過程中用空調來保持室內溫度恒定。

實際工程中的邊坡滑動非常緩慢，滑帶中的氣與水可自由排出，本次試驗采用三軸固結排水（氣）剪切，試驗過程中保持試樣頂、底與大氣相通。以軸向變形與外體變穩定作為固結完成的標準，按 4個飽和度（54.5%、70.5%、84.8%、100%）進行試驗，圍壓σ3分別為300、600、900、1200 kPa，剪切速率取0.016 mm/min。

圖1 帶外體變測試的三軸儀簡圖Fig.1 Triaxial device with external volume measuring

3 試驗成果

不同初始飽和度條件下滑帶土三軸試驗應力-應變及體變-應變關系分別如圖2、3所示。可以看出，隨著飽和度的提高，相同圍壓條件下滑帶土樣的強度明顯降低，含水率對滑帶土強度的影響很大。

隨著飽和度Sr的提高，試樣在剪切過程中的體變（體縮為正）變小，且當初始飽和度由 70.5%提高到 84.8%時，體變降低最為明顯。試樣在排氣通暢的情況下氣壓是可以瞬間消散的[8]，當試樣飽和度較低時，土體中的氣體通道相互連通，空氣容易排除；隨著飽和度的提高，部分氣體的通道被水封閉，而水的排出比氣體要慢得多，所以表現為試樣的飽和度越高，其體變越小。不同含水率的試樣在較低圍壓下（σ3≤300 kPa）均表現出剪脹，且飽和度越高，發生剪脹時的軸向應變越小，剪脹現象越明顯。此外，還可以發現在較高圍壓（σ3≥900 kPa）條件下，非飽和試樣在整個剪切過程中體積一直在減小，而飽和試樣在剪切至一定程度后體變趨于某一穩定值，這也反映了氣體的消散比水要容易得多。

4 強度參數與飽和度關系

滑帶土三軸試驗強度參數及與初始飽和度關系見表 2、圖 4、5。在以往對土體強度與飽和度關系研究中，得到的強度參數c與φ和飽和度或含水率的關系式大部分為直線關系[4－9]，即黏聚力與內摩擦角均隨著飽和度和含水率的提高而線性降低；也有學者得到的強度參數與含水率呈半對數關系[11－12]。本次獲得的滑帶土三軸試驗強度參數φ和初始飽和度呈現出良好的線性關系，但黏聚力與初始飽和度曲線卻表現為臺階狀陡降關系，在初始飽和度較低時，黏聚力與初始飽和度關系曲線較為平緩，黏聚力隨飽和度提高略微減小；達到一定飽和度后，黏聚力發生陡降；飽和度增大到一定程度后，黏聚力基本保持不變，接近飽和狀態的黏聚力，這一點與文獻[13]成果一致。上述成果表明，非飽和土中的吸力對“似黏聚力”的貢獻是有限的，并在飽和度為70%～85%的范圍內曲線有突變，按照包承綱[14]提出的非飽和土氣相四形態劃分，應屬于“氣體部分連通”與“氣體內部連通”狀態，是非飽和土研究的重點。對本試驗而言，當飽和度超過85%以后，吸力對黏聚力的影響幾乎為0。筆者在研究該工程的紫紅色千枚巖碎屑土滑帶時也得到了類似的結論，只是對不同的土體其飽和度的門檻值存在差異。

圖2 應力-應變關系Fig.2 Relationships between stress and strain

圖3 體變-應變關系Fig.3 Relationships between volume strain and l strain

表2 滑帶土三軸試驗強度參數Table 2 Triaxial strength parameters of slip soils

圖4 黏聚力c 與初始飽和度關系Fig.4 Relationship between cohesion and initial saturation

圖5 內摩擦角φ 與初始飽和度關系Fig.5 Relationship between internal friction angle and initial saturation

在求取不同飽和度的強度參數時，內摩擦角可以建立與初始飽和度的線性關系式為

式中:φ為內摩擦角；aφ、bφ均為參數。從圖 5中可以得出，本文中關系式參數的取值分別為aφ=-0.16；bφ=36.567。

5 變形參數與飽和度的關系

5.1 Duncan-Chang模型

在土的本構模型中，Duncan-Chang模型簡單實用且能反映土體變形主要特點，在工程中被廣泛地使用。Duncan-Chang模型可以表示為

式中:Et、μt、Bt分別為切線彈性模量、切線泊松比和切線體積模量；pa為大氣壓力；c、φ、Rf、K、n、Kb、m、G、F、D為Duncan-Chang模型10個參數。

5.2 Duncan-Chang模型參數與飽和度的關系

從圖2、3可以看出，非飽和滑帶土三軸試驗曲線與飽和滑帶土試驗曲線類似，本文運用整理飽和土 Duncan-Chang模型參數的方法來整理不同初始飽和度的模型參數，建立模型參數與初始飽和度的關系式。

不同飽和度的模型參數n、m、F、Rf、D如表3所示。由表可以看出，不同初始飽和度下的參數n、m、F、Rf、D值相差不大，且這5個參數對滑坡變形計算的敏感性也不強[14]，可取平均值作為不同飽和度下的模型參數。

表3 不同初始飽和度下的模型參數Table 3 Parameters of different initial saturations

參數K、Kb、G對變形數值計算結果產生較大的影響[15]，準確建立這3個參數與飽和度的關系對數值計算有較大的意義。在凌華[8－9]的研究中，建立了參數K與含水率的對數關系式及G與含水率的線性關系式。在本文中參數K、Kb、G均與初始飽和度呈較好的線性關系，可對其采取線性插值求取不同飽和度下的參數值。參數K、Kb、G與飽和度關系如圖6所示，參數K、Kb、G與初始飽和度的關系式分別為

圖6 參數K、Kb、G與初始飽和度的關系式Fig.6 Relationships of parameters K、Kb、G and initial saturation

6 結 論

（1）含水率對滑帶土強度及變形的有較大的影響，初始飽和度越高，土樣強度越低，黏聚力與初始飽和度呈臺階狀陡降關系，內摩擦角與初始飽和度可以用線性關系式來描述。

（2）含水率對Duncan-Chang模型參數n、m、F、Rf、D的影響較小，不同初始飽和度下的參數值相差很小，可取平均值作為不同飽和度下的模型參數；參數K、Kb、G對變形數值計算結果產生較大的影響，且與初始飽和度呈較好的線性關系，可以建立K、Kb、G與初始飽和度的線性關系式。

（3）通過改進外體變測試裝置，可以實現在普通三軸儀上進行非飽和土強度試驗的功能，有利于非飽和土理論在工程中的普及和應用。

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