不同應力路徑下滑帶土抗剪強度參數選取探討★

袁湘秦 段 釗 趙法鎖 王維超

(1.陜西工程勘察研究院有限公司，陜西 西安 710069； 2.西安科技大學,陜西 西安 710069； 3.長安大學，陜西 西安 710069)

0 引言

近年來，黃土滑坡災害發生的頻率呈現增加的趨勢，已經嚴重影響了當地經濟發展和人民生命財產安全。通過對黃土滑坡誘發因素的調查表明，黃土滑坡的誘發因素分為自然因素和人為因素，其中降雨和人類工程活動是誘發黃土滑坡的最積極因素，特別是某些不合理的人類工程活動，例如坡頂堆載和坡腳開挖卸載，誘發了大量的黃土滑坡[1-3]。

由于黃土滑坡具有較大的社會危害性，國家投入了大量的人力、物力和財力對其進行防治，許多設計人員在進行滑坡治理設計時，依據規范[4,5]，通常選取滑坡最不利的狀態(暴雨條件或連陰雨條件)作為計算條件，認為滑帶土處于飽和狀態，滑帶土參數往往選取飽和狀態下的容重和抗剪強度。但針對坡頂堆載和坡腳開挖卸載誘發的黃土滑坡，在治理設計時，選取的參數都為同一個飽和狀態下的抗剪強度，筆者認為這是不合時宜的。許多學者認為[6-14]，當應力路徑不同時，球應力p和偏應力q的變化狀態不同，從而導致土體的應力應變關系，強度特性不同，特別是對土體的抗剪強度c，φ值具有明顯的影響。坡頂堆載和坡腳開挖卸載，其應力路徑是不同的，因而土體所反映出來的抗剪強度也應是不同的。

本文以涇河南岸坮塬Q2黃土為研究對象，用常規三軸固結不排水剪切試驗(CTC試驗)模擬坡頂堆載情況，用減圍壓三軸固結不排水剪切試驗(RTC試驗)模擬坡腳開挖卸載情況，通過試驗對比，研究飽和Q2黃土抗剪強度在兩種試驗條件下的差異，并探討了圍壓對抗剪強度的影響，以期為滑坡治理設計在參數選取上提供一些建議。

1 試驗基本情況

1.1 土樣的基本物理性質

本次試驗Q2黃土試樣取自涇河南岸坮塬古滑坡體后壁，取樣深度為地表下20 m。原狀Q2黃土基本物理性質指標見表1。

表1 Q2黃土基本物理性質

1.2 飽和試樣的制備

本次試驗將試樣制備成φ39.1×110 mm圓柱體，采用水頭差飽和法與反壓飽和法相結合的方式對試樣進行飽和。

1.3 試驗方案

本次試驗設備采用南京土壤儀器廠生產的SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透儀，為了對比研究CTC試驗和RTC試驗下飽和Q2黃土的抗剪強度，本次試驗將制備好的飽和Q2黃土分成兩組，每組有5個飽和Q2試樣，一組進行圍壓為100 kPa，200 kPa,300 kPa,400 kPa,500 kPa的常規三軸固結不排水剪切試驗(CTC試驗)，另一組進行圍壓為100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa,500 kPa的減圍壓三軸固結不排水剪切試驗(RTC試驗)。

進行CTC試驗時，保持初始圍壓不變，不斷增加軸壓，直至試樣發生破壞。

進行RTC試驗時，保持初始軸壓不變，不斷減小圍壓，直至試樣發生破壞。

2 試驗結果及分析

2.1 應力應變關系曲線

不同初始圍壓下，CTC試驗和RTC試驗下應力應變關系曲線見圖1。

從圖1可以看出，CTC試驗和RTC試驗下，飽和Q2黃土都表現出“應變軟化”的特征，峰值應力前，應力應變曲線陡升，峰值應力后，應力隨應變的增加逐漸降低，且在CTC試驗下，應力隨應變降低的幅度遠遠大于RTC試驗條件下，即峰殘降差，CTC試驗大于RTC試驗。

對比試樣破壞時的峰值應力可以發現，相同初始圍壓下，CTC試驗下峰值應力大約是RTC試驗下峰值應力的2倍，說明RTC試驗條件下，飽和Q2黃土更容易破壞。

當應變相同時，CTC試驗下的偏差應力遠遠大于RTC試驗條件，說明達到相同變形時，CTC試驗所需要施加的軸向應力遠遠大于RTC試驗所需要減載的圍壓；CTC試驗下，飽和Q2黃土具有更高的強度特性。

2.2 破壞模式

本次試驗過程中，CTC試驗和RTC試驗下，飽和Q2黃土試樣均表現為鼓脹破壞(見圖2)，試樣中部向外鼓脹，沒有明顯的剪切破裂面。

從圖2可以看出，相同初始圍壓，RTC試驗條件下，試樣破壞時，中部向外鼓脹的程度遠遠大于CTC試驗下的土樣。因此，試驗說明圍壓對土體有束縛擠壓的作用，由于CTC試驗下，初始圍壓保持不變，軸壓逐漸增加，導致試樣破壞。而RTC試驗下，軸壓保持不變，圍壓逐漸減小，導致試樣破壞。在這個試驗過程中，RTC試驗下的圍壓不斷減小，對試樣的側向束縛作用減弱，因而導致了RTC試驗下，土樣側向變形大于CTC試驗下土樣的側向變形。

2.3 抗剪強度指標

根據三軸壓縮試驗破壞取值標準，取峰值應力為試樣抗剪破壞標準[15]，得出CTC試驗和RTC試驗下試樣的破壞點應力值如表2所示。

表2 土樣破壞點應力值 kPa

根據表2中破壞點應力值分別繪制CTC試驗和RTC試驗的破壞應力圓(見圖3，圖4)，做出這些破壞應力圓的公切線，該線的傾角為內摩擦角φ，該線的截距為粘聚力c。CTC試驗和RTC試驗下的總應力抗剪強度和有效應力抗剪強度如表3所示。

從表3可以看出，RTC試驗下試樣的有效粘聚力c′比CTC試驗下試樣的有效粘聚力c′低了90%，而有效內摩擦角φ′低了30%。說明RTC試驗下試樣的抗剪能力比CTC試驗下試樣的抗剪能力弱，土體更易發生剪切破壞。

表3 抗剪強度指標

3 討論

通過對飽和Q2黃土分別進行CTC試驗和RTC試驗，發現飽和Q2黃土在CTC試驗下具有較強的抗剪能力。RTC試驗下試樣的有效粘聚力c′比CTC試驗下試樣的有效粘聚力c′低了90%，而有效內摩擦角φ′低了30%。出現上述結果是因為CTC試驗，圍壓保持不變，圍壓對土樣的束縛擠壓作用保持不變，土顆粒之間的接觸較緊密。而RTC試驗，軸壓保持不變，圍壓逐漸減小，隨著圍壓的逐漸減小，圍壓對土樣的束縛擠壓作用減弱，土顆粒之間的接觸較松散。因而，試驗結果表現出RTC試驗下破壞土樣的側向變形大于CTC試驗下破壞土樣的側向變形；CTC試驗下土樣較RTC試驗下土樣具有更高的抗剪強度。

因此，在滑坡治理設計時，針對坡頂堆載和坡腳開挖卸載誘發的黃土滑坡，采用同一個飽和狀態下的抗剪強度指標是不合理的。如果對于坡腳開挖卸載誘發的黃土滑坡采用常規三軸壓縮試驗獲取的土體抗剪強度，將會導致計算參數比實際情況高，最終導致采取的工程治理措施安全度降低。

綜上，在滑坡治理設計參數選取時，應根據誘發滑坡的應力路徑選取相對應的室內試驗得到適宜的滑帶土抗剪強度參數。

4 結語

1)CTC試驗和RTC試驗，飽和Q2黃土應力應變關系曲線都表現為“應變軟化”特征，破壞模式都為鼓脹破壞，RTC試驗下試樣側向鼓脹程度大于CTC試驗下。

2)飽和Q2黃土在CTC試驗下抗剪強度遠遠大于RTC試驗下的抗剪強度，CTC試驗下試樣的有效粘聚力c′比RTC試驗下試樣的有效粘聚力c′高了90%，而有效內摩擦角φ′高了30%。

3)飽和Q2黃土抗剪強度所表現出來的差異性主要與圍壓有關，圍壓對土顆粒起到了一個束縛擠壓的作用，當圍壓減小時，土顆粒所受到的束縛擠壓作用減弱，相同受力情況下，顆粒間更容易移動變形，因而抗剪強度較圍壓不變時小。

4)在滑坡設計參數選取時，坡頂堆載和坡腳開挖卸載誘發的黃土滑坡，其滑帶土所表現出來的抗剪強度是不一樣的，應該根據誘發滑坡的具體情況選擇相對應的試驗手段獲取合適的設計參數。