不同飽和度的粉質黏土剪切率效應環剪試驗研究★

魯劍楠 李學良 陳光富

(1.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 湖北省地質災害防治工程技術研究中心，湖北 宜昌 443002； 3.河南省中州公路工程有限公司，河南 南陽 474550)

0 引言

土體在剪切過程中，表現為剪切速率相關性，對其峰值和殘余強度會產生較大影響，在對滑坡變形演化過程分析和穩定性評價中，與變形速率相關的強度參數取值是值得關注的一個問題。Skempton[1]提出了峰值強度和殘余強度的概念，認為在自然條件下邊坡發生滑動時，土體能提供的抗剪強度接近殘余強度。Carrubba等[2]對意大利的一處滑帶進行了現場和室內環剪試驗。胡明鑒等[3]對西藏的易貢滑坡滑帶土進行了不同剪切速率、不同排水條件下的環剪試驗，認為剪切速率越高，土體強度越低。孫濤等[4]采用環剪儀對超固結黏土進行了抗剪強度測試，分析了不同超固結比、法向應力以及剪切速率對土體的抗剪強度的影響。張迪等[5]對巴東黃土坡滑坡臨江1號滑坡體滑帶土在不同剪切速率、含水率和法向應力情況下的殘余強度開展了環剪試驗研究。吳迪等[6]利用環剪儀對殘積土在大位移剪切條件下的強度特性進行了分析。另外，一些研究者環剪測試結果表明不同含水率滑帶土的強度存在較大差異[7,8]。

環剪儀[9]是一種研究土體在大剪切位移條件下力學特性的土工試驗設備，環剪儀最大的優勢在于其具有剪切面積固定、允許試樣沿一個方向連續剪切的特點，且能在剪切過程中動態控制垂直應力、剪切速率和剪切力等條件，能模擬大變形條件[10,11]。此外，環剪試驗能夠保持剪切面上應力均勻，因此，環剪儀是研究大變形土體強度較好的儀器[12]。

已有的研究成果大都是針對飽和土，對于不同飽和度的土體，剪切速率效應問題研究成果較少，為了便于同飽和土研究成果比較分析，本文針對不同飽和度的土樣開展了相關的環剪試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗儀器

試驗采用美國GCTS公司研發的SRS-150環剪儀，如圖1所示。該系統是全伺服/吸力控制，且通過軸平移技術實現土樣的大變形測試。SRS-150環剪儀主要用于研究土體在扭剪力作用下，產生大變形破壞后土體抗剪強度的衰減規律。試驗過程中控制法向力、剪切速率等變量，最終可得到抗剪強度(殘余強度、峰值強度等)、剪切位移等。其主要基本技術指標如表1所示。

表1 SRS-150環剪儀的主要技術指標

1.2 試樣制備

試驗土樣為三峽庫區樹坪滑坡粉質粘土，通過土工試驗測出土的各項基本物理性質指標見表2。按現行土工試驗規范方法制備飽和土樣，非飽和土分別配制一定含水率的重塑土樣，分別均勻地裝入內徑為94.5 mm，外徑為150.3 mm，有效高度20 mm，剪切面積為10.72×103mm的環形剪切盒內。飽和土在抽真空飽和缸中飽和24 h，使其達到飽和狀態，測得其飽和含水率為26.3%，最后在環剪儀上將試樣固結24 h,直到垂直位移不再變化為止。非飽和土樣根據不同含水率配置，試樣固結以垂直位移不再變化為止。

表2 土的基本物理性質指標

2 試驗方案

制備三種不同飽和度的粉質黏土試樣，法向應力分別取100 kPa,200 kPa,300 kPa，剪切速率分別為0.1 mm/min,0.5 mm/min,1 mm/min，質量含水率分別為10%,20%,26.3%(飽和)。具體試驗方案見表3。

3 試驗結果分析

3.1 飽和粉質黏土剪應力和剪切位移變化

表3 環剪試驗方案

圖2表示不同正應力作用下剪切速率對試樣強度變化的影響，總的趨勢是在低剪切速率情況下試樣具有明顯的軟化現象，在高剪切速率下試樣軟化效應不明顯，并表現為剪切負速率效應，即剪切速率越大，剪切強度越低。該試樣表現出的負剪切速率效應主要與其顆粒組成有關，試樣粉粒含量較高，且以圓粒和亞圓粒為主，而黏粒含量較低，從圖3法向位移變化可以看出，低剪切速率下法向位移變化較大，而高剪切速率下法向位移變化相對較小。主要是因為在低剪切速率下剪切面上土顆粒轉動和沿剪切方向的定向排列比較充分。

3.2 飽和粉質黏土的殘余強度

表4為飽和粉質黏土在不同法向應力和剪切速率情況下的殘余強度值。圖4為法向應力分別為100 kPa,200 kPa,300 kPa作用下，不同剪切速率下殘余抗剪強度包絡線。從表4數據和圖4可以看出，殘余剪切應力與法向應力之間存在較好的線性正相關性，隨法向應力的增加殘余剪切應力增大，剪切速率為負速率相關性，即剪切速率越大，殘余強度越低。在法向應力為100 kPa作用下，不同剪切速率對殘余強度的影響并不顯著，即剪切率效應不明顯，殘余強度降低了11.6%，當法向應力為300 kPa時，不同剪切速率對殘余強度影響的負相關性較為顯著，即隨剪切速率增大，殘余強度降低顯著，殘余強度降低了23.3%。

表4 不同環剪試驗下的殘余強度

3.3 非飽和粉質黏土剪應力和剪切位移變化

通過三種正應力和不同飽和度的環剪試驗，獲得不同飽和度土樣的剪應力和水平位移的關系試驗結果如圖5所示。隨著飽和度的增加，吸力減小，強度值降低，飽和度對殘余強度也有顯著的影響。

3.4 非飽和粉質黏土的殘余強度

表5為在剪切速率為0.5 mm/min，法向應力分別為100 kPa,200 kPa和300 kPa作用下，不同飽和度試樣的殘余強度。圖6為對應于不同飽和度的殘余強度包絡線。從表5數據和圖6可以看出，法向應力100 kPa作用下，土樣飽和度對殘余強度影響更為顯著，與飽和土殘余強度相比強度提高了32.3%，在高法向應力300 kPa作用下，殘余強度提高僅為5.6%。從不同飽和度粉質粘土殘余抗剪強度包絡線(如圖6所示)中可以看出殘余剪切應力與法向應力之間存在較好的線性關系，隨法向應力的增加殘余剪切應力增大。圖7為不同法向應力下基質吸力與殘余抗剪強度的關系，殘余抗剪強度隨著基質吸力的增加而增大，在低法向應力條件下，基質吸力對殘余強度影響更為顯著，表現為斜率比高法向應力下大，并且在這一系列的環剪試驗所測得的吸力范圍內抗剪強度與吸力呈線性正相關性。

試驗結果表明：低法向應力作用下，低飽和度試樣，殘余強度提高最為顯著，高法向應力作用下，飽和度對殘余強度的影響并不明顯。

表5 不同環剪試驗下的殘余強度

4 結語

以樹坪滑坡重塑粉質黏土為研究對象，分別開展了不同法向應力、飽和度、剪切速率下的環剪試驗，主要成果如下：

1)不同飽和度的粉質黏土表現為剪切速率負相關，但不同飽和度的粉質黏土，法向應力對率效應的影響不同。

2)對于飽和粉質黏土的殘余抗剪強度，低法向應力作用下，剪切率效應不明顯，高法向應力作用下，剪切速率效應較為顯著。

3)對于非飽和粉質黏土的殘余強度，低法向應力和低飽和度試樣，殘余強度提高最為顯著，高法向應力作用下，殘余強度提高不明顯。

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[2] Carrubba P,Fabbro M D.Laboratory Investigation on Reactivated Residual Strength[J].Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering,2008,134(3):302-315.

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[4] 孫 濤,洪 勇,欒茂田,等.采用環剪儀對超固結黏土抗剪強度特性的研究[J].巖土力學,2009,30(7):2000-2004.

[5] 張 笛,滕偉福,安 琪.黃土坡臨江1號滑坡體滑帶土殘余強度試驗研究[J].安全與環境工程,2017,24(2):39-45.

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