王 煒, 駱亞生

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院, 山西 太谷 030801; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

重塑黃土抗剪強(qiáng)度的環(huán)剪試驗(yàn)研究

王 煒, 駱亞生

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院, 山西 太谷 030801; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 研究大應(yīng)變條件下黃土強(qiáng)度的影響因素及規(guī)律，為黃土地區(qū)發(fā)生滑坡等大變形破壞提供理論依據(jù)。[方法] 利用環(huán)剪儀對(duì)重塑黃土進(jìn)行大剪切位移下的剪切試驗(yàn)，探究不同正應(yīng)力及剪切方式對(duì)不同含水率的重塑黃土其殘余強(qiáng)度的影響。[結(jié)果] 正應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度越大，達(dá)到殘余強(qiáng)度所需的剪切位移越??；隨著含水率的增大，殘余黏聚力浮動(dòng)值不大，殘余內(nèi)摩擦角逐漸減小，并據(jù)此擬合出殘余內(nèi)摩擦角與含水率的參考公式；從脆性指數(shù)的角度得出所研究的重塑黃土的應(yīng)變軟化都不明顯，且脆性指數(shù)隨著正應(yīng)力和含水率的增加而降低。[結(jié)論] 重塑黃土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度受含水率、正應(yīng)力的影響規(guī)律相似，可通過(guò)含水率對(duì)殘余強(qiáng)度進(jìn)行估算。

重塑黃土; 環(huán)剪試驗(yàn); 殘余強(qiáng)度; 脆性指數(shù)

黃土由于其水敏性、大孔隙性、弱膠結(jié)等特性容易大規(guī)模滑坡，Skemptom[1]指出滑坡滑動(dòng)面上的平均剪應(yīng)力比其抗剪強(qiáng)度小很多的原因是殘余強(qiáng)度的存在。殘余強(qiáng)度是指在排水剪切試驗(yàn)中，隨著剪切位移的增加，土體強(qiáng)度先增加后減小到一個(gè)穩(wěn)定值，即排水剪切試驗(yàn)中的最小強(qiáng)度或最終強(qiáng)度。因此，研究土的殘余強(qiáng)度可以探究土體破壞后強(qiáng)度的降低規(guī)律。

殘余強(qiáng)度是一個(gè)短期強(qiáng)度，滑坡發(fā)生后邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)應(yīng)該用殘余強(qiáng)度[2]；譚文輝等[3]分別用峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度對(duì)邊坡提出加固措施是安全經(jīng)濟(jì)的。人們通過(guò)各種手段對(duì)土樣進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)以研究殘余強(qiáng)度參數(shù)：Bishop等[4]，Townsend等[5]對(duì)倫敦黏土進(jìn)行試驗(yàn)，任惠芳[6]對(duì)寶中線取得的黏土試樣進(jìn)行了殘剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土的殘余強(qiáng)度與原始結(jié)構(gòu)、初始密度、固結(jié)歷時(shí)無(wú)關(guān)。戴福初等[7]對(duì)香港大嶼山殘坡積土進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)殘余強(qiáng)度與正應(yīng)力之間的關(guān)系，指出環(huán)剪試驗(yàn)有單剪、預(yù)剪和多級(jí)剪3種。任惠芳[6]、戴福初等[7]、孫濤等[8]探究了剪切速率對(duì)殘余強(qiáng)度的影響。任惠芳[6]、張昆等[9]、周平根[10]通過(guò)試驗(yàn)及資料總結(jié)，得出殘余強(qiáng)度與土的黏粒含量、塑性指數(shù)(Ip)、比表面積B之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

目前殘余強(qiáng)度的主要試驗(yàn)儀器有：環(huán)剪儀，應(yīng)變式直剪儀，三軸剪切儀，還有現(xiàn)場(chǎng)大面積剪切儀。楊有蓮等[11]指出，殘余強(qiáng)度可由扭轉(zhuǎn)剪切方法精確測(cè)出。洪勇等[12]總結(jié)國(guó)內(nèi)外環(huán)剪試驗(yàn)得出的大剪切位移下的強(qiáng)度衰減規(guī)律較好。直剪和三軸試驗(yàn)中試樣的剪切面很小且剪切變形量不大，環(huán)剪儀克服了這些不足，且能夠在試驗(yàn)中保持剪切面面積不變，另外環(huán)剪儀可以設(shè)定滑動(dòng)距離，控制剪切速度，是目前測(cè)試土的殘余強(qiáng)度較為先進(jìn)可靠的方法。黃土是一種特殊性的結(jié)構(gòu)土，目前對(duì)該類土進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)的研究成果還較少，因此本文擬利用HJ-1型環(huán)剪儀，對(duì)不同含水率的重塑黃土在不同正應(yīng)力、不同剪切方式下進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，研究其峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及變形規(guī)律，并從殘余強(qiáng)度角度對(duì)大變形下黃土的工程性質(zhì)(如浸水軟化性、脆性指數(shù))進(jìn)行分析，為黃土地區(qū)發(fā)生滑坡等大變形破壞提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用土料取自陜西省涇陽(yáng)縣太平鎮(zhèn)崔師某磚窯，取土的縱向深度約4.0 m，屬于晚更新世馬蘭黃土，顯棕黃色，其主要的物理指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)土料基本物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用的儀器為HJ-1型環(huán)剪儀，該儀器主要用于測(cè)量土的殘余強(qiáng)度。該儀器由軸向加載系統(tǒng)，變速箱，扭矩顯示器，水平角度表盤和剪切盒組成，可提供的剪切速率為3.0×10-6～2.1×10-2r/min，能滿足多種試驗(yàn)的要求。施加到試樣上的最大法向應(yīng)力為900 kPa，剪切扭矩最大值為300 N·m。

1.3 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)采用重塑土樣。制備過(guò)程為將土樣烘干碾碎，過(guò)2 mm的土工篩，噴灑試驗(yàn)設(shè)定含水率所需的水量，并且讓水與土進(jìn)行24 h以上的充分作用，制備成尺寸為φ100 mm(外徑)×φ60 mm(內(nèi)徑)×20 mm(高)，密度為1.52 g/cm3的試樣。根據(jù)計(jì)算得試樣的面積為50.27 cm2，試樣平均直徑為8.17 cm。

為避免調(diào)整變速箱檔位對(duì)土樣造成的擾動(dòng)，裝樣前就調(diào)好變速箱的檔位。將土樣裝入剪切盒，并在正應(yīng)力下進(jìn)行固結(jié)。待固結(jié)完成后，記錄水平角度表盤讀數(shù)作為轉(zhuǎn)角初始值，開始扭轉(zhuǎn)剪切。

1.4 試驗(yàn)原理及計(jì)算公式

用HJ-1型環(huán)剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)過(guò)程中，剪切位移可以無(wú)限增大，空心試樣的剪切面積保持定值，剪切面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力均勻分布[11]。HJ-1型環(huán)剪儀工作原理見圖1。試驗(yàn)過(guò)程中，剪切面的變形隨著半徑而變化，由于試樣寬度較小，一般采用平均剪應(yīng)力τ和平均剪切位移S，這2個(gè)量可通過(guò)試驗(yàn)的直接成果扭矩M和角位移θ[13]計(jì)算得出(表2)。計(jì)算公式為：

平均剪應(yīng)力τ

(1)

平均剪切位移S

(2)

式中：r1——試樣圓環(huán)內(nèi)半徑(cm)；r2——試樣圓環(huán)外半徑(cm)；M——扭矩(N·m)；θ——剪切角位移(°)；υ2——下剪切盒轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/min);Dm——試樣直徑(cm)；根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置選剪切速率為0.1 m/min；t——扭轉(zhuǎn)剪切歷時(shí)(min)。

注：P為剪切面上正應(yīng)力； τ為剪應(yīng)力。

試樣編號(hào) 含水率/%正應(yīng)力/kPaCS1-CS313100～150～200～300,200～300～400～600,300～400～600～800CS4-CS616100～150～200～300,200～300～400～600,300～400～600～800CS7-CS919100～150～200～300,200～300～400～600,300～400～600～800CS1022100～150～200～300

注：CS表示試樣是重塑制備而成；正應(yīng)力加載方式采取多級(jí)加載，每級(jí)加載剪切前需重新固結(jié)穩(wěn)定，且環(huán)剪方向與之前的方向保持一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切面形態(tài)及試驗(yàn)結(jié)果

重塑黃土試樣的剪切破壞，土樣在剪切盒閉合處分為上下兩層(如圖2所示)。剪切面高低不平，說(shuō)明剪切帶是不規(guī)則的土層，且原始土樣呈黃褐色，而剪切破壞之后的土體呈深黃褐色，圖2b和2c對(duì)比可知，剪切帶附近的土體隨著含水率的增加表現(xiàn)出泥化現(xiàn)象，其顏色也逐漸變深。另外環(huán)剪過(guò)程中，孔隙水只能從剪切盒下部或者剪切盒中間排出，所以排水過(guò)程較為緩慢，隨著剪切位移的增加，土顆粒隨著孔隙水一起向剪切盒處運(yùn)移，所以破壞面上土顆粒較為細(xì)膩，這一結(jié)論與廖建民等[14]、王順等[15]所得結(jié)論一致。

圖2 環(huán)剪試驗(yàn)下重塑黃土剪切面特征

圖3所示為不同含水率的重塑黃土土樣在相同的正應(yīng)力加載作用下所得到的多級(jí)剪切剪應(yīng)力—剪切的位移曲線。

從圖3中可以看出： ①固結(jié)結(jié)束開始環(huán)剪試驗(yàn)后，隨著剪切位移的增加，土體強(qiáng)度逐漸增加，達(dá)到其最大值即峰值強(qiáng)度后，剪應(yīng)力會(huì)有一定的降低，最后穩(wěn)定在殘余強(qiáng)度，此時(shí)土體已被破壞。之后在進(jìn)行固結(jié)、環(huán)剪試驗(yàn)，剪應(yīng)力—剪切位移曲線與第一級(jí)形狀相似，但達(dá)到殘余強(qiáng)度時(shí)的剪切位移要小很多，這時(shí)因?yàn)橥馏w破壞之后土顆粒之間的咬合黏結(jié)作用降低，故隨著加載級(jí)別的增大，土體更容易達(dá)到殘余強(qiáng)度。 ②加載級(jí)別越高，正應(yīng)力越大，得到的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度均越大，而含水率對(duì)土體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的影響規(guī)律相同。

aP=100～150～200～300 kPa bP=200～300～400～600 kPa cP=300～400～600～800 kPa

圖3重塑黃土在多級(jí)剪切下的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

2.2重塑黃土的浸水軟化性

將峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力進(jìn)行線性擬合，得出不同含水率的重塑黃土其峰值強(qiáng)度指標(biāo)c,φ和殘余強(qiáng)度指標(biāo)cr,φr。由圖4可知，隨著含水率的增加，殘余強(qiáng)度黏聚力cr值相差范圍在10 kPa之內(nèi)，殘余強(qiáng)度內(nèi)摩擦角φr值逐漸減小。由于殘余強(qiáng)度生效的時(shí)候，土體結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，大剪切位移下土體顆粒已經(jīng)發(fā)生定向排列，故此時(shí)黏聚力對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)了，即φr才是土體殘余強(qiáng)度得主要貢獻(xiàn)者。圖4a顯示殘余黏聚力大約在30 kPa左右，分析原因可能是土顆粒在環(huán)剪的過(guò)程中被擠到剪切縫，剪切盒上下摩擦造成的。殘余黏聚力cr受含水率影響不明顯，殘余內(nèi)摩擦角φr隨著含水率的增加明顯降低，表現(xiàn)為土體殘余強(qiáng)度隨著含水率的增加而降低。因此，在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，應(yīng)該慎重考慮降雨、凍融等作用對(duì)土體殘余強(qiáng)度的影響。

評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性時(shí)，殘余黏聚力較小且不起主導(dǎo)作用，為安全起見按零記，而殘余內(nèi)摩擦角作用較大，所以應(yīng)慎重選擇，將表3中同級(jí)別正應(yīng)力條件下得到的殘余內(nèi)摩擦角與試樣含水率進(jìn)行擬合，得出適用于該種土的參考公式：

φr=53.437e-0.024w，R2=0.983 9

(3)

a 黏聚力與含水率的關(guān)系曲線 b 內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系曲線

圖4含水率與殘余黏聚力、殘余內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

2.3重塑黃土的應(yīng)變軟化分析及脆性指數(shù)

Bishop[16]首次提出脆性指數(shù)IB，脆性程度與應(yīng)變軟化有關(guān)，所以脆性指數(shù)又叫做應(yīng)變軟化系數(shù)。脆性指數(shù)的定義是最大剪應(yīng)力與最小剪應(yīng)力的差值再除以最大剪應(yīng)力，因此IB的范圍在0～1之間，越大說(shuō)明土樣脆性越強(qiáng)，即殘余強(qiáng)度比峰值強(qiáng)度衰減程度越大，強(qiáng)度軟化越明顯。本文中相關(guān)結(jié)果如表3所示。

表3 不同含水率試樣在各級(jí)正應(yīng)力下的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及脆性指數(shù)

從表3中可得，不同含水率、不同正應(yīng)力作用下的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度下，脆性指數(shù)都較小，即峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度差值不大，軟化現(xiàn)象不明顯。隨著正應(yīng)力的增加，脆性指數(shù)呈減小的趨勢(shì)，說(shuō)明在較大正應(yīng)力作用下試樣的剪切特性表現(xiàn)為弱軟化，試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度之后略微減小便達(dá)到殘余強(qiáng)度。隨著含水率的增加，脆性指數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明在高含水率的條件下，經(jīng)過(guò)大剪切位移后，試樣強(qiáng)度由峰值強(qiáng)度稍減小便達(dá)到殘余強(qiáng)度，總體來(lái)說(shuō)軟化不明顯。

3 結(jié) 論

(1) 重塑黃土在荷載下，先達(dá)到峰值強(qiáng)度，然后出現(xiàn)弱軟化達(dá)到殘余強(qiáng)度。隨著正應(yīng)力的增大，重塑黃土的殘余強(qiáng)度增大，且達(dá)到殘余強(qiáng)度所需的剪切位移越小，即越易達(dá)到殘余強(qiáng)度。

(2) 含水率對(duì)重塑黃土的峰值強(qiáng)度有影響，對(duì)大應(yīng)變條件下的殘余強(qiáng)度也有影響，主要表現(xiàn)在殘余內(nèi)摩擦角度隨含水率的增大而減小，通過(guò)擬合得出殘余內(nèi)摩擦角與含水率的參考公式，且相關(guān)性較好。

(3) 本文所選重塑黃土的應(yīng)變軟化都較弱，表現(xiàn)為脆性指數(shù)都較小，且脆性指數(shù)隨著正應(yīng)力和含水率的增加而降低。

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ExperimentalStudyonShearStrengthofRemoldedLoessbyRingShearTest

WANG Wei1,2, LUO Yasheng2

(1.CollegeofUrbanandRuralConstruction,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu,Shanxi030801,China; 2.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] To study the influencing factors and rules of loess strength under large strain condition in order to provide a theoretical basis for large deformation damages like landslide in loess area. [Methods] Large shear displacement test with ring shear apparatus were conducted to explore the influence of positive stress and shear modes on the residual strength of remolded loess at different water content levels. [Results] The results showed that the greater the effective normal stress, the greater residual strength was, and the smaller the required shear displacement would be. The residual cohesive force fluctuated slightly and the residual internal friction angle decreased with the increase of water content, and a reference formula between residual internal friction angle and water content was fitted. From the perspective of brittle index, strain softening of the remolded loess was not obvious, and the brittleness index decreased with the increase of effective normal stress and water content. [Conclusion] The responses of the peak strength and residual strength to water content and positive stress were similar. Thus the residual strength can be estimated by water content.

remoldedloess;ringsheartest;residualstrength;brittlenessindex

A

1000-288X(2017)05-0110-04

TU411

文獻(xiàn)參數(shù)： 王煒, 駱亞生.重塑黃土抗剪強(qiáng)度的環(huán)剪試驗(yàn)研究[J].水土保持通報(bào)，2017,37(5)：110-113.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.019； Wang Wei, Luo Yasheng. Experimental study on shear strength of remolded loess by ring shear test[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：110-113.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.019

2017-06-09

2017-07-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于土體結(jié)構(gòu)性變化的黃土滑坡災(zāi)變機(jī)理研究”(51178392)； 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金(J141702131)

王煒(1988—),女(漢族),山西省壽陽(yáng)縣人,碩士,助教,主要從事黃土力學(xué)與工程的研究。E-mail:1508276934@qq.com。

駱亞生(1967—),男(漢族),陜西省涇陽(yáng)縣人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事黃土力學(xué)與工程研究。E-mail:lyas@public.xa.sn.cn。