宋丙輝，諶文武，吳瑋江，江 耀

(1. 蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室，蘭州 730000；2. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；3. 甘肅省科學(xué)院 地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，蘭州 730000)

1 引 言

滑帶土是滑坡的重要組成部分，與滑坡的發(fā)展變形、穩(wěn)定性評價有著密切的關(guān)系[1－2]。由于滑帶土多是非均質(zhì)、不連續(xù)的結(jié)合體，不同組成部分的抗風(fēng)化能力不一樣，其物質(zhì)成分、顆粒級配及孔隙率等指標(biāo)也各不相同，因此，剪切試驗規(guī)模的大小在某種程度上影響到試驗成果的準(zhǔn)確性和適用 性[3]。鑒于此，常規(guī)的土工試驗儀器有可能無法滿足實際工程要求，需采用大型土工試驗儀器，而大型直剪儀由于其試樣尺寸較大，可以最大程度地保留土樣的原始級配，弱化尺寸效應(yīng)，且試驗操作簡便、適用范圍廣，應(yīng)用最為普遍[4]。

國內(nèi)外進(jìn)行了許多針對不同土類、不同試驗控制條件下的大型直剪試驗研究，如Athanasopoulos[5]對經(jīng)過土工膜加固的高飽和度淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行了大型直剪試驗研究，分析了隨著剪應(yīng)力的不斷增大，加固土剪切損傷變形行為以及土與土工膜間接觸摩擦力的發(fā)展變化過程；Oyanguren等[6]利用專門設(shè)計的現(xiàn)場大型直剪儀器對堆石壩材料進(jìn)行了不同法向壓力下的直剪試驗研究，探討了循環(huán)加載方式對材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，對比分析了不同強度準(zhǔn)則下現(xiàn)場大型直剪試驗結(jié)果的異同，并進(jìn)一步驗證了現(xiàn)場試驗結(jié)果的合理性；Zekkos等[7]利用大型直剪儀對取自洛杉磯市垃圾填埋場的固體垃圾土進(jìn)行了直剪試驗研究，探討了垃圾土成分、重度和剪切速率對其抗剪強度的影響程度，取得了豐富的研究成果；魏厚振等[8]對蔣家溝礫石土進(jìn)行了不同含水率下的大型直剪試驗研究，發(fā)現(xiàn)該礫石土不同含水率、不同法向壓力下，水平剪應(yīng)力-剪切位移曲線沒有明顯峰值，屬應(yīng)力硬化型，強度指標(biāo)c和φ與含水率之間滿足二次函數(shù)關(guān)系；王光進(jìn)等[9]利用改裝后的大型兩用直剪儀對不同粗粒含量土的顆粒破碎率和抗剪強度進(jìn)行了試驗研究，探討了顆粒破碎率與法向壓力和粗粒含量之間的關(guān)系，總結(jié)了不同粗粒含量和不同法向壓力下剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征；董云[10]利用改進(jìn)的室內(nèi)大型直剪試驗系統(tǒng)，對不同類別土石混合料在不同影響因素下的強度特征進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果揭示了土石混合料強度指標(biāo)隨各主要影響因素的變化規(guī)律，具有重要的設(shè)計參考價值；張昆等[11]對某古滑坡滑帶土進(jìn)行了現(xiàn)場大型直剪測試，分析了滑帶土的峰值強度和殘余強度特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滑帶土的峰值強度和殘余強度近似成線性關(guān)系，塑性指數(shù)能較好地用來估算殘余強度。

雖然國內(nèi)外利用大型直剪試驗設(shè)備對土抗剪強度特性進(jìn)行了廣泛的研究，但專門針對滑坡滑帶土的研究成果還比較少見，特別是對于某些區(qū)域性特殊滑帶土的研究更是少之又少。實際上，利用大剪儀研究滑帶土的抗剪強度具有特殊的優(yōu)勢，對于斷層破碎帶滑坡滑帶土更是如此，由于種種原因使得這方面的研究并沒有引起足夠的重視，研究成果比較缺乏，不利于我國滑坡防治設(shè)計理論的提高和發(fā)展，也限制了土體抗剪強度理論的豐富和完善。因此，本次利用室內(nèi)大型直剪儀對舟曲鎖兒頭滑坡滑帶土進(jìn)行了不同含水率下的直剪試驗研究，探討了滑帶土剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的水敏感性，利用鄧肯-張雙曲線本構(gòu)模型對大剪試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，證明該模型的適用性和合理性，研究成果可為進(jìn)一步認(rèn)識含粗顆粒土大位移剪切強度特性提供一定的借鑒和參考。

2 試驗設(shè)備及土樣制備

2.1 大型直剪儀

本次試驗采用美國 Geotest公司生產(chǎn)的 S2450型應(yīng)變控制式大尺寸直剪儀（見圖 1）。這種大剪儀可以測土和土工織物的摩擦系數(shù)及土的直接剪切強度和殘余剪切強度，也可以通過往復(fù)運動測量殘余摩擦力以及進(jìn)行長期、恒定張力的蠕變試驗。剪切盒的尺寸為300 mm×300 mm×175 mm，4個角經(jīng)過打圓處理以盡量減小應(yīng)力集中效應(yīng)。為保持剪切面積的恒定，下剪切盒較上剪切盒部分沿長度方向長100 mm，因此剪切試驗的最大剪切位移也是100 mm。豎向壓力和剪切力由液壓缸提供，豎向荷載及剪切荷載可分別由豎向的4個壓力盒和水平的2個拉-壓測力盒量測。水平位移和豎向位移則由帶數(shù)字讀數(shù)的位移傳感器（LVDT）輸出，所有的數(shù)據(jù)均可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電腦上實時顯示和儲存，剪切速率則由恒定的壓力差控制，可以滿足0.001～10 mm/min范圍的要求。

2.2 土樣制備

試驗用土取自舟曲鎖兒頭滑坡下段右前緣出露的破碎基巖滑面，磨光面及滑動擦痕明顯，巖性主要為強風(fēng)化中、上志留統(tǒng)千枚巖、板巖等軟質(zhì)巖。受地質(zhì)構(gòu)造和滑坡體蠕變滑動的影響，滑帶地層整體較為破碎，產(chǎn)狀凌亂，滑帶土呈灰黑色，局部夾碎石，手摸光滑細(xì)膩，擦痕明顯。室內(nèi)對其物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。

根據(jù)《土工試驗規(guī)程》[12]中關(guān)于土的工程分類的規(guī)定，天然狀態(tài)滑帶土中粗粒組質(zhì)量百分比約為36.9%，可定名為含粗粒的細(xì)粒土，土體不均勻系數(shù)Cu= 15.54，曲率系數(shù)Cc= 1.34，級配良好，其中60 mm＞粒徑＞2 mm的礫粒組約占總質(zhì)量的30%，其對滑帶土抗剪強度的影響不容忽視[13]，而常規(guī)剪切試驗受剪切盒尺寸的限制無法考慮這種影響，需要對滑帶土開展大型直剪試驗研究。

有關(guān)研究表明[14]，大剪試驗中剪切盒的尺寸直接取決于顆粒的最大粒徑，而徑徑比和高徑比的不同，可能造成試驗內(nèi)摩擦角偏差3°～5°，一般當(dāng)徑徑比大于7.5、高徑比大于 4 后才對試驗結(jié)果影響不大。天然狀態(tài)滑坡滑帶土最大粒徑約為 7 cm，不符合粒徑控制要求，故采取篩分法剔除粒徑大于 4 cm的顆粒，取篩下余土經(jīng)風(fēng)干后按控制含水率配置大剪試驗重塑土樣（見表 2），控制含水率以天然含水率為基準(zhǔn)，上下各配置 2 組不同含水率土樣。

根據(jù)表 2，控制干密度和實際含水率分別稱取每組重塑樣所需土樣，經(jīng)拌和均勻裝填至大剪儀剪切盒中，分 3 層進(jìn)行夯實，每層平均夯擊100下，層間刨毛，剪切縫寬度設(shè)定為10 mm，剪切縫處不得分層，嚴(yán)格按照上述步驟制樣可以保證各個試樣干密度一致和礫粒隨機均勻分布。擊實成型后的土樣通過叉車放入大剪儀剪切帶內(nèi)，剪切標(biāo)準(zhǔn)采用不固結(jié)快剪方法，剪切速率設(shè)定為 0.8 mm/min，法向壓力分別為100、200、300、400 kPa。試驗過程中軟件系統(tǒng)自動記錄剪切位移、剪應(yīng)力、剪切歷時等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)為 4 個/分鐘，試驗最終結(jié)果以Excel表格形式輸出。

3 試驗結(jié)果整理分析

3.1 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線特征

不同含水率下鎖兒頭滑坡滑帶土大剪試驗剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。含水率w = 15.4%試樣在法向壓力400 kPa下試驗過程中由于設(shè)備故障，試驗被迫停止，故缺少該級壓力下試驗數(shù)據(jù)。由圖2可見，不同含水率滑帶土大剪試驗的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均呈現(xiàn)出弱應(yīng)變硬化特征，通常在剪應(yīng)變小于0.02（對應(yīng)水平剪切位移6 mm）時，剪應(yīng)力快速增大，隨著剪應(yīng)變的進(jìn)一步增大，剪應(yīng)力增大速率逐漸減小，剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線沒有明顯的峰值出現(xiàn)。通過對比4組不同含水率下剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可見，曲線形態(tài)受含水率的影響較大。當(dāng)含水率較低時，如w = 8.10%試樣，剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出比較明顯的應(yīng)變硬化特征；當(dāng)含水率增大至10.4%時，剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)變硬化特征不甚明顯，隨著含水率的進(jìn)一步增大，剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系又表現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變硬化特征。

出現(xiàn)上述試驗結(jié)果主要是因為含水率較低時，土中水分較少，少量的自由水對土顆粒表面潤滑作用較弱，顆粒間摩擦咬合力很大，試驗過程中由于法向壓力的壓密作用（法向壓力越大，排水效應(yīng)越顯著）以及剪切過程中剪切面上顆粒的重新排列，細(xì)顆粒填充進(jìn)入粗顆粒之間的孔隙中[8]，均使得土體剪切面抗剪強度得到了一定程度的恢復(fù)加強，因此剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。隨著含水率的增大，如w = 10.4%，此時土中水分增多，顆粒表面水膜厚度增加，削弱了土顆粒間的引力作用，同時，相對豐富的自由水對土顆粒表面潤滑作用增強，弱化了顆粒間摩擦咬合作用，雖然試驗過程中仍有法向壓力的壓密作用，但自由水的潤滑、軟化效應(yīng)也很顯著，共同作用的結(jié)果導(dǎo)致剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出弱應(yīng)變硬化特征。隨著含水率的進(jìn)一步增大，如w = 13.2%和15.4%，此時土樣中水的潤滑、軟化作用很強，但試驗過程中排水效應(yīng)也很強，加之剪切歷時時間較長，剪切越到后期，土樣排水越明顯，土體強度得到不斷恢復(fù)增強，因此土體剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線再次表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。

3.2 剪切模量G與含水率w關(guān)系

土體剪切模量定義為土的剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變之比，是描述土體剪應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的重要組成參數(shù)之一。描述土性的數(shù)學(xué)模型是對土性隨條件變化規(guī)律的概括，是用來說明共性的，而土與土之間的差異是以模型中的參數(shù)來表征的[15]，研究滑帶土剪切模量隨含水率的變化規(guī)律，可以更深入的認(rèn)識滑帶土的剪切特性，為相關(guān)防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計提供基本的依據(jù)。

隨著我國水利工程的大力發(fā)展，基礎(chǔ)防滲技術(shù)越來越成熟，其中防滲墻作為基礎(chǔ)防滲中最直觀有效的手段，其施工工藝也得到了迅猛發(fā)展，防滲墻施工設(shè)備也從簡單的機械鉆機發(fā)展到現(xiàn)在的電液一體化的現(xiàn)代機械。常用的設(shè)備主要有射水造墻機、液壓抓斗（大多需要配合沖孔鉆機施工）、旋挖鉆機和雙輪銑槽機。雙輪銑槽機作為專用的防滲墻施工設(shè)備，以其成槽施工效率高、孔型規(guī)則、安全環(huán)保、適應(yīng)地層地質(zhì)范圍廣等優(yōu)點而被普遍采用。

圖2 不同含水率重塑樣剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系圖Fig.2 The strain-stress curves of remolded soil samples of different moisture contents

由于試樣在剪切過程中，剪切模量G處于不斷的變化過程中，為方便討論G隨法向壓力及含水率的變化特征，參照文獻(xiàn)[4]的研究方法以及本次研究試驗結(jié)果，以剪應(yīng)變 γ = 0.1（對應(yīng)剪切位移為 30 mm）時的剪切模量 G0.1為標(biāo)準(zhǔn)來討論滑帶土剪切模量變化特征，各不同含水率試樣在不同法向壓力下的G0.1變化趨勢如圖3所示。

由圖3可見，相同含水率試樣的G0.1隨法向壓力增加而增大，同一法向壓力下試樣的G0.1隨含水率的增加而線性減小，且減小速率隨法向壓力的增大而增大。究其原因是因為相同含水率情況下，隨著法向壓力的增大，土體壓密排水作用越發(fā)明顯，剛度增大，抵抗剪切變形的能力也更強，故剪切模量相應(yīng)也增大；土體結(jié)構(gòu)類型受含水率的影響很大，相同法向壓力下，含水率較低時土體的結(jié)構(gòu)連接強度較大，要使土體破壞需要克服顆粒間較強的引力作用，隨著含水率的增大，土體結(jié)構(gòu)類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，水對土顆粒潤滑、軟化作用明顯，使得土顆粒間的阻力減小，顆粒間的連接減弱，對應(yīng)的土體剛度減小，故剪切模量也減小[16－17]。對不同法向壓力下土樣G0.1與含水率之間關(guān)系進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見表3。由表可見，對于含水率在8.10%～15.4%范 圍內(nèi)的鎖兒頭滑坡滑帶土，不同法向壓力下G0.1～ w之間基本呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)R ＞ 0.97時，具有較高的可信度。

圖3 不同法向壓力下G0.1隨含水率變化關(guān)系圖Fig.3 Relationships between G0.1and moisture content of different normal stresses

表3 不同法向壓力下G0.1-w關(guān)系曲線擬合參數(shù)Table3 Fitting parameters of curves

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變雙曲線模型

目前描述土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型可分為彈性模型及彈塑性模型。鄧肯-張雙曲線模型屬非線性彈性模型，能較好地反映土體的非線性性態(tài)，概念清楚，易于理解，在巖土工程中應(yīng)用非常廣泛[18－19]。以往鄧肯-張模型主要用于描述土體三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，而用于直剪試驗應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究比較少，比較代表性的是 Clough和Duncan運用直剪試驗研究土和混凝土接觸面的力學(xué)特性，認(rèn)為接觸面剪應(yīng)力和相對剪切位移符合雙曲線關(guān)系[20]。本次利用鄧肯-張雙曲線模型，對鎖兒頭滑帶土大剪剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行解析分析，通過對比模型預(yù)測曲線和實測曲線，驗證了該模型的適用性和有效性。

根據(jù)Kondner等[12,22]研究成果可知，三軸試驗得到的黏性土和砂土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系較好地符合雙曲線相關(guān)關(guān)系，雙曲線函數(shù)具體形式：

式中：σ1、σ3分別為大、小主應(yīng)力；ε為軸向應(yīng)變；參數(shù) a為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線初始切線剪切模量的倒數(shù)；參數(shù) b為ε趨于∞時的極限剪應(yīng)力(σ1-σ3)ult。

推廣至直剪試驗中可知，不同法向壓力下直剪剪應(yīng)力與剪應(yīng)變間關(guān)系可以表示為

式中：τ為剪應(yīng)力；ε為剪應(yīng)變；Esi為初始切線剪切模量；τult為ε趨于∞時的極限剪應(yīng)力。

初始切線剪切模量Esi與法向應(yīng)力σn間具有如下相關(guān)關(guān)系：

式中：k為剪切模量系數(shù)；n為剪切模量指數(shù)系數(shù)；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值，取101.4 kPa，量綱與Esi和σn相同。

利用Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則，并結(jié)合式（2）、（3），可以推導(dǎo)出切線模量為

式（4）表明，若k、n、c、φ、Rf等參數(shù)的值已知，就可以預(yù)測任意法向壓力下土體的切線模量。

式（4）中的Rf定義為破壞比，其值小于 1，表達(dá)式為

式中：τf為破壞剪應(yīng)力，試驗中有峰值則取峰值，沒有峰值取應(yīng)變達(dá)到 10%時對應(yīng)的剪應(yīng)力[23]；τult為極限剪應(yīng)力。在直剪試驗中τult可以通過破壞 剪應(yīng)力以及70%和95%破壞剪應(yīng)力所對應(yīng)的剪應(yīng)變求得，表達(dá)式為

式（5）、（6）提供了一種直接通過直剪試驗結(jié)果來推求Rf的方法，該求解過程同根據(jù)三軸試驗結(jié)果定義的Rf相似，只不過利用直剪試驗的剪應(yīng)變和剪應(yīng)力代替了三軸試驗的軸向應(yīng)變和偏應(yīng)力。

按照上述建模思路，對不同含水率、不同法向壓力下鎖兒頭滑坡滑帶土大型直剪試驗結(jié)果進(jìn)行了模型擬合，鄧肯-張雙曲線模型參數(shù)值見表4，擬合曲線與實測曲線對比如圖4所示。由圖可見，大剪試驗實測曲線和模型擬合曲線間具有較高的變形一致性，說明運用鄧肯-張雙曲線模型模擬鎖兒頭滑坡滑帶土大型直剪試驗剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是可行的，由于建立模型的理論基礎(chǔ)的限制，模型本身也有許多固有的缺陷[23]，如圖4(b)所表現(xiàn)出的模型不能反映土的應(yīng)變軟化性質(zhì)等。

圖4 大剪試驗剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線實測與模擬結(jié)果對比圖Fig.4 Measured and predicted response of shear stress-strain for large scale direct shear

4 結(jié) 論

(1) 不同含水率鎖兒頭滑帶土大剪試驗剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化特征。

(2) 相同含水率試樣的 G0.1隨法向壓力增加而增大。同一法向壓力下試樣的G0.1與含水率近似呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，且法向壓力越大，減小速率越大。

(3) 利用鄧肯-張雙曲線模型進(jìn)行描述鎖兒頭滑坡滑帶土不同含水率下大剪試驗的剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是可行的，但該模型不能反映滑帶土的應(yīng)變軟化性質(zhì)。

對鎖兒頭滑坡滑帶土大型直剪試驗結(jié)果進(jìn)行了分析討論，得到了一些有意義的結(jié)論，但由于試驗方案較簡單，試驗結(jié)論具有一定的局限性，今后還需進(jìn)一步地研究及討論。

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