牛 兵

（1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，陜西 西安710054）

1 概述

滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，其致災(zāi)后果嚴(yán)重，時常給居民的人身安全及財產(chǎn)造成巨大的威脅和損失，這種致災(zāi)后果與滑坡運動能力相關(guān)，而確定滑坡運動能力的是滑帶土的力學(xué)強度。國內(nèi)外學(xué)者對滑帶土進行了大量的研究,Skempton[1]對粘土物質(zhì)組成的滑坡的穩(wěn)定性進行研究發(fā)現(xiàn)滑帶土在滑動后產(chǎn)生殘余強度的主要原因是由于剪切作用形成了以滑動帶上扁平狀粘土顆粒的定向排列為特征的微觀結(jié)構(gòu)。WenBP[2-3]etal.對滑帶土微觀結(jié)構(gòu)進行深入研究，在一定應(yīng)力歷史條件下土體的粒徑分布和礦物的性質(zhì)對土體的剪切行為有很大的影響，并且黏土礦物和各粒徑的相對比例控制著土體對剪切變形的響應(yīng)。Timothy[4]等人對裂隙性硬粘土滑坡的滑帶土進行了分析，并且采用環(huán)剪試驗、直剪試驗和三軸剪切試驗的方法對粘土、泥巖和頁巖的抗剪強度特性展開研究，結(jié)果表明：完全軟化強度受到有效法向應(yīng)力、粘土礦物的類型和粘粒含量的影響，給出了完全軟化強度與液限、粘粒含量和有效法向應(yīng)力的關(guān)系。周平根[5]認(rèn)為影響滑帶土強度的因素有礦物成分、粒度分布、塑性指數(shù)、黏粒含量等，并建立了各項指標(biāo)與強度參數(shù)的相關(guān)關(guān)系式。諶文武[6]等對舟曲泄流坡滑坡滑帶土在固結(jié)不排水條件下利用分級循環(huán)加載法來研究含水率對滑帶土力學(xué)特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)滑帶土的動彈性模量隨含水率的增大而減小，且減小的速率隨含水率的增大而增大。謝輝輝[7]采用環(huán)剪試驗的方法對千枚碎屑巖滑帶土重塑樣改變法向應(yīng)力和剪切速率的條件下抗剪強度特性進行研究，結(jié)果表明該滑帶土的峰值強度和殘余強度都隨法向應(yīng)力的增大而增大且呈線性關(guān)系，峰值強度隨剪切速率的增大而減小。

陜西省涇陽地區(qū)自1976年由于農(nóng)業(yè)灌溉等原因先后發(fā)生58起滑坡[8]，對于該地區(qū)的滑帶土的力學(xué)特性眾多學(xué)者也進行了大量的研究：龍建輝[9-10]等對黃土滑坡滑帶土的特征進行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)其物理性質(zhì)指標(biāo)，電阻率特性，細觀微觀結(jié)構(gòu)特征有顯著差別；李文[11]等進行不同體積含水率下的反復(fù)剪切試驗研究高速遠程黃土滑坡的復(fù)活，發(fā)現(xiàn)天然含水率較低時，體積含水率的變化對殘余剪切強度的影響遠大于粘粒含量的影響；許領(lǐng)[12]等對涇陽滑坡類型與發(fā)育特征進行研究將該地區(qū)的滑坡分為流滑型和滑動型兩類。其中流滑型滑坡由于其具有體積大、破壞性強、致災(zāi)范圍廣等特點帶來的危害往往大于滑動型滑坡，段釗[13]等對該地區(qū)的典型滑坡通過開挖探槽發(fā)現(xiàn)流動型滑坡的下墊面—階地滑床中粉土（砂）層液化現(xiàn)象十分明顯，而非單一的滑體底部液化（黃土層內(nèi)），這表明該類滑坡的運動機制更為復(fù)雜。

本文基于此以涇陽南塬階地砂質(zhì)粉土為研究對象采用三軸飽和固結(jié)不排水試驗和環(huán)剪試驗的方法來研究該階地砂質(zhì)粉土的抗剪強度特性，討論流滑型滑坡的運動機制，以便為災(zāi)害防治提供一定的理論依據(jù)。

1 試樣物理性質(zhì)

試樣取自涇河下游右岸一級階地，顏色呈灰黃色，較密實，顆粒較細，質(zhì)地均一，土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。采用丹東百特Bettersize2000智能激光粒度儀對土樣的顆粒級配分析測試結(jié)果如圖1所示，不均勻系數(shù) Cu=8.2，曲率系數(shù) Cc=2.3 其中粒徑在 0.075～0.005mm 的顆粒含量為 73.13%，粒徑小于0.005 的顆粒含量為 8.25%。

圖1 試樣顆粒分析曲線

2 試驗設(shè)計及方案

2.1 三軸飽和固結(jié)不排水剪切試驗設(shè)計及方案

本次試驗采用重塑土進行試驗研究，將從現(xiàn)場取回的土料測其最優(yōu)含水率為12%，將土料烘干后敲碎碾壓過2mm篩。將干燥后的土料和蒸餾水配制到最優(yōu)含水率并密封保存48h使水分均勻，按照原狀樣孔隙比0.86來制做重塑樣，計算每層所需的質(zhì)量，將土料分層壓實，保持壓力30min以上，隨后刮毛該層表面，并加入新的土料，直至達到要求，重塑砂質(zhì)粉土試樣尺寸為Φ39.1mm×80mm。試驗儀器采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的SLB-1A型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸蠕變剪切儀。采用二氧化碳通氣及反壓飽和法對試樣進行分步飽和，當(dāng)孔壓增量與圍壓增量的比值（孔壓系數(shù)）大于0.95時認(rèn)為試樣飽和；隨后增加圍壓，分別在 50kPa，100kPa，200kPa，400kPa 的圍壓下進行固結(jié)不排水剪切試驗，剪切速率為0.1mm/min，當(dāng)試樣軸變達到20%時結(jié)束試驗，見表1。

表1 砂質(zhì)粉土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 環(huán)剪試驗設(shè)計及方案

環(huán)剪試驗采用美國GTCS公司生產(chǎn)的SRS－150型環(huán)剪試驗儀，該儀器通過將矩施加在圓環(huán)狀土樣上，使試樣發(fā)生剪切變形與破壞，以此來測定土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與殘余強度。試驗所用環(huán)形試樣尺寸為:外環(huán)直徑150mm，內(nèi)環(huán)直徑100mm，有效試樣面積98cm2，試樣高度25mm。將風(fēng)干后過2mm篩的試驗土樣分層裝入剪切盒并壓實，控制每次裝入土樣的質(zhì)量相同。試驗采用浸水飽和法，將通過計算使試樣達到飽和所需的一定量的水分批均勻的滴入剪切盒內(nèi)，完成后將試樣密封，使其充分飽和48h。試樣固結(jié)時間為24h，在法向應(yīng)力100kPa、200kPa、300kPa下分別進行剪切速率為 130mm/min、260mm/min、390mm/min (120°/min、240°/min、360°/min)的環(huán)剪試驗。

3 三軸試驗與結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

圖2為不同圍壓下剪應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線圖，由圖可見：在不同圍壓條件下，試樣曲線均表現(xiàn)出較強的應(yīng)變軟化特征，剪切開始后，隨著應(yīng)變的增加土體的剪應(yīng)力迅速增大，并很快到達峰值強度，然后隨著應(yīng)變的增加，剪應(yīng)力又逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定值。隨著圍壓的增加峰值強度和殘余強度也增加，且峰值強度和殘余強度的差值“峰殘差”也越大。

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3.2 孔隙水壓力特征

圖3為剪切過程中孔隙水壓力與應(yīng)變的關(guān)系曲線，由圖可見：孔壓受到圍壓的影響，隨著圍壓的增加，孔壓也逐漸增大；在剪切剛開始階段，孔壓隨著應(yīng)變的增加而迅速增加，而隨著應(yīng)變的增加，孔壓增速逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定值。圍壓越大孔壓在達到穩(wěn)定前的增速也越大。

圖3 孔壓—應(yīng)變曲線

圖4孔壓—剪應(yīng)力關(guān)系曲線表現(xiàn)出與孔壓—應(yīng)變曲線相對應(yīng)的特征，在偏應(yīng)力較小時，孔隙水壓力較小，曲線相對較緩；隨著偏應(yīng)力的增大，孔壓逐漸增加，當(dāng)出現(xiàn)拐點時孔壓迅速增加；當(dāng)剪應(yīng)力達到峰值強度時，孔壓仍然在增加，但增長速度變慢，曲線變緩，最后孔壓趨于穩(wěn)定。對于曲線中出現(xiàn)的拐點認(rèn)為是土體的臨界應(yīng)力點和土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk有關(guān)。可結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線給出合理解釋:當(dāng)有效應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)屈服力時，土體結(jié)構(gòu)較為完整，大部分的壓力都由土體結(jié)構(gòu)骨架承擔(dān)，僅小部分壓力由孔隙水承擔(dān)，因此孔壓增長較緩；當(dāng)有效應(yīng)力不斷增加并接近于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，此時土體結(jié)構(gòu)開始大量出現(xiàn)破壞，結(jié)構(gòu)承受壓力的能力急劇損失從而將大部分的壓力轉(zhuǎn)移到孔隙水上，從而使孔壓迅速上升，有效應(yīng)力迅速降低；土體嚴(yán)重破壞后，土體的變形主要是由顆粒間的滑移引起，此時孔隙水壓力增長緩慢，基本維持穩(wěn)定。

圖4 孔壓—剪應(yīng)力曲線

圖5為孔壓比與應(yīng)變的關(guān)系曲線由圖可知，在不排水條件下，軸向應(yīng)變很小時不同圍壓的孔壓比均出現(xiàn)快速增長，當(dāng)軸向應(yīng)變達到2%時，此時50kPa，100kPa，200kPa，400kPa 的 孔 壓 比 分 別 為0.96,、0.92、0.87、0.80，說明在 CU01-CU04 均出現(xiàn)了嚴(yán)重的液化，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是試樣在剪切的過程中圍壓保持不變但孔隙水壓力逐漸增大導(dǎo)致砂質(zhì)粉土有效應(yīng)力和強度都基本降為零，并且土體液化勢隨著圍壓的增加。

圖5 孔壓比-應(yīng)變曲線

3.3 穩(wěn)定狀態(tài)

按照Poulos[14]提出的穩(wěn)定狀態(tài)模型，因為是在同一孔隙比下進行試驗的，因此連接不同圍壓下的穩(wěn)定點即可得到穩(wěn)定狀態(tài)線（SSL）,其在 q’—p’平面內(nèi)近似的可以用以下線性公式來表示。

式中 q’ss為穩(wěn)定狀態(tài)時的偏應(yīng)力，p’ss為穩(wěn)定時的平均有效主應(yīng)力，M為穩(wěn)定狀態(tài)線在q’ss—p’ss平面內(nèi)的斜率。通過對砂質(zhì)粉土三軸固結(jié)不排水試驗所得數(shù)據(jù)整理后得到飽和砂質(zhì)粉土的穩(wěn)定狀態(tài)線（如圖6所示），通過最佳擬合得到M=1.246，飽和砂質(zhì)粉土的穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角由sinΦ=3M/(6+M)得到Φ=31.06°。

圖6 飽和砂質(zhì)粉土穩(wěn)定狀態(tài)曲線

3.4 強度參數(shù)特征

對不同圍壓下的剪切莫爾圓的公切線進行了擬合，得到的飽和狀態(tài)下砂質(zhì)粉土的抗剪強度參數(shù)見表2。

表2 飽和砂質(zhì)粉土抗剪強度指標(biāo)

4 環(huán)剪試驗與結(jié)果分析

4.1 不同剪切速率下土體剪切力學(xué)性質(zhì)

由圖7發(fā)現(xiàn)，飽和砂質(zhì)粉土在控制法向應(yīng)力條件下，改變剪切速率進行固結(jié)不排水剪切試驗時，峰值強度和殘余強度都隨著剪切速率的增大而減小。對于飽和粉土，剪切速率越慢土體內(nèi)部孔隙水越容易運移，進而可以降低剪切面處孔隙水含量導(dǎo)致有效應(yīng)力增加，從而使土體的殘余強度隨剪切速率的增加而減小。不同的剪切速率下環(huán)剪曲線均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征，在有限位移條件下，殘余強度不顯著。出現(xiàn)這樣的原因主要是土體的整個剪切過程中，剪應(yīng)力有足夠的時間來進行調(diào)整從而均勻分布，剪切面沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中，土體的粘聚力和剪脹力得到了充分的發(fā)揮。當(dāng)剪切速率較快時，土體顆粒在產(chǎn)生滑移的同時，還形成旋轉(zhuǎn)、滾動等其它的運動形式，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，土顆粒形成定向排列，凝聚力和剪脹力消失，土體抗剪強度僅由摩擦力承擔(dān)，結(jié)構(gòu)強度無法恢復(fù)，因此在剪切過程中需要更多的形變調(diào)整以達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 不同剪切速率下剪切力—剪切位移曲線

4.2 不同法向應(yīng)力下土體剪切力學(xué)性質(zhì)

在控制剪切速率條件下，所繪制的剪應(yīng)力—剪切位移的關(guān)系曲線（如圖8所示）表明，法向應(yīng)力對曲線的形態(tài)沒有很大的影響，飽和砂質(zhì)粉土峰值強度和殘余強度均隨著法向應(yīng)力的增加而增加，呈明顯的線性關(guān)系，擬合峰值強度與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線R2（R為相關(guān)系數(shù)）達到了0.970以上，說明在同一級的剪切速率下，飽和粉土的抗剪強度參數(shù)（粘聚力和內(nèi)摩擦角）與法向應(yīng)力無關(guān)。

圖8 不同法向應(yīng)力下剪應(yīng)力—剪切位移曲線

5 結(jié)論

本文通過對涇陽南塬階地砂質(zhì)粉土飽和重塑樣進行不同圍壓的室內(nèi)三軸試驗和不同法向應(yīng)力、不同剪切速率的環(huán)剪試驗得到如下結(jié)論：

1）三軸固結(jié)不排水剪切試驗研究表明：在不同圍壓下，土體的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系都呈現(xiàn)出強烈的應(yīng)變軟化，孔壓比—應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出嚴(yán)重的液化現(xiàn)象且土體的液化勢隨著試驗圍壓的增加而減小，并且得出飽和砂質(zhì)粉土的穩(wěn)定狀態(tài)參數(shù)與強度參數(shù)特征。

2）環(huán)剪試驗研究表明：當(dāng)剪切速率條件相同時，不同法向應(yīng)力下剪應(yīng)力都在同一剪切位移處達到峰值強度，且峰值強度和殘余強度均隨法向應(yīng)力的增加而增加，但飽和砂土的抗剪強度參數(shù)（粘聚力和內(nèi)摩擦角）與法向應(yīng)力無關(guān)；當(dāng)法向應(yīng)力條件相同時，在不同的剪切速率下環(huán)剪曲線中的峰值強度和殘余強度均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征。

3)人工灌溉導(dǎo)致地下水位上升，位于下墊層的砂質(zhì)粉土飽和后隨著孔隙水壓力的增加出現(xiàn)嚴(yán)重的液化現(xiàn)象導(dǎo)致土體有效應(yīng)力急劇減小從而使土體力學(xué)強度降低發(fā)生剪切破壞，土體沿著下墊層發(fā)生滑動形成高速遠程滑坡。