洪 勇，周 蓉，鄭孝玉

1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033 2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026

0 引言

滑坡因其具有破壞性強(qiáng)、致災(zāi)后果嚴(yán)重、致災(zāi)范圍一般難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，已成為中國最具代表性的地質(zhì)災(zāi)害問題之一[1]?；聻?zāi)害的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過程并受諸多因素的影響[2]，因此其發(fā)生機(jī)理也不盡相同?；碌陌l(fā)育、發(fā)生及運(yùn)動(dòng)是滑體沿滑動(dòng)帶(面)和一定滑動(dòng)路徑上發(fā)生的大剪切位移過程。目前，有關(guān)滑坡災(zāi)害中土的力學(xué)性質(zhì)研究主要集中于對(duì)滑帶土工程特性和強(qiáng)度參數(shù)測(cè)定方面，其研究內(nèi)容主要涉及靜動(dòng)荷載作用下滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)取值和測(cè)定方法等方面[3-9]。此外，鑒于滑坡活動(dòng)具有位移量大和多次啟動(dòng)等特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)滑帶土殘余剪切的機(jī)理及準(zhǔn)確確定峰后殘余強(qiáng)度的方法開展了研究[10-13]，進(jìn)而從土的力學(xué)性質(zhì)揭示了滑坡災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理和運(yùn)動(dòng)機(jī)制。

在以往滑坡土體剪切力學(xué)特性試驗(yàn)研究方面，各國學(xué)者通常主要利用直剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等常規(guī)室內(nèi)土工試驗(yàn)方法，研究土體剪切變形的產(chǎn)生、發(fā)展和演變過程以及剪切力學(xué)特性的變化規(guī)律。由于常規(guī)試驗(yàn)儀器在功能和方法上的局限性，其基于全應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)所量測(cè)的結(jié)果與實(shí)際滑坡土體內(nèi)部的變形破壞過程存在較大差異，并不能真實(shí)反映滑坡土體在實(shí)際大剪切位移條件下諸如顆粒定向排列、粒子破碎、孔隙水運(yùn)移等實(shí)際情況。環(huán)剪儀作為一種研究土體在大剪切位移條件下力學(xué)性質(zhì)的土工試驗(yàn)設(shè)備，其具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)構(gòu)造和試驗(yàn)功能[14]?，F(xiàn)代環(huán)剪儀能通過精密控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證各種試驗(yàn)條件下剪切過程中排水與不排水狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，因此環(huán)剪試驗(yàn)及其成果能夠更加真實(shí)地反映實(shí)際滑坡土體內(nèi)的受力狀況。

在滑坡災(zāi)害發(fā)生過程中，滑動(dòng)路徑上具有不同物理力學(xué)狀態(tài)的砂土對(duì)滑坡的運(yùn)動(dòng)過程會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。例如，在陜西涇陽南塬地區(qū)分布著大量具有高速遠(yuǎn)程滑動(dòng)特點(diǎn)的黃土滑坡[15-16]。該滑坡災(zāi)害的運(yùn)動(dòng)過程與其滑動(dòng)路徑上分布的河流階地砂在不同受力和排水條件下的力學(xué)性質(zhì)變化具有一定的關(guān)系。該類砂土在滑坡滑動(dòng)過程中甚至可能誘發(fā)滑動(dòng)液化現(xiàn)象的發(fā)生，并導(dǎo)致滑體發(fā)生高速遠(yuǎn)程滑動(dòng)。本文利用大型高速環(huán)剪試驗(yàn)機(jī)，通過對(duì)砂土在不同排水、法向應(yīng)力和剪切速度下的剪切試驗(yàn)特性進(jìn)行對(duì)比分析，以期揭示砂土在大剪切位移條件下的剪切力學(xué)特性及其作用機(jī)理，為深入研究滑坡災(zāi)害中土的剪切力學(xué)特性及其對(duì)滑坡運(yùn)動(dòng)過程的影響提供理論支持和分析依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)儀器

本項(xiàng)研究所采用的試驗(yàn)儀器為DPRI-3型環(huán)剪儀(圖1)，其主要由主機(jī)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、剪切伺服系統(tǒng)3部分組成。主機(jī)由上、下環(huán)形剪切盒(圖2a)組成，其內(nèi)、外環(huán)的直徑分別為21、31 cm，剪切面積為408 cm2。計(jì)算機(jī)控制法向應(yīng)力、剪切速度的施加并記錄、存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。該儀器最大法向應(yīng)力可達(dá)500 kPa，最大剪切速率可達(dá)30 cm/s,其可進(jìn)行上排水、下排水、上下排水等多種不同方式的排水試驗(yàn)。

圖1 DPRI-3型環(huán)剪儀Fig.1 DPRI-3 ring shear apparatus

試驗(yàn)過程中的孔隙水壓力由設(shè)置于剪切面處的孔隙水壓力傳感器(圖2b)及外設(shè)的HCSC-8數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。由于傳感器設(shè)置在剪切面處，因此所測(cè)量的孔隙水壓力能更真實(shí)地反映土剪切帶(面)處孔隙水壓力的變化情況。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)所采用的試樣為中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，其相對(duì)密度為2.71，孔隙平均粒徑為0.50 mm，不均勻系數(shù)為5.991，曲率系數(shù)為1.006，表明試樣的級(jí)配良好。通過進(jìn)行不同法向應(yīng)力(σ)、剪切速率(r′)條件下的環(huán)剪試驗(yàn)，對(duì)比分析飽和砂在不排水、上排水、上下排水、下排水4種不同排水條件下的快速大剪切力學(xué)特性。試驗(yàn)時(shí)將土樣放置于環(huán)形剪切盒中，然后通過下排水處的水管注入去離子水，并打開上排水裝置(圖2b)，當(dāng)排水過程中排水管內(nèi)無氣泡排出且排出水流速度平穩(wěn)時(shí)，表示砂土處于飽和狀態(tài)。

試驗(yàn)共分36組進(jìn)行，首先將每組試樣分別在100、200和300 kPa法向應(yīng)力下固結(jié)至垂直位移和孔隙水壓力保持不變?yōu)橹?；然后針?duì)不同排水(不排水、上排水、上下排水、下排水)條件下每一組具有相同法向應(yīng)力試樣分別進(jìn)行剪切速率為0.01、0.10和1.00 cm/s的環(huán)剪試驗(yàn)，詳細(xì)試樣分組情況見表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖3—圖5分別為飽和砂在相同剪切速率不同排水條件及法向應(yīng)力條件下的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線。在不排水條件下(圖3a、4a、5a)，試驗(yàn)開始后，飽和砂的剪切應(yīng)力會(huì)迅速上升至峰值，其后隨著位移的增大，剪切應(yīng)力下降，直至最后達(dá)到穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，此時(shí)飽和砂表現(xiàn)為軟化現(xiàn)象；在排水條件下(圖3b、c、d，圖4b、c、d，圖5b、c、d)，盡管各試驗(yàn)條件下的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線的形態(tài)有所差異，但剪切應(yīng)力在達(dá)到峰值強(qiáng)度后并未出現(xiàn)峰后應(yīng)力下降的情況。為了分析水對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂的影響，進(jìn)行了在相同條件下干燥砂的對(duì)比試驗(yàn)。圖6為干燥砂在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線。如圖6所示，在正常固結(jié)條件下，干燥砂在剪切過程中會(huì)迅速達(dá)到峰值強(qiáng)度而后趨于穩(wěn)定。上述所有各組試樣試驗(yàn)結(jié)果均表明，在相同剪切速率和相同排水條件下，抗剪強(qiáng)度均隨著法向應(yīng)力的增大而增大。

圖2 環(huán)剪儀的剪切盒及排水裝置Fig.2 Ring shear box and drainage devices

排水方式σ/kPa試驗(yàn)分組編號(hào)r'=0.01 cm/sr'=0.10 cm/sr'=0.01 cm/s不排水100BS1BS2BS3200BS4BS5BS6300BS7BS8BS9上排水100SS1SS2SS3200SS4SS5SS6300SS7BS8SS9上下排水100SXS1SXS2SXS3200SXS4SXS5SXS6300SXS7SXS8SXS9下排水100XS1XS2XS3200XS4XS5XS6300XS7XS8XS9

圖3 當(dāng)r′=0.01 cm/s時(shí)，飽和砂在4種排水條件下剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系Fig.3 Variation of shear stress of saturated sand under the four types drainage conditions when r′=0.01 cm/s

通過比較圖3、圖4、圖5知，盡管在相同法向應(yīng)力不同排水方式下飽和砂土達(dá)到峰值強(qiáng)度所需要的剪切位移與剪切速率正相關(guān)，但是其峰值強(qiáng)度與剪切速率有顯著區(qū)別。即隨著剪切速率的增大：不排水條件下，抗剪強(qiáng)度變化不大；上下排水條件下，抗剪強(qiáng)度減??；上排水和下排水條件下，抗剪強(qiáng)度增大。

圖4 當(dāng)r′=0.10 cm/s時(shí)，飽和砂在4種排水條件下剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系Fig.4 Variation of shear stress of saturated sand under the four types drainage conditions when r′=0.10 cm/s

圖5 當(dāng)r′=1.00 cm/s時(shí)，飽和砂在4種排水條件下剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系Fig.5 Variation of shear stress of saturated sand under the four types drainage conditions when r′=1.00 cm/s

圖6 不同剪切速度條件下，干燥砂的剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系[17]Fig.6 Variation of shear stress of dry sand at different shear speeds

2.2 結(jié)果分析

土的抗剪強(qiáng)度不僅與土的性質(zhì)(成分、結(jié)構(gòu))有關(guān)，還與試驗(yàn)過程中土的剪切速率、排水條件、應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史等諸多因素有關(guān)，其中最重要的是試驗(yàn)時(shí)的排水條件[18]。本文主要研究在不同排水條件下飽和砂快速大剪切的力學(xué)性質(zhì)。

圖7分別為干燥砂和上下排水、上排水、下排水、不排水條件下的飽和砂在不同剪切速率條件下的抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線。如圖7所示：在相同剪切速率條件下，干燥砂和4種排水條件下的飽和砂的抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增大而增大，并且抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力之間的擬合曲線R2(R為相關(guān)系數(shù))的最小值分別為0.990 50、0.984 31、0.979 46、0.970 14、0.936 69，均在0.900 0以上。這說明在正常固結(jié)條件下干燥砂的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力具有良好的相關(guān)性；飽和砂在不同排水條件下的抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)符合莫爾-庫倫強(qiáng)度理論。

從圖7中可看出，在相同剪切速率下，抗剪強(qiáng)度從大到小的順序依次為：干燥砂、上下排水、上排水、下排水、不排水。其中：干燥砂的抗剪強(qiáng)度分別接近于不排水抗剪強(qiáng)度的5倍、下排水抗剪強(qiáng)度的4倍、上排水抗剪強(qiáng)度的3倍、上下排水抗剪強(qiáng)度的2倍；不排水條件下的抗剪強(qiáng)度分別接近于下排水抗剪強(qiáng)度的1/2、上排水抗剪強(qiáng)度的1/3、上下排水抗剪強(qiáng)度的1/4。這說明砂土抗剪強(qiáng)度與水的作用有密切關(guān)系，且飽和砂抗剪強(qiáng)度的大小因排水條件的不同而有顯著的差異。

表2為不同排水條件下飽和砂的內(nèi)摩擦角匯總。如表2所示，干燥砂的內(nèi)摩擦角最大，且不同速率下數(shù)值變化不大；在排水條件下，飽和砂的內(nèi)摩擦角的大小依次為上下排水、上排水、下排水，其中上下排水內(nèi)摩擦角隨著剪切速率的增大而減小，上排水和下排水的內(nèi)摩擦角隨著剪切速率的增大而增大；在不排水條件下，與其他排水條件相比，飽和砂的內(nèi)摩擦角最小。

上述環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果表示，干燥砂在不同剪切速率下抗剪強(qiáng)度的差異不僅與剪切過程中砂土的內(nèi)摩擦力有關(guān)，還與水的作用有關(guān)。一般情況下，砂土的內(nèi)摩擦力由3部分組成[19-20]：土顆粒間的摩擦、土體的剪脹(或剪縮)和土顆粒的破碎。相關(guān)研究表明，影響砂土抗剪強(qiáng)度的主要因素有砂土的相對(duì)密度、孔隙比、砂顆粒之間的滑動(dòng)摩擦及擠碎磨細(xì)作用等。例如：Terzaghi等[21]在對(duì)砂土材料進(jìn)行一維壓縮試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)法向應(yīng)力大于96.5 kPa時(shí)，砂土顆粒出現(xiàn)顯著的顆粒破碎現(xiàn)象；Agung等[22]、Wang等[23]和Okada等[24]對(duì)飽和砂的研究表明，飽和砂在剪切過程中剪切帶內(nèi)由于顆粒結(jié)構(gòu)破壞被壓密和顆粒破碎而使土中細(xì)粒成分增加，從而導(dǎo)致超孔隙水壓力的產(chǎn)生并使抗剪強(qiáng)度急劇下降。

圖7 不同排水條件下，不同剪切速率時(shí)抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系Fig.7 Relationship of shear strength and normal stress under different drainage conditions and different shear rate

針對(duì)干燥砂的試樣進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其法向應(yīng)力均大于96.5 kPa，以不同速率剪切的過程中，砂土顆粒出現(xiàn)顯著的顆粒破碎，這表明干砂抗剪強(qiáng)度主要與土顆粒間的摩擦力有關(guān)，并受土顆粒破碎作用的影響。

表2不同排水條件下，不同剪切速率時(shí)飽和砂的內(nèi)摩擦角

Table2Frictionangleofsaturatedsandunderdifferentdrainageconditionsanddifferentshearrate

(°)

圖8—圖10為不同排水條件下飽和砂剪切過程中孔隙水壓力變化時(shí)程曲線。如圖8a、9a、10a所示，在不排水剪切條件下，飽和砂的孔隙水壓力基本上不隨剪切速率的變化而變化。原因是飽和砂在不排水剪切過程中，其抗剪強(qiáng)度變化主要受土體內(nèi)部孔隙水壓力作用影響，剪切面處的孔隙水壓力較大且不變，導(dǎo)致土體有效應(yīng)力很小，進(jìn)而導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低。

圖8 當(dāng)r′=0.01 cm/s時(shí)，不同排水條件下孔隙水壓力曲線Fig.8 Variation of pore water pressure under different drainage conditions when r′=0.01 cm/s

圖9 當(dāng)r′=0.10 cm/s時(shí)，不同排水條件下孔隙水壓力曲線Fig.9 Variation of pore water pressure under different drainage conditions when r′=0.10 cm/s

圖10 當(dāng)r′=1.00 cm/s時(shí)，不同排水條件下孔隙水壓力曲線Fig.10 Variation of pore water pressure under different drainage conditions when r′=1.00 cm/s

由圖8b、c，9b、c，10b、c知，上下排水和上排水條件下孔隙水壓力的時(shí)程曲線形態(tài)相似，即開始剪切后孔隙水壓力會(huì)迅速產(chǎn)生變化，但在下排水條件下(圖8d、9d、10d)，孔隙水壓力的變化有一段時(shí)間的滯后。這是因?yàn)椋荷舷屡潘?、上排水、下排水條件下飽和砂在排水剪切過程中，與干燥砂和不排水飽和砂相比，抗剪強(qiáng)度變化不僅受土顆粒間的摩擦力、顆粒運(yùn)移以及破碎的作用，而且還受孔隙水壓力的作用；與不排水條件相比，由于水的排出致使剪切面處的孔隙水壓力逐漸減小，有效應(yīng)力增大，從而上下排水、上排水、下排水條件下抗剪強(qiáng)度大于不排水條件下的抗剪強(qiáng)度；而由于不同排水條件下孔隙水排出的程度不同，導(dǎo)致上排水、下排水、上下排水在抗剪強(qiáng)度上呈現(xiàn)顯著的差異。

為了研究飽和砂在不同排水條件下的孔隙水壓力變化規(guī)律，現(xiàn)定義孔隙水壓力消散變化率(U)為最大孔隙水壓力(pmax)和最小孔隙水壓力(pmin)之差與時(shí)間差(Δt)的比值：

(1)

表3為不同排水條件下孔隙水壓力消散變化率。由表3可知，在100、200 kPa法向應(yīng)力和相同剪切速率條件下，U從大到小依次為：上下排水、上排水、下排水，其中上下排水時(shí)的U遠(yuǎn)大于上排水和下排水時(shí)的U，最大差值達(dá)到20.0×10-3，這說明在環(huán)剪試驗(yàn)中上下排水最有利于水的排出，且上排水比下排水更加容易。

表3不同排水條件下孔隙水壓力消散變化率

Table3Porewaterpressuredissipationrateunderdifferentdrainageconditions

r'/(cm/s)σ/kPaU/10-3上下排水上排水下排水0.0110021.52.601.5020045.06.204.503009.508.006.000.1010030.43.302.4020058.06.805.203006.406.404.701.0010031.04.003.1020077.07.604.203005.805.703.20

產(chǎn)生上述不同排水結(jié)果的原因是：飽和砂在排水剪切過程中，砂土在法向應(yīng)力和剪力的作用下發(fā)生顆粒破碎，導(dǎo)致土體內(nèi)細(xì)小顆粒成分增多；并且伴隨剪切過程一些細(xì)小顆粒向剪切面處及下剪切盒運(yùn)移和集聚，而隨著細(xì)小顆粒的增多可使下排水通道發(fā)生阻塞而使孔隙水的排出變得不夠順暢。這一現(xiàn)象可由下排水環(huán)剪試驗(yàn)開始后孔隙水壓力變化出現(xiàn)明顯延遲的現(xiàn)象所證實(shí)(圖8d、9d、10d)。而上部排水通道的排水受細(xì)小顆粒影響相對(duì)較小，因而其排水過程較下部排水更為順暢，進(jìn)而導(dǎo)致在上、下排水條件下的抗剪強(qiáng)度上出現(xiàn)差異。相比較而言，上下排水有兩個(gè)排水通道，從而更加有利于水的排出，因此上下排水的抗剪強(qiáng)度明顯大于上排水、下排水的抗剪強(qiáng)度。

從表3中也可知，當(dāng)法向應(yīng)力為100、200 kPa時(shí)，孔隙水壓力消散變化率隨著剪切速率的增大而增大；但當(dāng)法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)，孔隙水壓力消散變化率隨著剪切速度的增大反而減小。這是因?yàn)樵谳^大法向應(yīng)力和剪切速率條件下，砂土顆粒結(jié)構(gòu)在剪切過程中變得更加密實(shí)，且較快速率更不利于細(xì)土顆粒的運(yùn)移和砂土顆粒間內(nèi)部孔隙水的運(yùn)移，導(dǎo)致孔隙水排出困難，進(jìn)而影響孔隙水壓力的消散變化。

3 結(jié)論

1)在連續(xù)快速剪切條件下，砂土剪切力學(xué)特性在干燥、不排水和排水等條件下呈現(xiàn)不同的變化形式。其中在不排水條件下，飽和砂出現(xiàn)一定的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

2)在相同正應(yīng)力和剪切速率的環(huán)剪試驗(yàn)中，飽和砂在不同排水條件下(上排水、下排水、上下排水)的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)顯著差異；其抗剪強(qiáng)度變化按上下排水、上排水、下排水順序依次遞減。

3)在排水環(huán)剪試驗(yàn)條件下，砂土剪切應(yīng)力與強(qiáng)度的差異性變化不僅與土體內(nèi)細(xì)土顆粒運(yùn)移和結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，并且受到剪切過程中不同排水條件下孔隙水壓力變化的影響和控制作用。

4)排水環(huán)剪條件下，各排水方式下的飽和砂內(nèi)孔隙水壓力呈現(xiàn)不同的消散變化形式；飽和砂孔隙水壓力的消散變化不僅與不同排水方式下土體內(nèi)所形成的排水通道順暢程度有關(guān)，并且受到不同剪切速率和法向應(yīng)力的影響作用。在相同排水條件和低法向應(yīng)力(100、200 kPa)條件下,孔隙水壓力消散變化率隨法向應(yīng)力和剪切速率的增大而增大；而在高法向應(yīng)力(300 kPa)條件下孔隙水壓力消散變化率反而減小。