干密度對滑帶土抗剪特性影響研究

吳光雄，李澤闖，劉 博，譚 彤，朱 澤

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引 言

滑坡這種災害經(jīng)常會帶來巨大的財產(chǎn)損失，有時甚至造成人員傷亡?；瑤侵冈诨掳l(fā)育、發(fā)生過程中經(jīng)歷物理化學作用，力學性質(zhì)大幅度下降的下滑界面?；瑤е械耐馏w即為滑帶土，當滑帶土在外力、環(huán)境、人為因素的共同作用下達到其抗剪強度限制時即可能誘發(fā)滑坡。影響滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)的關(guān)鍵因素是滑帶土的抗剪性能，所以研究滑帶土的抗剪性能對預防滑坡的產(chǎn)生具有十分重大的意義。目前，關(guān)于滑帶土的抗剪性能研究已經(jīng)取得了一定成果，李麗華等[1]采用反演分析的方法，計算出滑坡土體抗剪強度參數(shù)，為鄂西北地區(qū)滑坡的防治工作提供經(jīng)驗；劉虎虎等[2]通過探究含水率對滑帶土的影響，得出粘聚力隨含水率的提高而增大，內(nèi)摩擦角隨含水率的提高而減小；謝輝輝等[3]借助環(huán)剪儀探究滑帶土重塑樣在不同剪切速率下和不同法向壓力的抗剪強度特征，得出滑帶土的殘余強度和峰值強度隨法向壓力的增加而增大，以及滑帶土的峰值強度也會隨著剪切速率增大而增大；閻瑞敏等[4]通過結(jié)合相應飽水條件下滑帶土的抗剪強度參數(shù)得出滑帶土礦物構(gòu)成與其抗剪強度顯露出明顯的相關(guān)性。

對滑帶土抗剪性能的影響要素有多種，干密度便是其中一個要素。傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗一般通過采集施加的荷載以及剪切的位移，從宏觀角度上闡明土樣剪切破壞面的力學特征。而本項目利用含有機鋼化玻璃的剪切盒，在進行剪切過程的同時，放置一個高清數(shù)字視頻錄制設備在剪切盒正前方進行錄制，同時借助Image-Pro Plus軟件對開始剪切至土樣完全剪壞的過程中粗顆粒的移動進行研究，不僅在宏觀層面上探究干密度對滑帶土抗剪特性的影響，而且在微觀層面上對滑帶土的破壞機理進行探究。

2 試驗材料及方法

直接剪切試驗的方法可分成快剪、慢剪及固結(jié)快剪等，本項目的試驗方法采用快剪法，每組通常選取4個試樣，分別在100、200、300、400 kPa的法向壓力下在水平方向?qū)ι霞羟泻惺┘蛹袅χ敝镣翗影l(fā)生破壞，從而分析滑帶土的抗剪強度特性受干密度的影響。

2.1 試驗設備

本項研究采用的由有機鋼化玻璃制成的剪切盒是南京寧曦土壤儀器有限公司制造的，剪切盒由上剪切盒與下剪切盒兩部分構(gòu)成，上剪切盒外表為83 mm×83 mm×25 mm的長方體，其內(nèi)徑為61.8 mm，剪切過程中土樣沿水平方向產(chǎn)生剪切破壞，且可透過鋼化玻璃觀測滑帶土的變形和破壞特征。使用高清數(shù)字視頻錄制設備對土樣開始剪切至發(fā)生破壞的全過程進行錄制。

2.2 試驗用料

試驗中所采用土樣為滑帶土，以干密度為變量，由于滑帶土抗剪性能的影響因素有許多，例如粗粒含量以及含水率等，所以應盡量避免其他因素對抗剪性能的影響。本項研究中將每一土樣的各粒徑區(qū)間的土顆粒含量進行控制，0.5～2 mm、0.25～0.5 mm以0.075～0.25 mm粒徑的顆粒含量均為13.33%，土顆粒粒徑低于0.075 mm的占比為60%，在控制土樣的顆粒級配的同時，將含水率控制在17.14%，從而將影響滑帶土抗剪性能的影響要素減少。本項目中采用對1.72、1.76、1.78、1.8、1.83、1.84 g/cm3不同干密度的同一種滑帶土進行抗剪性能的探究。

2.3 試驗步驟

(1)將從野外取的滑帶土在烘箱中烘8 h以上直至完全烘干后，依據(jù)剪切盒的凈容積和要求的干密度計算出各粒徑區(qū)間土顆粒的質(zhì)量，再根據(jù)含水率要求計算出水的體積，最后進行充分拌料讓水在土中自由滲透，并且使土均勻分布。

(2)用環(huán)刀切取4個試樣，且按《土工試驗規(guī)程》制作高為20 mm，直徑為61.8 mm，形狀為圓柱狀的土樣。

(3)將含有機鋼化玻璃的上下剪切盒對準，插入銷釘進行固定，按照常規(guī)室內(nèi)規(guī)程在剪切盒中放入透水石、濾紙以及制作好的土樣。

(4)使量力環(huán)與上剪切盒恰好接觸的同時將其百分表讀數(shù)調(diào)至零，然后再對試樣施加法向壓力(100、200、300、400 kPa)。

(5)以0.6 mm/min的固定速率進行剪切直至試樣產(chǎn)生破壞，每轉(zhuǎn)動一圈手輪的同時將剪切位移以及量力環(huán)的讀數(shù)記錄下來。把達到峰值或不再變化時的測力計讀數(shù)作為剪切破壞的評定標準，或當沒有出現(xiàn)峰值時以剪切位移為6 mm時的剪力作為發(fā)生剪切破壞的評定標準。

(6)繪制τ-Δl的關(guān)系曲線：以剪應力τ為縱坐標，剪切位移Δl為橫坐標，點繪某一壓力下的各點并連成一條曲線。

(7)用高清數(shù)字視頻錄制設備，錄制土樣開始剪切至發(fā)生破壞的全過程，以1 min作為間隔，截取所錄制的視頻中的圖像用于分析。

3 試驗結(jié)果

3.1 剪應力與剪位移的關(guān)系

不同法向應力下，干密度為1.78、1.80、1.83 g/cm3的滑帶土的剪應力τ與剪切位移Δl關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖1中曲線分析可知隨著手輪轉(zhuǎn)數(shù)的增加，剪切位移不斷增大，同時剪應力不斷增大，開始時大致呈現(xiàn)線性關(guān)系，在即將發(fā)生破壞時剪應力隨剪位移增大但增大的不明顯或逐漸趨于不變，破壞后剪應力有衰減的傾向。同時在變化規(guī)律上各曲線基本相同，均屬于剪切硬化型。

在剪應力與剪切位移關(guān)系曲線中，曲線斜率隨剪切位移增加而不斷變小，即累計剪切位移相同時所需剪應力差值隨著剪位移的增大逐步減小，剪應力隨累計應變的增大而增大，同時隨著法向壓力的提高，極限剪應力值穩(wěn)步提高，抗剪強度穩(wěn)步提高。

3.2 抗剪強度與法向壓力的關(guān)系

對圖1中曲線分析，可知對于相同干密度，法向壓應力越大，土抗剪強度越大，剪切破壞時剪應變越大。同時土樣的干密度越大，抗剪強度隨法向壓應力提高而增大的梯度越大，也即隨著法向壓力的提高，滑帶土的抗剪性能受土樣干密度的影響增大。

圖1 不同法向應力下，不同干密度滑帶土剪應力與剪切位移的關(guān)系曲線

3.3 內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

根據(jù)每組土樣在不同干密度條件下的τ-σ關(guān)系直線的斜率求得滑帶土在不同的干密度條件下的內(nèi)摩擦角(各組干密度與內(nèi)摩擦角的數(shù)值由表1列出)，以干密度值為橫坐標，以內(nèi)摩擦角為縱坐標，繪制出干密度與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線，如圖2所示。

表1 干密度與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

圖2 干密度與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

由表1中數(shù)據(jù)可知，隨著滑帶土的干密度不斷增大，內(nèi)摩擦角也隨之不斷增大，且內(nèi)摩擦角變化梯度隨著干密度增大而增大。由試驗結(jié)果可知，滑帶土的內(nèi)摩擦角受其土樣干密度的影響，進而干密度通過改變內(nèi)摩擦角影響滑帶土的抗剪強度。

3.4 粗顆粒的位移分析

本項目研究借助電腦軟件Image-Pro Plus(簡稱IPP，下文均用IPP表述)對粗顆粒的位移進行分析，利用IPP法測量顆粒輪廓形狀特點的步驟為。

(1)通過AOI將土樣的輪廓從整個實驗過程視頻中抽取出來，便于軟件識別并提取粗顆粒。

(2)由于顆粒色調(diào)、飽和度和亮度的非均勻性，通過IPP軟件將圖片轉(zhuǎn)換為8級灰度圖，然后進行反相，突出顆粒輪廓，并便于進行Filter濾鏡處理和分色選擇工具的識別顆粒輪廓。

(3)調(diào)節(jié)圖像伽馬值，加深顆粒的灰度。運用filter濾鏡工具處理圖像。通過形態(tài)學類別的Close選項將顆粒因圖像問題輪廓斷開處進行連接修正并去除黑色雜點。

(4)最后通過分色選擇工具，設置面積的閾值，將顆粒輪廓用黑色輪廓線分選出來。通過宏操作處理多個圖像進行對照，可觀察出顆粒的運動軌跡和規(guī)律。

剪切過程中土樣中的粗顆粒隨著剪切破壞發(fā)生平移、擠壓、錯動和轉(zhuǎn)動。同時在可視化剪切盒剪切過程中沒有觀測到顆粒發(fā)生明顯的較大破碎的現(xiàn)象，由此可推斷，直剪試驗中的大多數(shù)土樣破碎以微小破碎為主。剪切過程的初期有部分顆粒在剪切盒的帶動下表現(xiàn)出較大的位移，但隨著時間的增加，顆粒的位移變化經(jīng)歷了增速較快、增速變緩、基本不變3個階段。

3.5 土體微觀分形特性研究

普遍的自相似和統(tǒng)計的自相似是自然中自相似的兩個不同部分。前者是指所觀察到的小部分的集合和較大部分的集合具有相似性。后者是指，在某有限的隨機集合中，小比例尺集合的分布和大比例尺集合成分的分布為一致的集合土顆粒的結(jié)構(gòu)是自然中復雜的結(jié)構(gòu)物，其性質(zhì)是結(jié)構(gòu)單元性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。而結(jié)構(gòu)的單元性質(zhì)是由土顆粒的集合體來決定的，他們之間存在著層次性和自相似性。由此，可以通過分形幾何來分析土顆粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

實際上，運用分形幾何能夠用分形維數(shù)來將其劃分成不同尺度的結(jié)構(gòu)層次，并給予定量的分析和描述。從而通過各層次結(jié)構(gòu)定量描述的指標與宏觀力學指標之間相關(guān)性的分析，來判斷表面看似無規(guī)律可循的土顆粒結(jié)構(gòu)中，各層次結(jié)構(gòu)對宏觀力學性質(zhì)的相對影響程度，從而得出關(guān)于宏觀力學方面的信息。

4 結(jié) 論

(1)在土樣產(chǎn)生破壞前，剪應力隨剪切位移增加而增加，開始時大致呈現(xiàn)線性關(guān)系，在即將發(fā)生破壞時剪應力隨剪位移增大卻增大的不明顯或逐漸趨于不變，破壞后剪應力有衰減的傾向。

(2)一般來說，在相同干密度條件下，法向壓應力越大，土的抗剪強度越大，剪切破壞時最大剪應變越大。土的干密度越大，抗剪強度隨法向壓應力而提高的梯度越大，也即隨著法向壓力的增加，滑帶土的抗剪強度受土樣干密度的影響程度增大。

(3)內(nèi)摩擦角的大小隨著干密度的變大而逐漸變大，且內(nèi)摩擦角變化梯度隨著干密度增大而增大。

(4)剪切過程中粗顆粒隨著剪切破壞產(chǎn)生平移、擠壓、錯動和轉(zhuǎn)動，且大多數(shù)破碎皆以微小破碎為主。

(5)通過對滑帶土在不同干密度下的分形特性研究得出土樣的定向分形維數(shù)均較小，說明滑帶土土體均勻性較好。