王魯男，晏鄂川，宋琨，楊廣，王杰

?

滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)及其對(duì)滑坡變形行為的影響

王魯男1，晏鄂川1，宋琨2，楊廣1，王杰1

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院， 湖北 武漢， 430074； 2. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌， 443000)

選取三角灘滑坡滑帶土進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，分析滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)及含水率對(duì)速率效應(yīng)的作用，結(jié)合數(shù)值模擬揭示速率效應(yīng)對(duì)滑坡變形行為的影響。研究結(jié)果表明：三角灘滑坡滑帶土殘余強(qiáng)度具正速率效應(yīng)；滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)可表示為r=ln()+，其中速率效應(yīng)系數(shù)反映速率效應(yīng)的類型與劇烈程度；正速率效應(yīng)下，受土體自身黏滯性與細(xì)顆粒定向性的交互影響，隨著含水率的增加先減小后增大；受正速率效應(yīng)的影響，滑帶土殘余強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化控制著滑坡由活動(dòng)階段過(guò)渡到穩(wěn)定階段，揭示滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)對(duì)滑坡的變形行為具有重要的影響，為滑坡“走走停?！钡淖冃翁匦蕴峁┙忉?。

滑帶土；殘余強(qiáng)度；速率效應(yīng)；變形行為

滑帶土是伴隨滑坡孕育而形成的，其強(qiáng)度變化規(guī)律對(duì)滑坡的變形發(fā)展與穩(wěn)定性是至關(guān)重要的[1]。根據(jù)巖土力學(xué)理論，滑帶土抗剪強(qiáng)度隨著滑坡的變形發(fā)展在不斷變化，是一個(gè)具有時(shí)效性的動(dòng)態(tài)參量。若將抗剪強(qiáng)度考慮為靜態(tài)參量引入到動(dòng)態(tài)的滑坡變形分析中，則不能準(zhǔn)確反映出滑坡穩(wěn)定性的狀況。滑坡滑動(dòng)時(shí)，滑帶土能提供的抗剪強(qiáng)度接近于殘余強(qiáng)度[2?3]，且隨著滑帶的剪切速率不同，滑帶土的殘余強(qiáng)度是動(dòng)態(tài)變化的[4]，而這種變化直接影響著滑坡的變形行為，反過(guò)來(lái)又制約殘余強(qiáng)度的變化。一般情況下，滑帶的剪切速率呈連續(xù)且較小的變化，引起的強(qiáng)度波動(dòng)也不會(huì)太明顯，但是隨著外界誘發(fā)因素(暴雨、庫(kù)水和地震等)的加強(qiáng)，滑帶的剪切速率常出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的變化[5]，引起的殘余強(qiáng)度波動(dòng)足以改變滑坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。因此，深入研究滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)及其工程應(yīng)用具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了許多針對(duì)土體殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)的研究。LEMOS[6]根據(jù)天然土樣的室內(nèi)環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果，提出剪切速率對(duì)殘余強(qiáng)度具有3種影響效應(yīng)，即正速率效應(yīng)、無(wú)速率效應(yīng)和負(fù)速率效應(yīng)。大量的室內(nèi)試驗(yàn)也表明，土體殘余強(qiáng)度的剪切速率效應(yīng)是不可忽略的[2, 7?9]。SAITO等[10]利用不排水環(huán)剪試驗(yàn)揭示土體殘余強(qiáng)度與剪切速率間的關(guān)系，提出土體剪切模式的變化是殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)產(chǎn)生的原因。BHAT等[11]提出擾動(dòng)、過(guò)渡和滑動(dòng)3種剪切模式，并通過(guò)試驗(yàn)證明了土體殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)來(lái)自于剪切模式的改變。吳劍等[12]認(rèn)為在滑坡快速下滑過(guò)程中，滑帶的剪切運(yùn)動(dòng)是一種固液兩相流，液相的動(dòng)壓變化造成固體顆粒之間的接觸應(yīng)力變化，最終導(dǎo)致滑帶整體的抗剪強(qiáng)度的變化。KHOSRAVI等[13]提出土樣殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)主要來(lái)自于試驗(yàn)設(shè)備的影響。WANG等[14]對(duì)某滑坡滑帶土進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，提出殘余強(qiáng)度受剪切速率影響明顯，并對(duì)滑坡產(chǎn)生周期性的促進(jìn)?遏制作用?？梢钥闯?，現(xiàn)有研究集中于土體殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)及其產(chǎn)生機(jī)理，但還缺乏主控因素下滑帶土殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)的變化規(guī)律研究；同時(shí)，速率效應(yīng)與滑坡變形行為的關(guān)系研究也較少。本文作者以重慶市忠縣的三角灘滑坡為例，對(duì)滑帶土的重塑樣進(jìn)行固結(jié)排水環(huán)剪試驗(yàn)，揭示不同條件下滑帶土殘余強(qiáng)度的變化規(guī)律，重點(diǎn)分析滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)及含水率對(duì)速率效應(yīng)的影響。探究不同速率效應(yīng)類型與滑坡變形行為的關(guān)系，通過(guò)數(shù)值模擬，揭示滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)對(duì)滑坡變形行為的影響，為三角灘滑坡“走走停停”的變形特性提供解釋。

1 環(huán)剪試驗(yàn)

1.1 滑帶土的物理特性

滑帶土取自重慶市忠縣戚家河右岸的三角灘滑坡的后緣出露處。三角灘滑坡為典型土質(zhì)巖床類滑坡，滑體主要為粉質(zhì)黏土夾碎塊石，平均厚度約12 m；滑帶為松散堆積物與下伏基巖接觸面，物質(zhì)組成為一層厚8~15 cm的粉質(zhì)黏土，夾少量碎石；滑床為自流井組鈣質(zhì)頁(yè)巖夾厚層狀灰?guī)r(圖1)。近年來(lái)，該滑坡受強(qiáng)降雨影響發(fā)生過(guò)多次滑動(dòng)，較劇烈的是2002年造成5棟房屋被迫拆遷，且形成一條深度不詳、寬1~3 m、長(zhǎng)度大于150 m的地裂縫，之后在自重作用下又逐漸恢復(fù)其原有的穩(wěn)定性，即一定時(shí)間后變形逐漸自行停止，滑坡重新進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此過(guò)程反復(fù)、持續(xù)地出現(xiàn)，導(dǎo)致滑坡表現(xiàn)出“走走停停”的宏觀變形特性。該特性在滑坡設(shè)置的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)上也有所體現(xiàn)。監(jiān)測(cè)資料顯示，2008年6月前，監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移均較小，不超過(guò)20 mm，2008年6月，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移突然大幅度增加，超過(guò)了150 mm。至2008年10月，監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率減小，趨于穩(wěn)定。每逢雨季，滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移均出現(xiàn)不同程度的突變。

單位：m

新鮮滑帶土呈黃褐色，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)其進(jìn)行粒度分析和液、塑限聯(lián)合測(cè)定試驗(yàn)，結(jié)果如圖2和表1所示?？梢钥闯觯涸摶瑤恋姆哿?、黏粒含量高，大于2 mm的粗粒所占比例小于10%，其中黏粒的含量對(duì)于滑帶土的工程性質(zhì)至關(guān)重要；天然狀態(tài)下滑帶土處于可塑狀態(tài)，這與滑帶土滲透性弱、相對(duì)隔水密切相關(guān)。

圖2 滑帶土顆粒分析曲線

表1 滑帶土基本物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

現(xiàn)有的理論與試驗(yàn)結(jié)果都表明，土體的殘余強(qiáng)度與應(yīng)力歷史和初始結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，可用土的重塑樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)求取殘余強(qiáng)度，而無(wú)需采用原狀土樣[15]。重塑樣的制備步驟為：把新鮮的滑帶土用烘箱烘干，烘箱溫度105 ℃保持24 h以上，干燥后土樣過(guò)孔徑2 mm篩，剔除粒徑大于2 mm的粗顆粒；然后添加清水配置不同含水率的土樣，將制成的土樣裝入剪切盒內(nèi)，并用直徑為100 mm環(huán)刀切除中心部分，剪切盒安裝于環(huán)剪儀上即可開(kāi)始試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備選用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的DTA?138型土工環(huán)剪儀，其剪切盒內(nèi)環(huán)直徑為100 mm，外環(huán)直徑為150 mm，有效高度為20 mm，其剪切面積為98.16 cm2。該儀器主要特點(diǎn)是剪切速率的可調(diào)范圍大，且可有效控制試驗(yàn)的排水條件。試驗(yàn)以含水率劃分為3組，分別進(jìn)行固結(jié)排水剪切，剪切前將各土樣在對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力下固結(jié)24 h以上，剪切過(guò)程中開(kāi)啟排水閥門。之所以采用排水剪切過(guò)程主要是考慮到該滑帶土的賦存環(huán)境，鉆孔資料顯示在滑帶上部的滑體結(jié)構(gòu)較為疏松，相對(duì)透水，而下部為相對(duì)隔水的鈣質(zhì)頁(yè)巖夾厚層狀灰?guī)r，滑動(dòng)剪切過(guò)程中地下水集中賦存于滑體的底部。

剪切速率處于一定的范圍內(nèi)才對(duì)滑帶土殘余強(qiáng)度有影響[16]，因此需要選擇合適的試驗(yàn)剪切速率，以反映滑帶的剪切速率對(duì)滑帶土殘余強(qiáng)度的影響。在常規(guī)試驗(yàn)較緩慢的剪切速率范圍內(nèi)(0.002~0.010 mm/min)，土的殘余強(qiáng)度變化較小[2, 9, 11, 17]。胡顯明[18]提出過(guò)大的剪切速率，易造成滑帶土樣“漏水、擠土”現(xiàn)象嚴(yán)重，得到的結(jié)果離散性偏大，并建議試驗(yàn)剪切速率選擇范圍為0.2~20 mm/min。綜合前人的研究經(jīng)驗(yàn)，本文選取3個(gè)級(jí)別的剪切速率0.2，2.0和20 mm/min，剪切過(guò)程采用預(yù)剪+多級(jí)剪切速率的方法，即首先施加2.0 mm/min的剪切速率使土樣完全破壞，以盡快達(dá)到穩(wěn)定殘余狀態(tài)，之后以0.2，2.0和20 mm/min的剪切速率依次剪切，每級(jí)剪切殘余強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入下一級(jí)剪切速率，這樣連續(xù)的大位移剪切過(guò)程更加符合于滑帶的變形特性。同時(shí)，法向應(yīng)力選為100，200，300和400 kPa。具體方案如表2所示。

表2 滑帶土環(huán)剪試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力?應(yīng)變特征分析

圖3所示為不同條件下滑帶土的剪切應(yīng)力?剪切位移關(guān)系曲線。由圖3可見(jiàn)：高含水率、低法向應(yīng)力下曲線出現(xiàn)不明顯的峰值，而低含水率、高法向應(yīng)力下曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因如下：當(dāng)含水率較低時(shí)，土中少量的自由水對(duì)土顆粒表面潤(rùn)滑作用不明顯，導(dǎo)致顆粒間摩擦咬合力很大，同時(shí)在顆粒的重新排列過(guò)程中較大的法向應(yīng)力，造成細(xì)顆粒填充進(jìn)入粗顆粒間的孔隙中，使得土體抗剪強(qiáng)度得到了一定程度的恢復(fù)加強(qiáng)，導(dǎo)致剪切應(yīng)力?剪切位移關(guān)系表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征；反之，當(dāng)含水率較高時(shí)，土顆粒間的引力作用減弱，同時(shí)自由水的潤(rùn)滑作用和較小的法向應(yīng)力也弱化了顆粒間摩擦咬合作用，土體抗剪強(qiáng)度受潤(rùn)滑作用和軟化作用明顯，導(dǎo)致剪切應(yīng)力?剪切位移關(guān)系曲線出現(xiàn)不明顯的峰值[19]。

(a) L組；(b) N組；(c) H組

表3所示為不同剪切速率下滑帶土的殘余強(qiáng)度。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，滑帶土的殘余強(qiáng)度受含水率、法向應(yīng)力和剪切速率共同影響。具體來(lái)說(shuō)，法向應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度越大；含水率越高，殘余強(qiáng)度越小。分析其原因，較大的法向應(yīng)力有助于增強(qiáng)顆粒間的摩擦咬合作用，導(dǎo)致殘余強(qiáng)度的升高；含水率的影響較為復(fù)雜，可從土體結(jié)構(gòu)和基質(zhì)吸力2方面進(jìn)行分析[20]，含水率較高時(shí)，剪切過(guò)程中細(xì)顆粒的定向排列更加明顯，同時(shí)顆粒間的聯(lián)結(jié)性更弱，團(tuán)粒間較大孔隙的減少而團(tuán)粒內(nèi)較小孔隙的增加，兩者直接造成基質(zhì)吸力的減小，再加上自由水具有的潤(rùn)滑作用，最終導(dǎo)致殘余強(qiáng)度值的降低。同時(shí)，殘余強(qiáng)度隨著剪切速率的增加而增大，而孫濤等[21?22]對(duì)超固結(jié)土的研究表明，剪切速率對(duì)最終的殘余強(qiáng)度沒(méi)有影響，不同的試驗(yàn)結(jié)果反映出超固結(jié)比對(duì)不同剪切速率下土體殘余強(qiáng)度的變化規(guī)律具有重要影響。下面重點(diǎn)分析滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)現(xiàn)象。

2.2 速率效應(yīng)分析

剪切速率對(duì)土體殘余強(qiáng)度存在3種影響效應(yīng)[6]，即正速率效應(yīng)(剪切速率與殘余強(qiáng)度為正相關(guān)關(guān)系)、無(wú)速率效應(yīng)(剪切速率與殘余強(qiáng)度無(wú)關(guān)系)和負(fù)速率效應(yīng)(剪切速率與殘余強(qiáng)度為負(fù)相關(guān)關(guān)系)，圖4所示為3種速率效應(yīng)簡(jiǎn)化圖。

表3 不同剪切速率下滑帶土的殘余強(qiáng)度

圖4 3種速率效應(yīng)簡(jiǎn)化圖

滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)取決于滑帶土自身的性質(zhì)，如繆海波[23]認(rèn)為，當(dāng)滑帶土黏粒含量較高時(shí)，剪切速率對(duì)滑帶土殘余強(qiáng)度具有正速率效應(yīng)，而當(dāng)滑帶土黏粒含量較低時(shí)則表現(xiàn)出負(fù)速率效應(yīng)；同時(shí)，TIKA等[7]也提出黏粒含量高的滑帶土可能具有正速率效應(yīng)，這是由于該類型滑帶土的剪切模式發(fā)生轉(zhuǎn)變(由滑動(dòng)型過(guò)渡到擾動(dòng)型)。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，三角灘滑坡滑帶土殘余強(qiáng)度具有正速率效應(yīng)，這與該土體的黏粒含量較高是相符的。

環(huán)剪試驗(yàn)的大位移扭剪作用下，土顆粒具有較好的定向性，殘余黏聚力r降低很多，對(duì)殘余強(qiáng)度的貢獻(xiàn)小，國(guó)內(nèi)外一些研究成果[16, 24?25]認(rèn)為r接近于0 kPa。因此，對(duì)滑帶土殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)的研究實(shí)質(zhì)上是分析滑帶土在不同剪切速率下殘余內(nèi)摩擦角r的變化規(guī)律。根據(jù)環(huán)剪試驗(yàn)成果，求取不同條件下的殘余內(nèi)摩擦角r(圖5)，并擬合出不同剪切速率下殘余內(nèi)摩擦角r的變化(圖6)。需要說(shuō)明的是，試驗(yàn)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間、大位移的排水剪切過(guò)程，孔隙水壓力對(duì)殘余強(qiáng)度的影響被降至最低(孔隙水壓力在剪切速率變化節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)波動(dòng)，但很快降至極小的穩(wěn)定值，最大的穩(wěn)定值僅5.4 kPa)，扣除對(duì)應(yīng)的孔隙水壓力，得出有效的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)：剪切速率與殘余內(nèi)摩擦角呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系，與SUZUKI等[26]的研究成果基本一致。為定量表達(dá)不同剪切速率下滑帶土殘余強(qiáng)度(實(shí)際為殘余內(nèi)摩擦角)的變化規(guī)律，建立滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)表達(dá)式：

r=ln()+(1)

式中：r為滑帶土的殘余內(nèi)摩擦角，(°)；為剪切速率，mm/min；定義為速率效應(yīng)系數(shù)，取值與土體性質(zhì)有關(guān)，反映殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)的類型與劇烈程度；為=1 mm/min時(shí)的殘余內(nèi)摩擦角，(°)。當(dāng)＜0時(shí)，滑帶土殘余強(qiáng)度與剪切速率為負(fù)相關(guān)關(guān)系，呈現(xiàn)負(fù)速率效應(yīng)；=0時(shí)，殘余強(qiáng)度與剪切速率無(wú)關(guān)系，呈現(xiàn)無(wú)速率效應(yīng)；＞0時(shí)，殘余強(qiáng)度與剪切速率為正相關(guān)關(guān)系，呈現(xiàn)正速率效應(yīng)。同時(shí)，的絕對(duì)值越大，說(shuō)明土體的速率效應(yīng)越明顯。結(jié)合式(1)，利用文獻(xiàn)[9]和[27]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，Krishnabhir滑坡等3個(gè)滑坡的土體殘余強(qiáng)度具有正速率效應(yīng)，分別為0.27，0.51，0.80，Nakayama滑坡等4個(gè)滑坡的土體殘余強(qiáng)度具有負(fù)速率效應(yīng)，分別為?1.00，?1.03，?0.85，?0.23?？梢园l(fā)現(xiàn)，速率效應(yīng)系數(shù)可較好地反映土體殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)的類型與劇烈程度。

(a) L組；(b) N組；(c) H組

由圖6可知：組的速率效應(yīng)系數(shù)最大，為0.72；H組次之，為0.69；N組最小，為0.52，速率效應(yīng)系數(shù)隨著含水率的增加先減小后增大。可以從正速率效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制來(lái)分析：LEMOS[6]總結(jié)環(huán)剪試驗(yàn)成果，提出排水剪切強(qiáng)度的正速率效應(yīng)受土體自身黏滯性與細(xì)顆粒定向性的影響。含水率對(duì)內(nèi)摩擦角無(wú)直接的影響(即對(duì)細(xì)顆粒的定向排列無(wú)影響)，但含水率的升高加大了顆粒表面水膜的厚度，顆粒間的距離增大，導(dǎo)致顆粒間的引力減小且顆粒可移動(dòng)的空間增大，在剪切過(guò)程中細(xì)顆粒的定向性更易被粗顆粒所擾亂，抗剪強(qiáng)度升高；同時(shí)，含水率越高，土體自身的黏滯性就越弱，抗剪強(qiáng)度降低，兩者的交互作用造成速率效應(yīng)系數(shù)隨著含水率的增加先減小后增大。可以預(yù)測(cè)，含水率較低時(shí)，滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)主要受土體自身黏滯性的影響，但土體的黏滯響應(yīng)是存在極限的；當(dāng)含水率較高時(shí)，滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)主要受細(xì)顆粒定向性的影響。

1—L組；2—N組；3—H組。

3 速率效應(yīng)對(duì)滑坡變形行為的影響

3.1 速率效應(yīng)類型與滑坡變形行為的關(guān)系

鑒于滑帶土在滑坡演化過(guò)程中的重要作用，滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)對(duì)滑坡變形行為具有重要的影響。表4所示為部分滑帶土殘余強(qiáng)度的正、負(fù)速率效應(yīng)與滑坡變形行為的關(guān)系，無(wú)速率效應(yīng)的滑帶土可認(rèn)為是由表現(xiàn)出正、負(fù)速率效應(yīng)的滑帶土組成，未做統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯觯瑤翚堄鄰?qiáng)度的速率效應(yīng)類型與滑坡變形行為具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

結(jié)合式(1)可知：若滑帶土殘余強(qiáng)度具有負(fù)速率效應(yīng)，殘余強(qiáng)度隨著剪切速率的增加而非線性減小，這類滑坡一旦開(kāi)始啟動(dòng)極難控制，易發(fā)展為高速滑坡，具有代表性的是易貢巨型滑坡[28?29]。若為無(wú)速率效應(yīng)，滑坡表現(xiàn)為勻速變形，只有受到持續(xù)的外界因素刺激或者累計(jì)變形大才能形成災(zāi)害。若為正速率效應(yīng)，滑帶土的殘余強(qiáng)度隨著剪切速率的增加而非線性增大，這類滑坡只有在外界因素的作用下才能產(chǎn)生滑動(dòng)，一般表現(xiàn)為“走走停?！钡淖冃翁匦浴２浑y發(fā)現(xiàn)，提前確定滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)，對(duì)滑坡的防災(zāi)減災(zāi)工程具有重大的意義，但受限于滑帶土取樣的困難與室內(nèi)試驗(yàn)的不經(jīng)濟(jì)性，無(wú)法大規(guī)模地推行。因此，SUZUKI等[26]建立了滑帶土物理指標(biāo)(黏粒含量、塑性指數(shù))與殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)的關(guān)系，可用于推測(cè)滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)，但這種單因素關(guān)系過(guò)于依賴樣本自身性質(zhì)與賦存環(huán)境，因此，需要廣泛而深入的研究。

由于滑帶土具有正速率效應(yīng)，滑坡表現(xiàn)出“走走停停”變形特性，一般認(rèn)為其穩(wěn)定性是可控的，但是多次的變形加上強(qiáng)烈的外界因素刺激，也可形成災(zāi)害，如2008年香山路滑坡在持續(xù)降雨誘發(fā)下，造成農(nóng)田和電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施損壞，7棟房屋受損嚴(yán)重[23]。對(duì)于本文所研究的三角灘滑坡，2002年，持續(xù)降雨使其中部出現(xiàn)拉裂縫、前緣地段局部坍塌，導(dǎo)致5棟房屋被迫拆遷。與高速滑坡的研究相比，正速率效應(yīng)影響下滑坡的變形行為研究極少。下面以三角灘滑坡為例，通過(guò)數(shù)值模擬，揭示正速率效應(yīng)對(duì)滑坡變形行為的影響，為滑坡“走走停?！钡淖冃翁匦蕴峁┙忉尅?/p>

3.2 數(shù)值模擬分析

應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)三角灘滑坡由活動(dòng)階段過(guò)渡到穩(wěn)定階段進(jìn)行模擬再現(xiàn)，以揭示滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)對(duì)滑坡變形行為的影響。模型屈服準(zhǔn)則選用Mohr?Coulomb準(zhǔn)則，滑帶土采用低強(qiáng)度實(shí)體單元。

根據(jù)試驗(yàn)成果，滑帶土殘余強(qiáng)度是隨著剪切速率變化的時(shí)效性動(dòng)態(tài)參量，其中滑帶土的殘余黏聚力r為0 kPa，而殘余內(nèi)摩擦角r是剪切速率的函數(shù)。應(yīng)用Fish語(yǔ)言編程，提取滑帶土各單元的平均速率，帶入天然含水率(N組)的擬合公式得到r，并每隔10時(shí)步進(jìn)行更新，以實(shí)現(xiàn)滑帶土殘余強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化。但是一般滑坡在剛啟動(dòng)時(shí)剪切速率極小，導(dǎo)致結(jié)果甚至小于0 kPa。因此，本文假定當(dāng)提取的剪切速率使r達(dá)到29.146°(對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)剪切速率最小時(shí)的r)時(shí)，滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)才開(kāi)始發(fā)揮作用，并對(duì)r進(jìn)行更新，直至滑坡恢復(fù)穩(wěn)定為止。下面通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)正速率效應(yīng)作用下三角灘滑坡的變形發(fā)展過(guò)程進(jìn)行分析。表5所示為滑體、滑帶和滑床巖土體物理力學(xué)參數(shù)，取自室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

表4 滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)與滑坡變形行為的關(guān)系

表5 滑體、滑帶和滑床巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖7所示為監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向位移隨時(shí)步變化曲線圖。模型共設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，與剖面圖(圖1)鉆孔地表坐標(biāo)相同，分別命名為SJT07，SJT08和SJT09。曲線反映出，在滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)作用下，經(jīng)短距離的滑動(dòng)，滑坡由活動(dòng)狀態(tài)漸趨穩(wěn)定。但是現(xiàn)實(shí)中的滑坡是開(kāi)放的系統(tǒng)，外界因素的介入常使活動(dòng)?穩(wěn)定的過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)，宏觀表現(xiàn)為“走走停?！?。3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在7 500時(shí)步后基本不再有大變形，滑坡進(jìn)入穩(wěn)定階段，同時(shí)也暗示了速率效應(yīng)的消失。

圖8所示為滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)作用下滑帶土殘余內(nèi)摩擦角變化曲線。從圖8可以看出：在滑坡變形過(guò)程中，滑帶土的殘余強(qiáng)度并非室內(nèi)試驗(yàn)獲取的簡(jiǎn)單變化，而是呈現(xiàn)復(fù)雜的波動(dòng)變化，這種變化是剪切速率與抗剪強(qiáng)度相互作用的結(jié)果。可以從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度解釋滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)作用過(guò)程：當(dāng)滑坡在外界因素誘發(fā)下開(kāi)始變形時(shí)，由于能量的釋放，滑坡獲得初始加速度，剪切速率迅速增大，此時(shí)滑帶土的殘余強(qiáng)度也非線性增大，而殘余強(qiáng)度的增大導(dǎo)致加速度的降低；當(dāng)加速度降低為0 m/s2時(shí)，滑坡的剪切速率達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)的殘余強(qiáng)度也處于最大值；當(dāng)抗滑力超過(guò)下滑力時(shí)，滑坡開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)加速度，剪切速率逐漸減小，殘余強(qiáng)度也逐漸減小，直至負(fù)加速度減小至0 m/s2。上述過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)，直至滑坡因動(dòng)能消耗而恢復(fù)穩(wěn)定。

1—STJ07；2—STJ08；3—STJ09。

圖8 滑帶土殘余內(nèi)摩擦角變化曲線

綜上所述，在滑坡滑動(dòng)過(guò)程中，由于具有正速率效應(yīng)的滑帶土經(jīng)剪切之后殘余強(qiáng)度劇烈波動(dòng)，消耗了滑坡的動(dòng)能，導(dǎo)致滑坡經(jīng)短距離滑動(dòng)之后恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。隨著外界因素的介入，滑坡活動(dòng)?穩(wěn)定的過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)，宏觀表現(xiàn)為“走走停?！薄?shù)值模擬再現(xiàn)了三角灘滑坡在正速率效應(yīng)的影響下由活動(dòng)階段過(guò)渡到穩(wěn)定階段的過(guò)程，揭示滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)對(duì)滑坡的變形行為具有重要影響，可用于解釋滑坡“走走停?！钡淖冃翁匦?。

4 結(jié)論

1) 高含水率、低法向應(yīng)力下應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線出現(xiàn)不明顯的峰值，而低含水率、高法向應(yīng)力下應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征；法向應(yīng)力越大，獲取的殘余強(qiáng)度值越大，而含水率越高，獲取的殘余強(qiáng)度越小。

2) 三角灘滑坡滑帶土殘余強(qiáng)度具有正速率效應(yīng)，可歸因于土體的黏粒含量較高；滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)可表示為r=ln()+，其中速率效應(yīng)系數(shù)反映殘余強(qiáng)度速率效應(yīng)的類型與劇烈程度，當(dāng)＞0時(shí)，滑帶土殘余強(qiáng)度呈正速率效應(yīng)；=0時(shí)，呈無(wú)速率效應(yīng)；＜0時(shí)，呈負(fù)速率效應(yīng)；正速率效應(yīng)條件下，隨著含水率的增加先減小后增大，是土體自身黏滯性與細(xì)顆粒定向性交互作用的結(jié)果。

3) 滑帶土殘余強(qiáng)度的速率效應(yīng)類型與滑坡變形行為具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系；受正速率效應(yīng)的影響，滑帶土殘余強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化控制著滑坡由活動(dòng)階段過(guò)渡到穩(wěn)定階段，隨著外界因素的介入，滑坡活動(dòng)?穩(wěn)定的過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)，揭示了滑帶土殘余強(qiáng)度的正速率效應(yīng)對(duì)滑坡變形行為的影響，可用于解釋滑坡“走走停?！钡淖冃翁匦浴?/p>

[1] 李曉, 梁收運(yùn), 鄭國(guó)東. 滑帶土的研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2010, 25(5): 484?491. LI Xiao, LIANG Shouyun, ZHENG Guodong. Progresses in sliding zone soil of landslides[J]. Advances in Earth Science, 2010, 25(5): 484?491.

[2] SKEMPTON A W. Residual strength of clays in landslides, folded strata and the laboratory[J]. Geotechnique, 1985, 35(1): 3?18.

[3] 湯羅圣, 殷坤龍, 劉藝梁, 等. 滑坡殘余強(qiáng)度預(yù)測(cè)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 2013, 44(3): 1116?1121. TANG Luosheng, YIN Kunlong, LIU Yiliang, et al. Prediction of landslide residual strength[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(3): 1116?1121.

[4] TIKA T E, VAUGHAN P R, LEMOS L J L. Fast shearing of pre-existing shear zones in soil[J]. Geotechnique, 1996, 46(2): 197?233.

[5] SCHULZ W H, MCKENNA J P, KIBLER J D, et al. Relations between hydrology and velocity of a continuously moving landslide-evidence of pore-pressure feedback regulating landslide motion?[J]. Landslides, 2009, 6(3): 181?190.

[6] LEMOS L J L. Shear behaviour of pre-existing shear zones under fast loading–insights on the landslide motion[C]//Proceedings of International Workshop on Occurrence and Mechanisms of Flow-like Landslides in Natural Slopes and Earthfills. Sorrento, Naples: Thomas Telford, 2003: 14?16.

[7] TIKA T E, HUTCHINSON J N. Ring shear tests on soil from the Vaiont landslide slip surface[J]. Geotechnique, 1999, 49(1): 59?74.

[8] WANG Fawu, ZHANG Yeming, HUO Zhitao, et al. Mechanism for the rapid motion of the Qianjiangping landslide during reactivation by the first impoundment of the Three Gorges Dam Reservoir, China[J]. Landslides, 2008, 5(4): 379?386.

[9] BHAT D R, YATABE R. Effect of shearing rate on residual strength of landslide soils[J]. Engineering Geology for Society and Territory, 2015, 2: 1211?1215.

[10] SAITO R, FUKUOKA H, SASSA K. Experimental Study on the Rate Effect on the Shear Strength[C]//Proceedings of the International Symposium on Interpraevent “Disaster Mitigation of Debris Flows, Slope Failures and Landslides”. Tokyo, Japan: Universal Academy Press, 2006: 421?427.

[11] BHAT D R, BHANDARY N, YATABE R. Effect of shearing rate on residual strength of kaolin clay[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 18(G): 1387?1396.

[12] 吳劍, 羅先啟, 程圣國(guó). 滑帶在高速剪切條件下的固液兩相流問(wèn)題[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(S2): 3993?3997. WU Jian, LUO Xianqi, CHENG Shengguo. Research on solid?liquid two?phase flow in sliding band at high speed[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(S2): 3993?3997.

[13] KHOSRAVI M, MEEHAN C L, CACCIOLA D V, et al. Effect of fast shearing on the residual shear strengths measured along pre-existing shear surfaces in kaolinite[C]//Proceedings of Geo-congress 2013. San Diego, America: ASCE, 2013: 245?254.

[14] WANG G, SUEMINE A, SCHULZ W H. Shear-rate-dependent strength control on the dynamics of rainfall-triggered landslides, Tokushima Prefecture, Japan[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2010, 35(4): 407?416.

[15] 劉小麗, 鄧建輝, 李廣濤. 滑帶土強(qiáng)度特性研究現(xiàn)狀[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(11): 1849?1854. LIU Xiaoli, DENG Jianhui, LI Guangtao. Shear strength properties of slip soils of landslides: an overview[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(11): 1849?1854.

[16] 吳迪, 簡(jiǎn)文彬, 徐超. 殘積土抗剪強(qiáng)度的環(huán)剪試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(7): 2045?2050. WU Di, JIAN Wenbin, XU Chao. Research on shear strength of residual soils by ring shear tests[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(7): 2045?2050.

[17] 陳騰騰. 滑帶土殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[D]. 廣州: 暨南大學(xué)理工學(xué)院, 2012: 16?17. CHEN Tengteng. Experimental research on the residual strength of slip soils[D]. Guangzhou: Jinan University. College of Science and Technology, 2012: 16?17.

[18] 胡顯明. 不同剪切速率下碎石土滑坡滑帶土殘余強(qiáng)度特性研究[D]. 武漢: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院, 2012: 39?60. HU Xianming. Residual strength variation of debris landslide slip soils under different shear rates[D]. Wuhan: China University of Geoscience. Faculty of Engineering, 2012: 39?60.

[19] 宋丙輝, 諶文武, 吳瑋江, 等. 鎖兒頭滑坡滑帶土不同含水率大剪試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2012, 33(S2): 77?84. SONG Binghui, CHEN Wenwu, WU Weijiang, et al. Experimental study of large scale direct shear test of sliding zone soil of Suoertou landslide with different moisture contents[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(S2): 77?84.

[20] 張榮, 吳益平, 李小偉, 等. 不同含水率下滑帶土抗剪強(qiáng)度特性研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2015, 15(15): 195?199. ZHANG Rong, WU Yiping, LI Xiaowei, et al. Research on shear strength of slide zone soil in different water content[J]. Science Technology and Engineering, 2015, 15(15): 195?199.

[21] 孫濤, 洪勇, 欒茂田, 等. 采用環(huán)剪儀對(duì)超固結(jié)粘土抗剪強(qiáng)度特性的研究[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(7): 2000?2004. SUN Tao, HONG Yong, LUAN Maotian, et al. Shear strength behavior of overconsolidated clay in ring shear tests[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(7): 2000?2004.

[22] 尹占巧, 許成順, 劉海強(qiáng), 等. 環(huán)剪儀在超固結(jié)土殘余強(qiáng)度分析中的應(yīng)用[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(5): 556?572. YIN Zhanqiao, XU Chengshun, LIU Haiqiang, et al. Application of ring shear apparatus in analysis of residual strength of over-consolidated soil[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2013, 33(5): 556?572.

[23] 繆海波. 三峽庫(kù)區(qū)侏羅系紅層滑坡變形破壞機(jī)理與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究[D]. 武漢: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院, 2012: 50?51. MIAO Haibo. Deformation-failure mechanism and prediction of the landslides in Jurassic red beds in the Three Gorges Reservoir[D]. Wuhan: China University of Geoscience. Faculty of Engineering, 2012: 50?51.

[24] 盧肇鈞. 粘性土抗剪強(qiáng)度研究的現(xiàn)狀與展望[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 1999, 32(4): 3?9. LU Zhaojun. Problems on the research of shear strength of clayey soils[J]. China Civil Engineering Journal, 1999, 32(4): 3?9.

[25] TIWARI B, MARUI H. Objective oriented multistage ring shear test for shear strength of landslide soil[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2004, 130(2): 217?222.

[26] SUZUKI M, YAMAMOTO T, TANIKAWA K, et al. Variation in residual strength of clay with shearing speed[J]. Memoirs of the Faculty of Engineering, Yamaguchi University, 2007, 52(7): 45?49.

[27] TIWARI B, TULADHAR G R, MARUI H. Effect of Shearing Speed on Residual Shear Strength of Natural Soil Obtained from Mudstone[C]//Proceedings of Geo-Frontiers 2011. Dallas, America: ASCE, 2011: 2786?2793.

[28] 胡明鑒, 程謙恭, 汪發(fā)武. 易貢遠(yuǎn)程高速滑坡形成原因試驗(yàn)探索[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(1): 138?143. HU Mingjian, CHENG Qiangong, WANG Fawu. Experimental study on formation of Yigong long-distance high-speed landslide[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(1): 138?143.

[29] 胡明鑒, 汪發(fā)武, 程謙恭. 基于高速環(huán)剪試驗(yàn)易貢巨型滑坡形成原因試驗(yàn)探索[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2009, 31(10): 1602?1606. HU Mingjian, WANG Fawu, CHENG Qiangong. Formation of tremendous Yigong landslide based on high-speed shear tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(10): 1602?1606.

(編輯 趙俊)

Rate effect of residual strength of slip soils and its impact on deformation process of landslides

WANG Lunan1, YAN Echuan1, SONG Kun2, YANG Guang1, WANG Jie1

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

Using ring-shear testing on reconstituted soil samples from the Sanjiaotan landslide over a wide shearing rate, the impact of shearing rates on the residual strength of slip soils and the influence of moisture content on the rate effect were studied. The relationship between the rate effect and the deformation process of landslide is explored by the numerical simulation technology. The results show that the residual strength of samples is positively dependent on the shearing rates. The equation which quantitatively assesses three types of rate effects is presented:r=ln()+, in whichis the rate effect coefficient. The residual strength of slip soils can display different types and violent degree of rate effects, accompanying. Due to the viscosity of soils and the alignment of clay particles, the value ofincreases firstly, and then decreases with the increment of moisture content in the positive rate effect. Affected by the positive rate effect, the residual strength of slip soils presents a dynamic change. It determines the process from active stage to stable stage of landslides. In summary, the rate effect on residual strength of slip soils plays a decisive role in the deformation process.

slip soils; residual strength; rate effect; deformation process

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.028

P642.22

A

1672?7207(2017)12?3350?09

2016?12?05；

2017?03?06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41172282)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB358)(Project(41172282) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015CFB358) supported by Natural Science Basic Research Plan of Hubei Province of China)

晏鄂川，博士，教授，從事巖土體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與利用研究；E-mail：yecyec6970@163.com