甘建軍

(南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

105國道是中國的一條國家級(jí)南北主干道，起點(diǎn)為北京，終點(diǎn)是澳門，其中部分路段穿越江西省龍南縣的石炭系灰?guī)r地層，該路段巖層破碎，多為順向地層且含有粉質(zhì)黏土等滑帶土，幾十年來經(jīng)常崩滑地質(zhì)災(zāi)害，影響了主干道的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。由于研究區(qū)與廣東接壤，屬于亞熱帶季風(fēng)溫暖濕潤(rùn)型氣候，極端暴雨常有發(fā)生。公路沿線斜坡軟弱夾層部分滑帶土往往在非飽和狀態(tài)下，受到降雨入滲作用后，基質(zhì)吸力發(fā)生變化，導(dǎo)致軟弱夾層產(chǎn)生強(qiáng)度劣化現(xiàn)象，從而加速滑坡的發(fā)生，對(duì)國道交通及行人的安全產(chǎn)生較大威脅[1]。

對(duì)于土質(zhì)軟弱夾層的強(qiáng)度研究，以往許多學(xué)者多采用直剪試驗(yàn)、常規(guī)三軸試驗(yàn)來分析滑帶土的力學(xué)特性[2-4]，但由于直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)剪切面是固定的，而且很難以考慮到基質(zhì)吸力的影響，對(duì)于雨水充沛的南方地區(qū)滑帶強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)而言，加強(qiáng)基質(zhì)吸力對(duì)滑帶土的強(qiáng)度研究尤顯重要。利用GDS三軸剪切試驗(yàn)可從設(shè)定不同圍壓來模擬不同深度、不同吸力對(duì)軟弱夾層中的非飽和粉質(zhì)黏土的受力環(huán)境，此方法已經(jīng)成為研究非飽和土強(qiáng)度及變形的重要手段。GDS三軸試驗(yàn)可以設(shè)定基質(zhì)吸力及應(yīng)力路徑以符合現(xiàn)實(shí)工況，可以更好地研究非飽和黏土的強(qiáng)度問題[5-6]。目前，國內(nèi)外對(duì)黃土、紅黏土、黏土等非飽和土強(qiáng)度研究得較多[7-10]，研究?jī)?nèi)容主要集中于變基質(zhì)吸力或變圍壓作用下的抗剪強(qiáng)度研究方面，但在降雨入滲對(duì)灰?guī)r接觸面(帶)粉質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度方面影響比較少見。本文利用STDTAS-HKUST試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)置變基質(zhì)吸力和變圍壓，對(duì)南亨大橋東側(cè)古堆積體滑坡滑帶土強(qiáng)度開展了研究，獲取不同降雨入滲工況下的軟弱夾層力學(xué)參數(shù)，分析粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的相關(guān)性。

1 非飽和土強(qiáng)度理論

一些學(xué)者認(rèn)為顆粒結(jié)構(gòu)和吸力對(duì)孔隙氣壓力的變化具有重要影響，認(rèn)為非飽和土體顆?？紫吨写嬖诳紫稓鈮毫a和負(fù)孔隙水壓力uw，它們可能存在一定的差值，即基質(zhì)吸力ua-uw，它可以使土顆粒之間的有效應(yīng)力不僅由顆粒骨架的粒間壓力單獨(dú)承擔(dān)。他們認(rèn)為飽和土的強(qiáng)度理論不再適用降雨入滲工況下軟弱夾層。為此，許多學(xué)者針對(duì)軟弱夾層的強(qiáng)度問題，充分考慮基質(zhì)吸力的影響，提出和改進(jìn)了一些非飽和土的強(qiáng)度理論和計(jì)算公式[11-12]。

具有代表性的是Bishop通過試驗(yàn)提出的非飽和土有效應(yīng)力強(qiáng)度理論公式(式1)，該公式引入有效應(yīng)力參數(shù) 來反映抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力的相關(guān)性，這個(gè)公式適用于飽和度>20%、粉土含量>40%～50%、黏土含量>85%的土，因此，這個(gè)理論中的有效應(yīng)力參數(shù)不是一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，而是一個(gè)與土體性質(zhì)、飽和度密切相關(guān)相關(guān)的參數(shù)，用來討論粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度具有不確定性。

τf=c′+[σ-ua]+χ(ua-uw)]tanφ′

=c′+(σ-ua)tanφ′+χ(ua-uw)tanφ′。

(1)

式中：τf是非飽和土的抗剪強(qiáng)度，c′是飽和土有效粘聚力，ua是非飽和土的孔隙氣壓力，χ是有效應(yīng)力參數(shù)，uw是非飽和土孔隙水壓力，φ′是飽和土的有效內(nèi)摩擦角; (ua-uw)為基質(zhì)吸力; (σ-ua)為凈法向應(yīng)力。由于Bishop強(qiáng)度理論未能反映基質(zhì)吸力對(duì)黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響,難以用來準(zhǔn)確計(jì)算分析軟弱夾層中非飽和粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度。

應(yīng)用得比較廣泛的是Barden[3]和Fredlund[4]利用基質(zhì)吸力來考慮非飽和土孔隙氣壓的影響，假設(shè)土粒為固體不能壓縮，顆粒之間的受力由孔隙氣壓和基質(zhì)吸力引起的表面張力組成，即存在如下計(jì)算公式：

τf=c′+(σ-ua)tan(φ′)+(ua-uw)tan(φb)。

(2)

式中：φb為基質(zhì)吸力相關(guān)角，其它符號(hào)代表意義同式(1)。此公式反映非飽和土的抗剪強(qiáng)度是由c′、(σ-ua)產(chǎn)生的強(qiáng)度與(ua-uw)三個(gè)微觀力共同引起的，其中土的結(jié)構(gòu)變化由凈法向應(yīng)力控制，而土的飽和度由基質(zhì)吸力控制，這兩個(gè)應(yīng)力可以通過控制吸力的三軸試驗(yàn)來測(cè)試。tanφ′就是偏應(yīng)力(σ1-σ3)與凈圍壓(σ-ua)關(guān)系曲線的斜率；tanφb即為基質(zhì)吸力(ua-uw)與抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線的斜率。為此，通常利用變基質(zhì)吸力和變圍壓的GDS三軸試驗(yàn)，分別繪制出偏應(yīng)力與凈圍壓、基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線，計(jì)算分析出以上兩個(gè)關(guān)系曲線的斜率，最后通過Fredlund理論公式可以計(jì)算出研究區(qū)滑坡軟弱夾層粉質(zhì)黏土的非飽和土抗剪強(qiáng)度。

2 滑帶土取樣與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)土樣

南亨大橋滑坡在28個(gè)鉆孔中都可見到灰褐色粉質(zhì)黏土?？紤]到軟弱夾層上部、下部的粉質(zhì)黏土在取樣過程中受到擾動(dòng)程度比較大的特點(diǎn)，利用環(huán)刀法在擾動(dòng)較少的②-2地層土樣中部開展物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果如表1。

試驗(yàn)所用非飽和滑帶土試樣為直徑38 mm、高度76 mm的圓柱體, 擾動(dòng)土分5層連續(xù)用同一擊數(shù)擊實(shí)，每擊實(shí)完一層，在銜接用小刀劃痕后堆土擊實(shí)，防止分層現(xiàn)象，擊實(shí)度以0.9的壓實(shí)度和1.82 g/cm3的干密度作為試樣質(zhì)量控制指標(biāo)。土樣用真空飽和器抽氣排空，放入密封桶水飽和24 h，結(jié)合滑坡臨空面排水暢通的工況，選擇固結(jié)排水抗剪試驗(yàn)(CD)。試驗(yàn)控制凈圍壓100 kPa、200 kPa、300 kPa，基質(zhì)吸力分別為0 kPa(非飽和土的特殊工況)、30 kPa、60 kPa、90kPa，共12個(gè)試樣。

2.2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用可以全自動(dòng)控制的STDTAS-HKUST三軸試驗(yàn)系統(tǒng)裝置。該裝置主要組成部件有1個(gè)Bishop-Wesley壓力室、3個(gè)GDS壓力/體積自控控制器和1個(gè)GDSLAB控制軟件。該設(shè)備在常規(guī)三軸試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行了如下的改進(jìn)和創(chuàng)新：增加了壓力室底座的液壓控制錘，可以對(duì)軸向應(yīng)力進(jìn)行自動(dòng)控制，從而模擬標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力途徑下的軸向應(yīng)變與抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律；通過3個(gè)壓力/體積自動(dòng)控制器來調(diào)節(jié)孔隙氣壓和反壓實(shí)現(xiàn)變吸力和變圍壓，從而模擬不同應(yīng)力途徑、低頻循環(huán)和k0試驗(yàn)等不同條件的強(qiáng)度劣化規(guī)律；運(yùn)用GDSLAB軟件，可以在電腦終端上自動(dòng)設(shè)置基質(zhì)吸力條件，全過程自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的軸向應(yīng)變、最大剪應(yīng)力、剪應(yīng)變及偏應(yīng)力等重要參數(shù)，有利于實(shí)驗(yàn)過程的現(xiàn)場(chǎng)分析。

STDTAS-HKUST三軸試驗(yàn)的三軸壓力室可以最大直徑50 mm，高76 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測(cè)試，最大承受的軸向荷載可達(dá)2 000 kPa；該裝置設(shè)有3個(gè)壓力/體積控制器，并分別與電腦終端的控制軟件(GDSLAB)連接，最大加壓可達(dá)到4 MPa；自控控制軟件系統(tǒng)(GDSLAB)可在電腦上設(shè)置飽和固結(jié)、標(biāo)準(zhǔn)三軸、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力途徑及其它應(yīng)力路徑、非飽和土三軸剪切、k0固結(jié)及滲透等多種實(shí)驗(yàn)。為模擬降雨入滲基質(zhì)吸力和不同受荷工況的實(shí)際條件，本文采用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力途徑下的等應(yīng)變速率固結(jié)排水條件三軸剪切試驗(yàn)。

表1 龍南滑坡軟弱夾層粉質(zhì)黏土主要物性指標(biāo)

表2 研究區(qū)粉質(zhì)黏土試驗(yàn)方案

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)先進(jìn)行固結(jié)平衡，按照表2的試驗(yàn)方案施加圍壓，并按照方案變化孔隙氣壓及水壓，使之達(dá)到變基質(zhì)吸力和變圍壓的試驗(yàn)要求。為讓滑帶土在固結(jié)中壓力和孔隙氣壓及時(shí)消散，試樣固結(jié)試驗(yàn)完成時(shí)間設(shè)為72 h。固結(jié)完成后，開始剪切試驗(yàn)，先按照表2的要求嚴(yán)格控制好孔隙氣壓、孔隙水壓、軸壓等參數(shù)，依據(jù)該滑坡降雨入滲滯后時(shí)間較長(zhǎng)、排水路徑較長(zhǎng)、變形速率較慢的實(shí)際，將剪切速率取0.005 mm/min。具體試驗(yàn)方案見表2。

以S-2組為例，該滑帶土基質(zhì)吸力(ua-uw)設(shè)為30 kPa、凈圍壓(σ-ua)分別設(shè)為100 kPa、200 kPa、300 kPa，由于是排水剪，設(shè)置孔隙氣壓ua為0 kPa，孔隙水壓力uw為-30 kPa，通過自動(dòng)控制器和GDSLAB控制軟件分別對(duì)S2-1、S2-2、S2-3土樣施加100 kPa，200 kPa，300 kPa法向應(yīng)力來開展試驗(yàn)。該試驗(yàn)以每?jī)尚r(shí)的變形量≤0.01 mm為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；排水的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為，每?jī)尚r(shí)的排水量不超過0.012 mm3；排水及軸向位移都穩(wěn)定表示固結(jié)完成。其它吸力條件下操作與S-2組相同。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 變圍壓條件的抗剪強(qiáng)度分析

圖1所示為基質(zhì)吸力為定值時(shí)，變軸壓σ1條件下粉質(zhì)黏土的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中圖1a～圖1e是基質(zhì)吸力分別為0 kPa、30 kPa、60 kPa、90 kPa時(shí)在變凈圍壓下(100 kPa、200 kPa、300 kPa)，分別作出的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖1中可以看出，當(dāng)基質(zhì)吸力為定值時(shí)，凈圍壓隨著抗剪強(qiáng)度增加和遞增。從南亨大橋滑坡滑帶土應(yīng)力-應(yīng)變曲線在初始變形階段斜率較大，說明其在剛開始變形時(shí)強(qiáng)度增大較快。當(dāng)剪應(yīng)變超過10%以后，抗剪強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)速度減緩，土體在一定的強(qiáng)度作用下持續(xù)發(fā)生變形。在低基質(zhì)吸力條件，該滑帶土具有蠕變特征，而在高基質(zhì)吸力條件，滑帶土具有一定的硬化特征。

圖1 變圍壓條件下的偏應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線

3.2 變吸力下的抗剪強(qiáng)度

通過GDS三軸剪切試驗(yàn)，比較分析相同圍壓的抗剪強(qiáng)度，驗(yàn)證相同圍壓作用下不同基質(zhì)吸力的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。相同取樣深度、相同飽和度、相同孔隙比的土樣，在其受到相同凈圍壓試驗(yàn)過程中，剪切強(qiáng)度與吸力呈正相關(guān)性，即抗剪強(qiáng)度/偏應(yīng)力(σ1-σ3)隨著基質(zhì)吸力的增大而遞增。

圖2 變吸力條件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2所示，在恒定凈圍壓和變基質(zhì)吸力條件下，滑帶土的抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力呈正相關(guān)。當(dāng)基質(zhì)吸力飽和條件下(Ua=0 kPa)，抗剪強(qiáng)度一般為最低，說明降雨入滲后到滑帶土飽水工況時(shí)，滑帶土強(qiáng)度迅速降低，當(dāng)滑體下滑力超過滑帶土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，斜坡發(fā)生變形破壞。圖2a所示低圍壓(σ-ua=100 kPa)偏應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線，由圖可知在3種不同圍壓時(shí)均表現(xiàn)出加工硬化型，即隨著軸向應(yīng)變?chǔ)臿增加滑帶土的抗剪強(qiáng)度有所增大。表明低圍壓固結(jié)后非飽和滑帶土，無論基質(zhì)吸力如何，其CD剪切強(qiáng)度與飽和滑帶土類似，表現(xiàn)為加工硬化型。在低圍壓條件下，滑帶土應(yīng)力硬化現(xiàn)象較為明顯，且基質(zhì)吸力越小，應(yīng)力硬化越接近直線型[13]。

圖2b及圖2c為高圍壓條件下(σ-ua>100 kPa)，偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近于加工軟化型，關(guān)系曲線前段近似斜直線，后段趨于水平線，表明當(dāng)剪應(yīng)變達(dá)到一定階段后，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，隨之出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。同時(shí)也反映了滑帶土出現(xiàn)塑性變形的剪應(yīng)力隨著吸力的增大而遞增。當(dāng)土體飽和后，曲線在后段甚至有向下彎曲現(xiàn)象，表現(xiàn)為加工軟化型，說明土體在飽和后或接近飽和時(shí)，滑帶土抗剪強(qiáng)度隨著垂直應(yīng)變?chǔ)臿的增長(zhǎng)而減小，即滑面已經(jīng)貫通，抗剪強(qiáng)度隨之減弱。

3.3 Fredlund非飽和土強(qiáng)度理論分析

參照水利行業(yè)的《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)中有關(guān)常規(guī)三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度取值的相關(guān)規(guī)定[14]，若以應(yīng)變?chǔ)拧?5%時(shí)的應(yīng)力差(σ1-σ3)的峰值作為破壞點(diǎn)，選取其作為最大主應(yīng)力σ1max，則可得到如表3所示的三軸試驗(yàn)剪切參數(shù)。

表3 南亨大橋滑帶土三軸試驗(yàn)應(yīng)力參數(shù)(單位：kPa)

根據(jù)圖2及表3中得到的GDS三軸剪切試驗(yàn)的應(yīng)力參數(shù)，把凈法應(yīng)力(σ-ua)作為橫坐標(biāo)，把抗剪強(qiáng)度 作為縱坐標(biāo)，繪制出4種不同基質(zhì)吸力、3種不同凈圍壓作用下的的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線如圖3，通過強(qiáng)度包絡(luò)曲線可以求得各基質(zhì)吸力條件下，滑帶土的總內(nèi)摩擦角φ和總粘聚力c。

圖3 基質(zhì)吸力不同的摩爾庫侖破壞包絡(luò)線

從圖3可以看出，在基質(zhì)吸力為0 kPa、30 kPa、60 kPa和90 kPa時(shí)，其總粘聚力c分別為22.7 kPa、33.4 kPa、43.8 kPa和46.9 kPa，內(nèi)摩擦角φ分別為20.3°、21.3°、22.6°和24.8°。其中，圖3為飽和工況下的破壞包絡(luò)線，包強(qiáng)線的傾角即為飽和有效內(nèi)摩擦角φ′=20.3°，而飽和有效粘聚力就是y軸上的截距，即c′=22.7 kPa。

考慮到非飽和土雙應(yīng)力變量公式(2)，再繪制出凈圍壓(σ-ua)與總粘聚力的關(guān)系曲線(即破壞包絡(luò)線)如圖4擬合曲線。對(duì)該曲線開展擬合分析，其斜率即為tanφb。利用反正切函數(shù)可求得φb=15.5°，因此，得到龍南縣南亨大橋滑坡滑帶土的固結(jié)排水抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

τf=22.7+(σ-ua)tan(20.3°)

+(ua-uw)tan(15.5°)

(3)

圖4 變吸力總粘聚力破壞包絡(luò)線

綜上所述，在不同圍壓條件下，滑帶土的應(yīng)變與應(yīng)力具有正相關(guān)性，抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著圍壓增大而遞增；當(dāng)圍壓較低時(shí)，該滑坡滑帶土的偏應(yīng)力-垂直應(yīng)變關(guān)系曲線表呈加工硬化型，但圍壓增大到一定值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線由穩(wěn)定值型向加工軟化型轉(zhuǎn)變。變吸力條件下，低吸力時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線為加工軟化型，即偏應(yīng)力增加到一定時(shí)間很少增加，但應(yīng)變一直在增大，說明已經(jīng)發(fā)生剪切破壞；高吸力條件下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為穩(wěn)定值型或加工硬化型，說明滑帶土試樣當(dāng)基質(zhì)吸力一定時(shí)，滑帶土受剪切變形過程經(jīng)歷快速剪切變形和緩慢變形兩個(gè)階段。反映三軸試驗(yàn)過程中，土體顆?？紫侗粩D壓，空隙減小，壓力越大，顆粒骨架之間的表面張力起到主導(dǎo)作用，阻止變形的力越大。

4 結(jié)論

本文在采用GDS三軸試驗(yàn)方法，對(duì)非飽和粉質(zhì)黏土在復(fù)雜應(yīng)力條件下的強(qiáng)度特性及理論進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)粉質(zhì)黏土作為龍南南亨大橋滑坡滑帶土在等加載速率和變圍條件下，滑帶土三軸剪切的偏應(yīng)力-垂直應(yīng)變關(guān)系有所不同，在100 kPa作用下粉質(zhì)黏土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型；200 kPa作用下粉質(zhì)黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于穩(wěn)定值型；在300 kPa作用下表現(xiàn)為加工硬化型。

(2)非飽和粉質(zhì)黏土在等加載速率條件和變吸力條件下，在低吸力時(shí)，滑帶土應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為加工軟化型；而在中高吸力時(shí)，表現(xiàn)為由穩(wěn)定值型向加工硬化型轉(zhuǎn)變，表明降雨入滲使滑帶土吸力變化會(huì)對(duì)其抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。

(3)通過Fredlund抗剪強(qiáng)度理論分析表明，該滑帶土基質(zhì)吸力為0 kPa～90 kPa時(shí)，其內(nèi)摩擦角為20.3°～24.8°總粘聚力為22.7 kPa～46.9 kPa。

(4)三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，黏土的強(qiáng)度與吸力基本呈正相關(guān)線性關(guān)系，其基質(zhì)吸力相關(guān)角為φb=15.5°,處于低吸力范圍內(nèi)。