考慮剩余剪應(yīng)力的滑帶土強(qiáng)度再生試驗(yàn)

王 輝，高東源，吳 博

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

滑帶土是滑坡孕育的結(jié)果，其強(qiáng)度是滑坡穩(wěn)定性的決定因素。周永昆等[1]運(yùn)用正交設(shè)計(jì)研究夾層土的厚度、含水率等對(duì)滑帶土強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角和黏聚力的影響。發(fā)現(xiàn)滑帶土強(qiáng)度參數(shù)主要受夾層土含水率的影響較大，夾層土的厚度對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響相對(duì)較小。SKEMPTON A W等[2]認(rèn)為滑帶土的強(qiáng)度受歷史環(huán)境影響，隨滑坡演化階段不同而不同。任光明等[3-4]認(rèn)為滑坡發(fā)生時(shí)，滑帶土強(qiáng)度劣化為殘余強(qiáng)度，滑坡發(fā)生后，勢(shì)能得到不同程度的釋放，形成穩(wěn)定斜坡或臨界穩(wěn)定斜坡?；瑤猎谏细不w重力作用下，土粒將沿滑面相互滲透、粘結(jié)和嵌合，發(fā)生強(qiáng)度再生效應(yīng)，殘余強(qiáng)度是一種瞬時(shí)效應(yīng)。GIBO等[5]報(bào)導(dǎo)了高粉粒、砂粒含量滑帶土的再生強(qiáng)度與有效法向應(yīng)力的關(guān)系，認(rèn)為有效法向應(yīng)力小于100 kPa時(shí)強(qiáng)度的恢復(fù)較為明顯，法向應(yīng)力越低強(qiáng)度恢復(fù)速度越快。劉夢(mèng)琴等[6]研究了三峽庫區(qū)某滑坡滑帶土的慢剪、漸進(jìn)剪、反復(fù)剪以及固結(jié)反復(fù)剪強(qiáng)度，得出了與GIBO一致的結(jié)論。陳傳勝等[7]提出基于不同有效垂直應(yīng)力采用相應(yīng)的殘余強(qiáng)度和再生強(qiáng)度參數(shù)的取值方法，田斌等[8]認(rèn)為應(yīng)考慮不同的滑體厚度等因素對(duì)滑帶土殘余強(qiáng)度與再生強(qiáng)度的適用性進(jìn)行合理分配。由此可見，滑坡停止滑動(dòng)后滑帶土即開始強(qiáng)度再生成為一些學(xué)者的共識(shí)。

但滑坡發(fā)生后，除超穩(wěn)性滑坡外[9]，滑帶土剪應(yīng)力并未完全消失，稱之為剩余剪應(yīng)力τ?；瑤翉?qiáng)度再生過程實(shí)際上受上覆滑體壓應(yīng)力σ和剩余剪應(yīng)力τ的共同作用，但目前相關(guān)研究均未考慮滑帶土強(qiáng)度再生的剩余剪應(yīng)力影響因素，這顯然與滑帶土強(qiáng)度再生過程的環(huán)境不一致。本文對(duì)延安市丁家溝滑坡為例，對(duì)滑帶土重塑樣進(jìn)行反復(fù)直剪試驗(yàn)和強(qiáng)度再生試驗(yàn)，探索考慮上覆滑體壓應(yīng)力σ、剩余剪應(yīng)力和再生時(shí)間三因素的滑帶土強(qiáng)度再生規(guī)律，為正確評(píng)價(jià)坡體穩(wěn)定性提供參考。

1 研究對(duì)象

丁家溝滑坡位于延安市丁家溝溝口黃土梁與溝谷過渡的斜坡帶上，滑坡長(zhǎng)約180 m，寬約350 m，高差約70 m，滑體平均厚度約15～35 m，體積約1.05×106m3，中前部滑帶發(fā)育于第四系黃土與侏羅系延安組砂質(zhì)泥巖接觸面，屬大型黃土-泥巖接觸面老滑坡，其典型剖面形態(tài)見圖1。

2 滑帶土直剪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用滑帶土采集于滑坡前緣，室內(nèi)按照與滑帶土天然密度和含水率相等的原則制備平行試樣，按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123—1999)》[10]進(jìn)行反復(fù)直剪試驗(yàn)，測(cè)得其慢剪強(qiáng)度[τ]和殘余強(qiáng)度τr，滑帶土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 滑帶土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of slip zone soil

在改裝的直剪儀(圖2，加裝保濕玻璃罩和提供恒定剪力的配重、滑輪、拉繩)上，對(duì)反復(fù)直剪后的試樣分組同時(shí)施加恒定的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ，讓試樣在正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ的共同作用下強(qiáng)度再生?？紤]滑帶土的埋深，正應(yīng)力σ分500 kPa、600 kPa和700 kPa三組，分別記作σ500組、σ600組和σ700組。3個(gè)正應(yīng)力分組，每組各7個(gè)試樣，分別按該正應(yīng)力水平時(shí)滑帶土殘余強(qiáng)度τr的0%、15%、30%、45%、55%、70%和85%對(duì)試件施加剩余剪應(yīng)力τ，定義τ/τr為剩余剪應(yīng)力比PRSS。測(cè)得不同正應(yīng)力分組、不同PRSS的試樣歷經(jīng)30 d、60 d、90 d、120 d和150 d強(qiáng)度再生后的抗剪強(qiáng)度τR。并定義τR為再生強(qiáng)度，(τR-τr)/([τ]-τr)為強(qiáng)度再生比m。

圖2 改裝的直剪儀Fig.2 A modified direct shear test apparatus

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 不同正應(yīng)力分組時(shí)間-再生強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3 Time-regenerated strength curves under different normal stresses

不同正應(yīng)力σ、不同PRSS的試樣再生強(qiáng)度τR隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖3。從圖3可以看出：

(1)經(jīng)歷反復(fù)直剪后處于殘余強(qiáng)度狀態(tài)的試樣在任意正應(yīng)力σ和任意剪應(yīng)力τ的共同作用下，經(jīng)歷一段時(shí)間后再生強(qiáng)度τR均大于初始階段的殘余強(qiáng)度τr，說明處于殘余強(qiáng)度狀態(tài)的滑帶土在上覆滑體壓力作用下強(qiáng)度再生是普遍規(guī)律。

(2)PRSS≤55%時(shí)，在第0～90 d滑帶土再生強(qiáng)度τR隨時(shí)間呈近線性增加，且同一正應(yīng)力分組不同PRSS的滑帶土強(qiáng)度再生曲線幾乎一致，90 d以后再生強(qiáng)度τR幾乎不再變化；PRSS=70%時(shí)，強(qiáng)度再生的幅度明顯降低，PRSS=85%時(shí)，強(qiáng)度再生的幅度更低，幾乎可以忽略不計(jì)。說明較高的剩余剪應(yīng)力百分比PRSS妨礙滑帶土強(qiáng)度再生，滑帶土強(qiáng)度有效再生的界限PRSS在55%到70%之間。

不同正應(yīng)力σ、不同PRSS的試樣再生強(qiáng)度比m隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖4。

圖4 不同正應(yīng)力分組時(shí)間-再生強(qiáng)度比關(guān)系曲線Fig.4 Time-Regenerated Strength rate curves under different normal stresses

從圖4可以看出：

(1)σ500組PRSS≤55%，第90 d滑帶土再生強(qiáng)度比m為54.84%～58.11%，平均值為56.43%；σ600組PRSS≤55%，第90 d滑帶土再生強(qiáng)度比m為55.14%～72.12%，平均值為58.03%；σ700組PRSS≤55%第90 d滑帶土再生強(qiáng)度比m為58.66%～61.97%，平均值為60.02%。說明任意正應(yīng)力、任意PRSS時(shí)，滑帶土再生強(qiáng)度τr均不能恢復(fù)到其慢剪強(qiáng)度[τ]，且再生強(qiáng)度比m隨正應(yīng)力σ增大略有增加，但增加不很顯著。

(2)σ500組PRSS≥70%時(shí)，滑帶土再生強(qiáng)度比m為2.83%～22.96%，平均值為10.57%；正應(yīng)力σ600組PRSS≥70%時(shí)，滑帶土再生強(qiáng)度比m為0.98%～17.73%，平均值為8.38%；σ700組PRSS≥70%時(shí)，滑帶土再生強(qiáng)度比m為2.87%～22.06%，平均值為10.58%。即任意正應(yīng)力下，只要PRSS≥70%，再生強(qiáng)度比均低于22.96%，再生幅度較小。這可能是因?yàn)檩^高的剪應(yīng)力水平會(huì)在滑帶土原始剪切面產(chǎn)生損傷，這種損傷對(duì)滑帶土強(qiáng)度再生有抑制作用。

3個(gè)正應(yīng)力分組的試樣在不同剪應(yīng)力比PRSS作用下經(jīng)歷一定時(shí)長(zhǎng)的強(qiáng)度再生后，試樣的黏聚力CR和內(nèi)摩擦角φR隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5、圖6。

圖5 黏聚力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線Fig.5 Cohesion-time curves

圖6 內(nèi)摩擦角與時(shí)間變化關(guān)系曲線Fig.6 Internal friction angle-time curves

由圖5和圖6可以看出：

滑帶土強(qiáng)度再生的過程中，黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加速度不一致，PRSS≤55%時(shí)，黏聚力CR在前30 d增速較快，30 d時(shí)增至慢剪強(qiáng)度 [C]的44.6%，此后增速均明顯放緩，90 d時(shí)占慢剪強(qiáng)度[C]的49%。內(nèi)摩擦角φR前90 d增速基本一致，90 d時(shí)內(nèi)摩擦角φR占慢剪強(qiáng)度 [φ]的90.4%。黏聚力和內(nèi)摩擦角90 d以后均趨于穩(wěn)定，但內(nèi)摩擦角φR強(qiáng)度再生比明顯高于黏聚力CR。

3 結(jié)論

(1)滑帶土強(qiáng)度再生與上覆滑體壓應(yīng)力關(guān)系不大，但較高的剩余剪應(yīng)力妨礙滑帶土強(qiáng)度再生。

(2)55%～70%的剩余剪應(yīng)力滑帶土殘余強(qiáng)度比，為滑帶土強(qiáng)度有效再生區(qū)間。

(3)剩余剪應(yīng)力滑帶土殘余強(qiáng)度比小于等于55%時(shí)，90 d再生強(qiáng)度比接近60%；剩余剪應(yīng)力滑帶土殘余強(qiáng)度比大于等于70%時(shí)，90 d再生強(qiáng)度比僅20%左右。

(4)滑帶土強(qiáng)度再生過程中，強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角增速不一致。剩余剪應(yīng)力滑帶土殘余強(qiáng)度比小于等于55%時(shí)，黏聚力在前30天增速較快，隨后增速明顯放緩，90天時(shí)達(dá)到終值的49%；內(nèi)摩擦角在前90天增速基本一致，90天時(shí)達(dá)到終值的90.4%；90天后黏聚力和內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。