鎖兒頭滑坡滑帶土不同含水率大剪試驗研究

宋丙輝，諶文武，吳瑋江，江 耀

(1. 蘭州大學 西部災害與環境力學教育部重點實驗室，蘭州 730000；2. 蘭州大學 土木工程與力學學院，蘭州 730000；3. 甘肅省科學院 地質自然災害防治研究所，蘭州 730000)

1 引 言

滑帶土是滑坡的重要組成部分，與滑坡的發展變形、穩定性評價有著密切的關系[1－2]。由于滑帶土多是非均質、不連續的結合體，不同組成部分的抗風化能力不一樣，其物質成分、顆粒級配及孔隙率等指標也各不相同，因此，剪切試驗規模的大小在某種程度上影響到試驗成果的準確性和適用 性[3]。鑒于此，常規的土工試驗儀器有可能無法滿足實際工程要求，需采用大型土工試驗儀器，而大型直剪儀由于其試樣尺寸較大，可以最大程度地保留土樣的原始級配，弱化尺寸效應，且試驗操作簡便、適用范圍廣，應用最為普遍[4]。

國內外進行了許多針對不同土類、不同試驗控制條件下的大型直剪試驗研究，如Athanasopoulos[5]對經過土工膜加固的高飽和度淤泥質黏土進行了大型直剪試驗研究，分析了隨著剪應力的不斷增大，加固土剪切損傷變形行為以及土與土工膜間接觸摩擦力的發展變化過程；Oyanguren等[6]利用專門設計的現場大型直剪儀器對堆石壩材料進行了不同法向壓力下的直剪試驗研究，探討了循環加載方式對材料應力-應變關系的影響，對比分析了不同強度準則下現場大型直剪試驗結果的異同，并進一步驗證了現場試驗結果的合理性；Zekkos等[7]利用大型直剪儀對取自洛杉磯市垃圾填埋場的固體垃圾土進行了直剪試驗研究，探討了垃圾土成分、重度和剪切速率對其抗剪強度的影響程度，取得了豐富的研究成果；魏厚振等[8]對蔣家溝礫石土進行了不同含水率下的大型直剪試驗研究，發現該礫石土不同含水率、不同法向壓力下，水平剪應力-剪切位移曲線沒有明顯峰值，屬應力硬化型，強度指標c和φ與含水率之間滿足二次函數關系；王光進等[9]利用改裝后的大型兩用直剪儀對不同粗粒含量土的顆粒破碎率和抗剪強度進行了試驗研究，探討了顆粒破碎率與法向壓力和粗粒含量之間的關系，總結了不同粗粒含量和不同法向壓力下剪應力-應變曲線特征；董云[10]利用改進的室內大型直剪試驗系統，對不同類別土石混合料在不同影響因素下的強度特征進行了試驗研究，試驗結果揭示了土石混合料強度指標隨各主要影響因素的變化規律，具有重要的設計參考價值；張昆等[11]對某古滑坡滑帶土進行了現場大型直剪測試，分析了滑帶土的峰值強度和殘余強度特征，結果發現滑帶土的峰值強度和殘余強度近似成線性關系，塑性指數能較好地用來估算殘余強度。

雖然國內外利用大型直剪試驗設備對土抗剪強度特性進行了廣泛的研究，但專門針對滑坡滑帶土的研究成果還比較少見，特別是對于某些區域性特殊滑帶土的研究更是少之又少。實際上，利用大剪儀研究滑帶土的抗剪強度具有特殊的優勢，對于斷層破碎帶滑坡滑帶土更是如此，由于種種原因使得這方面的研究并沒有引起足夠的重視，研究成果比較缺乏，不利于我國滑坡防治設計理論的提高和發展，也限制了土體抗剪強度理論的豐富和完善。因此，本次利用室內大型直剪儀對舟曲鎖兒頭滑坡滑帶土進行了不同含水率下的直剪試驗研究，探討了滑帶土剪應力-應變關系的水敏感性，利用鄧肯-張雙曲線本構模型對大剪試驗結果進行數據擬合，證明該模型的適用性和合理性，研究成果可為進一步認識含粗顆粒土大位移剪切強度特性提供一定的借鑒和參考。

2 試驗設備及土樣制備

2.1 大型直剪儀

本次試驗采用美國 Geotest公司生產的 S2450型應變控制式大尺寸直剪儀（見圖 1）。這種大剪儀可以測土和土工織物的摩擦系數及土的直接剪切強度和殘余剪切強度，也可以通過往復運動測量殘余摩擦力以及進行長期、恒定張力的蠕變試驗。剪切盒的尺寸為300 mm×300 mm×175 mm，4個角經過打圓處理以盡量減小應力集中效應。為保持剪切面積的恒定，下剪切盒較上剪切盒部分沿長度方向長100 mm，因此剪切試驗的最大剪切位移也是100 mm。豎向壓力和剪切力由液壓缸提供，豎向荷載及剪切荷載可分別由豎向的4個壓力盒和水平的2個拉-壓測力盒量測。水平位移和豎向位移則由帶數字讀數的位移傳感器（LVDT）輸出，所有的數據均可通過數據采集系統在電腦上實時顯示和儲存，剪切速率則由恒定的壓力差控制，可以滿足0.001～10 mm/min范圍的要求。

2.2 土樣制備

試驗用土取自舟曲鎖兒頭滑坡下段右前緣出露的破碎基巖滑面，磨光面及滑動擦痕明顯，巖性主要為強風化中、上志留統千枚巖、板巖等軟質巖。受地質構造和滑坡體蠕變滑動的影響，滑帶地層整體較為破碎，產狀凌亂，滑帶土呈灰黑色，局部夾碎石，手摸光滑細膩，擦痕明顯。室內對其物理性質指標進行了測試，結果見表1。

根據《土工試驗規程》[12]中關于土的工程分類的規定，天然狀態滑帶土中粗粒組質量百分比約為36.9%，可定名為含粗粒的細粒土，土體不均勻系數Cu= 15.54，曲率系數Cc= 1.34，級配良好，其中60 mm＞粒徑＞2 mm的礫粒組約占總質量的30%，其對滑帶土抗剪強度的影響不容忽視[13]，而常規剪切試驗受剪切盒尺寸的限制無法考慮這種影響，需要對滑帶土開展大型直剪試驗研究。

有關研究表明[14]，大剪試驗中剪切盒的尺寸直接取決于顆粒的最大粒徑，而徑徑比和高徑比的不同，可能造成試驗內摩擦角偏差3°～5°，一般當徑徑比大于7.5、高徑比大于 4 后才對試驗結果影響不大。天然狀態滑坡滑帶土最大粒徑約為 7 cm，不符合粒徑控制要求，故采取篩分法剔除粒徑大于 4 cm的顆粒，取篩下余土經風干后按控制含水率配置大剪試驗重塑土樣（見表 2），控制含水率以天然含水率為基準，上下各配置 2 組不同含水率土樣。

根據表 2，控制干密度和實際含水率分別稱取每組重塑樣所需土樣，經拌和均勻裝填至大剪儀剪切盒中，分 3 層進行夯實，每層平均夯擊100下，層間刨毛，剪切縫寬度設定為10 mm，剪切縫處不得分層，嚴格按照上述步驟制樣可以保證各個試樣干密度一致和礫粒隨機均勻分布。擊實成型后的土樣通過叉車放入大剪儀剪切帶內，剪切標準采用不固結快剪方法，剪切速率設定為 0.8 mm/min，法向壓力分別為100、200、300、400 kPa。試驗過程中軟件系統自動記錄剪切位移、剪應力、剪切歷時等數據，數據采集標準為 4 個/分鐘，試驗最終結果以Excel表格形式輸出。

3 試驗結果整理分析

3.1 剪應力-剪切位移關系曲線特征

不同含水率下鎖兒頭滑坡滑帶土大剪試驗剪應力-剪應變關系曲線如圖2所示。含水率w = 15.4%試樣在法向壓力400 kPa下試驗過程中由于設備故障，試驗被迫停止，故缺少該級壓力下試驗數據。由圖2可見，不同含水率滑帶土大剪試驗的剪應力-應變關系均呈現出弱應變硬化特征，通常在剪應變小于0.02（對應水平剪切位移6 mm）時，剪應力快速增大，隨著剪應變的進一步增大，剪應力增大速率逐漸減小，剪應力-應變關系曲線沒有明顯的峰值出現。通過對比4組不同含水率下剪應力-應變關系曲線可見，曲線形態受含水率的影響較大。當含水率較低時，如w = 8.10%試樣，剪應力-應變關系表現出比較明顯的應變硬化特征；當含水率增大至10.4%時，剪應力-應變關系的應變硬化特征不甚明顯，隨著含水率的進一步增大，剪應力-應變關系又表現出較明顯的應變硬化特征。

出現上述試驗結果主要是因為含水率較低時，土中水分較少，少量的自由水對土顆粒表面潤滑作用較弱，顆粒間摩擦咬合力很大，試驗過程中由于法向壓力的壓密作用（法向壓力越大，排水效應越顯著）以及剪切過程中剪切面上顆粒的重新排列，細顆粒填充進入粗顆粒之間的孔隙中[8]，均使得土體剪切面抗剪強度得到了一定程度的恢復加強，因此剪應力-應變關系表現出應變硬化特征。隨著含水率的增大，如w = 10.4%，此時土中水分增多，顆粒表面水膜厚度增加，削弱了土顆粒間的引力作用，同時，相對豐富的自由水對土顆粒表面潤滑作用增強，弱化了顆粒間摩擦咬合作用，雖然試驗過程中仍有法向壓力的壓密作用，但自由水的潤滑、軟化效應也很顯著，共同作用的結果導致剪應力-剪應變關系曲線呈現出弱應變硬化特征。隨著含水率的進一步增大，如w = 13.2%和15.4%，此時土樣中水的潤滑、軟化作用很強，但試驗過程中排水效應也很強，加之剪切歷時時間較長，剪切越到后期，土樣排水越明顯，土體強度得到不斷恢復增強，因此土體剪應力-應變關系曲線再次表現出應變硬化特征。

3.2 剪切模量G與含水率w關系

土體剪切模量定義為土的剪切應力與剪切應變之比，是描述土體剪應力-應變本構關系的重要組成參數之一。描述土性的數學模型是對土性隨條件變化規律的概括，是用來說明共性的，而土與土之間的差異是以模型中的參數來表征的[15]，研究滑帶土剪切模量隨含水率的變化規律，可以更深入的認識滑帶土的剪切特性，為相關防災減災設計提供基本的依據。

隨著我國水利工程的大力發展，基礎防滲技術越來越成熟，其中防滲墻作為基礎防滲中最直觀有效的手段，其施工工藝也得到了迅猛發展，防滲墻施工設備也從簡單的機械鉆機發展到現在的電液一體化的現代機械。常用的設備主要有射水造墻機、液壓抓斗（大多需要配合沖孔鉆機施工）、旋挖鉆機和雙輪銑槽機。雙輪銑槽機作為專用的防滲墻施工設備，以其成槽施工效率高、孔型規則、安全環保、適應地層地質范圍廣等優點而被普遍采用。

圖2 不同含水率重塑樣剪應力-剪應變關系圖Fig.2 The strain-stress curves of remolded soil samples of different moisture contents

由于試樣在剪切過程中，剪切模量G處于不斷的變化過程中，為方便討論G隨法向壓力及含水率的變化特征，參照文獻[4]的研究方法以及本次研究試驗結果，以剪應變 γ = 0.1（對應剪切位移為 30 mm）時的剪切模量 G0.1為標準來討論滑帶土剪切模量變化特征，各不同含水率試樣在不同法向壓力下的G0.1變化趨勢如圖3所示。

由圖3可見，相同含水率試樣的G0.1隨法向壓力增加而增大，同一法向壓力下試樣的G0.1隨含水率的增加而線性減小，且減小速率隨法向壓力的增大而增大。究其原因是因為相同含水率情況下，隨著法向壓力的增大，土體壓密排水作用越發明顯，剛度增大，抵抗剪切變形的能力也更強，故剪切模量相應也增大；土體結構類型受含水率的影響很大，相同法向壓力下，含水率較低時土體的結構連接強度較大，要使土體破壞需要克服顆粒間較強的引力作用，隨著含水率的增大，土體結構類型發生轉變，水對土顆粒潤滑、軟化作用明顯，使得土顆粒間的阻力減小，顆粒間的連接減弱，對應的土體剛度減小，故剪切模量也減小[16－17]。對不同法向壓力下土樣G0.1與含水率之間關系進行線性擬合，結果見表3。由表可見，對于含水率在8.10%～15.4%范 圍內的鎖兒頭滑坡滑帶土，不同法向壓力下G0.1～ w之間基本呈負線性相關關系，擬合相關系數R ＞ 0.97時，具有較高的可信度。

圖3 不同法向壓力下G0.1隨含水率變化關系圖Fig.3 Relationships between G0.1and moisture content of different normal stresses

表3 不同法向壓力下G0.1-w關系曲線擬合參數Table3 Fitting parameters of curves

3.3 應力-應變雙曲線模型

目前描述土的應力-應變關系的數學模型可分為彈性模型及彈塑性模型。鄧肯-張雙曲線模型屬非線性彈性模型，能較好地反映土體的非線性性態，概念清楚，易于理解，在巖土工程中應用非常廣泛[18－19]。以往鄧肯-張模型主要用于描述土體三軸試驗應力-應變關系，而用于直剪試驗應力-應變關系的研究比較少，比較代表性的是 Clough和Duncan運用直剪試驗研究土和混凝土接觸面的力學特性，認為接觸面剪應力和相對剪切位移符合雙曲線關系[20]。本次利用鄧肯-張雙曲線模型，對鎖兒頭滑帶土大剪剪應力-應變關系進行解析分析，通過對比模型預測曲線和實測曲線，驗證了該模型的適用性和有效性。

根據Kondner等[12,22]研究成果可知，三軸試驗得到的黏性土和砂土的非線性應力-應變關系較好地符合雙曲線相關關系，雙曲線函數具體形式：

式中：σ1、σ3分別為大、小主應力；ε為軸向應變；參數 a為應力-應變關系曲線初始切線剪切模量的倒數；參數 b為ε趨于∞時的極限剪應力(σ1-σ3)ult。

推廣至直剪試驗中可知，不同法向壓力下直剪剪應力與剪應變間關系可以表示為

式中：τ為剪應力；ε為剪應變；Esi為初始切線剪切模量；τult為ε趨于∞時的極限剪應力。

初始切線剪切模量Esi與法向應力σn間具有如下相關關系：

式中：k為剪切模量系數；n為剪切模量指數系數；pa為標準大氣壓值，取101.4 kPa，量綱與Esi和σn相同。

利用Mohr-Coulomb強度準則，并結合式（2）、（3），可以推導出切線模量為

式（4）表明，若k、n、c、φ、Rf等參數的值已知，就可以預測任意法向壓力下土體的切線模量。

式（4）中的Rf定義為破壞比，其值小于 1，表達式為

式中：τf為破壞剪應力，試驗中有峰值則取峰值，沒有峰值取應變達到 10%時對應的剪應力[23]；τult為極限剪應力。在直剪試驗中τult可以通過破壞 剪應力以及70%和95%破壞剪應力所對應的剪應變求得，表達式為

式（5）、（6）提供了一種直接通過直剪試驗結果來推求Rf的方法，該求解過程同根據三軸試驗結果定義的Rf相似，只不過利用直剪試驗的剪應變和剪應力代替了三軸試驗的軸向應變和偏應力。

按照上述建模思路，對不同含水率、不同法向壓力下鎖兒頭滑坡滑帶土大型直剪試驗結果進行了模型擬合，鄧肯-張雙曲線模型參數值見表4，擬合曲線與實測曲線對比如圖4所示。由圖可見，大剪試驗實測曲線和模型擬合曲線間具有較高的變形一致性，說明運用鄧肯-張雙曲線模型模擬鎖兒頭滑坡滑帶土大型直剪試驗剪應力-應變關系是可行的，由于建立模型的理論基礎的限制，模型本身也有許多固有的缺陷[23]，如圖4(b)所表現出的模型不能反映土的應變軟化性質等。

圖4 大剪試驗剪應力-應變關系曲線實測與模擬結果對比圖Fig.4 Measured and predicted response of shear stress-strain for large scale direct shear

4 結 論

(1) 不同含水率鎖兒頭滑帶土大剪試驗剪應力-應變關系均呈現出一定的應變硬化特征。

(2) 相同含水率試樣的 G0.1隨法向壓力增加而增大。同一法向壓力下試樣的G0.1與含水率近似呈負線性相關關系，且法向壓力越大，減小速率越大。

(3) 利用鄧肯-張雙曲線模型進行描述鎖兒頭滑坡滑帶土不同含水率下大剪試驗的剪應力-應變關系是可行的，但該模型不能反映滑帶土的應變軟化性質。

對鎖兒頭滑坡滑帶土大型直剪試驗結果進行了分析討論，得到了一些有意義的結論，但由于試驗方案較簡單，試驗結論具有一定的局限性，今后還需進一步地研究及討論。

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