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        滑帶土的環(huán)剪試驗(yàn)研究

        2018-08-10 10:47:16符飛
        科學(xué)與財(cái)富 2018年16期

        符飛

        摘 要:以黃土坡滑坡滑帶土為研究對(duì)象,采用環(huán)剪儀研究了天然含水率的滑帶土在不同法向應(yīng)力與剪切速率下的抗剪強(qiáng)度特性。試驗(yàn)結(jié)果表明: 滑帶土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨著法向應(yīng)力的增大而增大,并呈現(xiàn)出較強(qiáng)的線性關(guān)系; 0. 1 ~ 10mm / min 范圍內(nèi)的剪切速率對(duì)滑帶土的殘余剪切強(qiáng)度影響不明顯,變化幅度在 ± 6% 以內(nèi); 但剪切速率越大,滑帶土需要更多的變形以達(dá)到殘余強(qiáng)度; 隨著剪切速率地增大殘余黏聚力不斷地減小,殘余內(nèi)摩擦角逐漸地增大,峰值強(qiáng)度及峰值黏聚力、內(nèi)摩擦角均增大。

        關(guān)鍵詞:環(huán)剪試驗(yàn);抗剪強(qiáng)度;法向應(yīng)力;剪切速率

        滑帶土是滑坡的重要組成部分,與滑坡的發(fā)展變形有著密切的關(guān)系[1],開展對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度特性的研究,可為滑坡的穩(wěn)定性分析與防治提供重要的力學(xué)參數(shù)和理論依據(jù),對(duì)于揭示滑坡發(fā)生機(jī)制以及演化機(jī)理等具有重要意義[2]。不同于常規(guī)直剪儀和三軸儀,環(huán)剪儀可在試驗(yàn)過程中保持剪切面面積不變和試樣在連續(xù)的位移條件下進(jìn)行剪切,且能動(dòng)態(tài)控制法向應(yīng)力和剪切速率等條件[3]。因此,環(huán)剪儀已被廣泛用于大剪切位移條件下的滑帶土殘余強(qiáng)度特性研究,在應(yīng)變軟化研究方面的作用也越來越重要。

        本次試驗(yàn)以三峽庫區(qū)黃土坡滑坡滑帶土為研究對(duì)象,利用環(huán)剪儀,研究了法向應(yīng)力和剪切速率對(duì)滑 帶土抗剪強(qiáng)度特性的影響作用。

        1滑帶土

        本次試驗(yàn)用滑帶土呈黃褐、灰褐色,結(jié)構(gòu)稍密 ~ 密實(shí),土體呈可塑 ~ 硬塑狀,物質(zhì)成分主要為粉質(zhì)粘土夾碎石。天然含水率為 15. 97% ,天然密度為2.03 g /cm3,其中粒徑在 0. 075 mm 以下的顆粒含量約為 45. 21% 。

        2環(huán)剪試驗(yàn)

        2.1試驗(yàn)儀器試驗(yàn)采用德國 Wille GeoteChni 公司生產(chǎn)的ARS 自動(dòng)閉合回路控制環(huán)剪儀。

        該型環(huán)剪儀外環(huán)直徑 150 mm,內(nèi) 環(huán)直徑100 mm,剪切面積 98. 17cm2。剪切速率與法向壓力由精密電機(jī)控制,試驗(yàn)過程由計(jì)算機(jī)控制精密電機(jī)運(yùn)行,并自動(dòng)記錄試驗(yàn)時(shí)間、剪切位移、法向壓力、剪切應(yīng)力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        2. 2試樣制備

        首先將滑帶土樣品置于 105 ℃ 下烘干 24 h 以上,碾碎后過 2 mm 篩,取小于 2 mm 部分配置成天然含水率狀態(tài); 然后裝入試驗(yàn)配套的制樣盒制成圓餅狀; 最后將圓餅狀土樣裝入剪切盒,切除中間部分,剩下部分即為試驗(yàn)所需的環(huán)狀試樣。

        2.3試驗(yàn)內(nèi)容

        為了全面測(cè)試滑帶土在不同法向應(yīng)力和剪切速 率下的抗剪強(qiáng)度特性,并揭示其應(yīng)變軟化特征,試驗(yàn) 均采用單級(jí)剪切,即在試樣充分固結(jié)后,只在一級(jí)法 向應(yīng)力下進(jìn)行剪切[7]。試樣按選定好的剪切速率分為 4 組,0. 1、1、5 和 10 mm / min 組,每一組 3 個(gè)試樣在各自對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力下固結(jié) 24h,然后在該組剪切速率下進(jìn)行單級(jí)剪切,直到試驗(yàn)剪應(yīng)力-位移曲 線基本平直為止。

        3試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1法向應(yīng)力對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的影響

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,滑帶土的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力大小相關(guān),無論是峰值強(qiáng)度還是殘余強(qiáng)度均隨著法向應(yīng)力的增大而增大。已有的研究表明只有當(dāng)法向 應(yīng)力大于 150 kPa 時(shí),黏土顆粒的最終定向排列程度才不受法向應(yīng)力的影響,即殘余內(nèi)摩擦角不再發(fā)生變化,此時(shí)殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈線性關(guān)系,否則 由于黏土顆粒的定向排列程度會(huì)隨法向應(yīng)力的增大 而增大,殘余強(qiáng)度則與之呈較強(qiáng)的非線性關(guān)系。

        3.2剪切速率對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的影響

        眾多學(xué)者的研究表明剪切速率對(duì)滑帶土峰值強(qiáng) 度的影響是很明晰的,即峰值強(qiáng)度隨剪切速率的增大而增大,而對(duì)殘余強(qiáng)度的影響卻比較復(fù)雜。按照殘余強(qiáng)度受影響程度的大小,剪切速率劃分為慢剪( 小于 0. 01 mm / min) 、快剪( 大于 100 mm / min) 以及一般剪切( 0. 01 ~ 100 mm / min) 。

        慢剪速率對(duì)應(yīng)著滑坡極其緩慢地滑動(dòng)或者靜止的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而快剪速率則模擬滑坡已經(jīng)失穩(wěn)快速的滑動(dòng),而實(shí)際上在庫水位下降或者暴雨等等條件下,0. 01 ~ 100 mm / min 段剪切速率更能代表滑坡強(qiáng)烈變形部位-前緣或者后緣的狀態(tài)。針以上研究現(xiàn)狀,本次試驗(yàn)選取 0. 1、1、5 與 10 mm / min 的速率開展對(duì)抗剪強(qiáng)度的研究。而殘余強(qiáng)度與該范圍內(nèi)的剪切速率無關(guān),僅取決于現(xiàn)存的應(yīng)力狀態(tài)。

        盡管剪切速率對(duì)滑帶土殘余強(qiáng)度的影響不大,可以看出,殘余黏聚力 cr 與殘余內(nèi)摩擦角 φr 卻隨著速率的增大產(chǎn)生了截然相反的變化,cr 不斷地減小,φr 逐漸地增大。試驗(yàn)結(jié)束后,通過觀察發(fā)現(xiàn)從剪切面擠出了大量的泥漿,泥漿的質(zhì)量和含水量均隨著剪切速率地增大而不斷增大,剪切帶附近黏粒含量、含水量的降低可能造成了這一結(jié)果, 待進(jìn)一步研究。同現(xiàn)有的研究結(jié)論一樣,滑帶土峰值強(qiáng)度是隨著剪切速率的增大而增大的。

        4結(jié)論

        通過開展一系列環(huán)剪試驗(yàn),研究了法向應(yīng)力對(duì) 與剪切速率對(duì)黃土坡滑坡滑帶土抗剪強(qiáng)度特性的影 響作用。結(jié)果表明滑帶土的峰值、殘余抗剪強(qiáng)度依賴于法向應(yīng)力的大小,并與之呈較強(qiáng)線性關(guān)系; 0. 1 ~ 10 mm / min 范圍內(nèi)的剪切速率對(duì)滑帶土的峰值強(qiáng)度、軟化特性影響顯著,而對(duì)殘余強(qiáng)度影響不明顯。但本文并未考慮剔除大于 2mm 的土顆粒對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,未來有待于進(jìn)一步研究。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張 昆,郭菊彬.滑帶土殘余強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)研究.鐵道工程學(xué)報(bào),2007; 24( 8) : 13—15,26

        [2]ZhangKun, GuoJubin. Experimentalresearchontheresidual strengthparametersofslipsoils.JournalofRailwayEngineering, 2007; 24( 8) : 13—15,26.

        [3]李曉,梁收運(yùn),鄭國東. 滑帶土的研究進(jìn)展.地球科學(xué)進(jìn)展,2010;25( 5) : 484—491.

        [4]洪 勇,孫 濤,欒茂田,等. 土工環(huán)剪儀的開發(fā)及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀.巖土力學(xué),2009; 30( 3) : 628—633

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