滑带土强度参数的水致弱化规律试验研究

董金玉, 郑珠光, 赵志强, 杨继红

(华北水利水电大学 资源与环境学院,河南 郑州 450045)

滑带土强度参数的水致弱化规律试验研究

董金玉, 郑珠光, 赵志强, 杨继红

(华北水利水电大学 资源与环境学院,河南 郑州 450045)

滑带土的强度特性直接关系到滑坡体的稳定性，在影响滑带土强度特性的众多因素中，水的作用至关重要，且水对不同种类滑带土强度特性的影响程度不同。粉土和粉质黏土属于两种常见的滑带土类型，笔者选取三峡的粉土滑带土和栾川的粉质黏土滑带土，进行了不同含水率下的室内直接剪切试验，旨在对比研究此两种滑带土的水致弱化规律。试验结果表明:在含水率增大的过程中，三峡粉土滑带土的黏聚力先增大后减小，在液限附近存在一个极大值，栾川粉质黏土滑带土的黏聚力则呈对数形式递减；随着含水率的增大，三峡粉土滑带土和栾川粉质黏土滑带土的内摩擦角均呈线性降低，三峡粉土滑带土内摩擦角降低的速率小于栾川粉质黏土滑带土。

滑带土;含水率;直接剪切试验;黏聚力;内摩擦角

滑带是滑坡的一个重要结构要素,滑带土则是滑坡滑动过程中形成的特殊岩土体[1]。研究滑带土的力学强度特性对预测滑坡体的变形情况及再次滑动具有重要意义。影响滑带土强度特性的因素很多，李维树等[2]对三峡库区滑带土抗剪强度参数进行了研究，认为滑带土的地质代表性、试样尺寸、试验数量、应力大小、含水率及剪切面形态均为影响滑带土力学特性的重要因素。在这些因素中水的影响尤为突出，大部分滑带土都具有水致弱化规律，其强度特性对水十分敏感。陈小龙等[3]研究了三峡某黄土滑坡滑带土力学特性随含水率的变化规律，结果显示，滑带土的黏聚力及内摩擦角均随含水率增大近似呈线性减小，且内摩擦角降低的线性规律更明显。林峰等[4]采用各种直剪试验方法研究了泥加碎石滑带土重塑样强度随含水率的变化规律,结果表明此滑带土内摩擦角随含水率的增加变化不大，而黏聚力随含水率的增加呈现先增大后减小的变化规律。李险锋[5]对4组不同含水率的千枚岩碎屑土滑带土样进行了剪切试验，认为随着含水率的增大，滑带土黏聚力和内摩擦角均减小，但敏感性有所不同。帅常娥等[6]对碎石混合滑带土进行了不同黏粒含量及不同含水率的多组直剪试验，结果显示，土体含水率以塑限为临界点，矿物含量对黏聚力表现出两种不同的影响规律。

滑带土强度特性随含水率增减的变化规律对研究滑坡体的稳定具有重要的指导意义，但目前关于水对滑带土强度特性影响的研究多见于黄土、黏土、碎屑土和碎石土等类型的土体，而对滑动带上粉土及粉质黏土强度参数的水致弱化规律研究较少。

滑带土由于物质成分复杂，其强度特性受含水率影响不同。笔者选取典型的两种滑带土：三峡粉土滑带土和洛阳栾川粉质黏土滑带土，对比研究两种滑带土原状土样在不同轴压下的抗剪强度特性，分析了两种滑带土的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角在不同含水率条件下的变化规律。

1 滑带土的物理力学特性

三峡库区某滑坡体为第四系松散堆积层，厚度10～30 m，滑床为紫红色粉砂岩及泥岩或灰黄色泥灰岩，滑带厚度40 cm，室内液、塑限试验测得滑带土液限为24.9%，塑限为18.0%，塑性指数为6.8，定名为粉土。栾川某降雨滑坡体为残坡积土，基岩地层主要为土黄色泥岩，灰褐色、灰黑色、灰黄色互层泥岩，炭质泥岩软弱夹层等，滑带土经室内试验测得液限为34.2%，塑限为22.7%，塑性指数为11.5，定名为粉质黏土。

两种滑带土颗粒级配情况见表1及如图1所示。由级配曲线可知：三峡滑带土和栾川滑带土的限制粒径d60分别为0.89、0.50 mm，d30分别为0.37、0.18 mm，有效粒径d10分别为0.12、0.06 mm，不均匀系数Cu分别为7.42、8.62，曲率系数Cc分别为1.28、1.12。由于两种土的不均匀系数均大于5，曲率系数在1～3范围，说明土体颗粒不均匀，级配良好。此外，对比两种滑带土的不均匀系数可知，三峡滑带土颗粒相对于栾川滑带土颗粒组成更均匀；对比颗粒粒径通过率可知，三峡滑带土的颗粒粒径总体上大于栾川滑带土的颗粒粒径。

表1 滑带土样筛分数据统计

图1 滑带土颗粒级配曲线

2 试验方案

在滑带土不同含水率室内直接剪切试验中，三峡粉土滑带土的控制含水率分别为11.00%(天然含水率)、16.30%、18.00%(2 mm塑限含水率)、20.18%、25.00%(10 mm液限含水率)、35.62%(饱和含水率)；栾川粉质黏土滑带土控制含水率分别为11.00%、14.00%、16.90%(最优含水率)、20.00%、23.00%、24.46%(天然含水率)、29.70%(饱和含水率)。同时，为了保证试验过程中水土混合均匀和防止水分流失而导致含水率变化，在制备好试样后，将其用塑料薄膜包裹起来放入保湿缸保存24 h后，再取出进行直剪试验。试验在反复剪试验仪RSI ShearTrac-Ⅱ上进行。此仪器的优点是可精确控制剪切速率并且可以完整地采集试验数据。

3 试验结果及分析

3.1 剪应力-位移曲线

三峡粉土滑带土和栾川粉质黏土滑带土天然含水率下的剪应力-位移曲线如图2所示。由图可知：两种滑带土的剪应力随剪切位移的增大而不断增大，在剪切过程中未出现峰值，表现出应变硬化特征。在轴压较小，如100、200 kPa时，三峡粉土滑带土剪切开始时剪应力增长迅速，随着剪切的进行，剪应力增长速率不断下降；栾川粉质黏土滑带土后期剪切曲线近似呈斜直线，说明剪应力增长速率基本不变。这是因为随着剪切的进行，土样内部颗粒之间发生相对错动，原先的结构逐渐破坏，这种破坏是不可逆的，试样破坏后剪应力克服的是滑带土的残余强度。在轴压较高，如300 kPa时，三峡粉土滑带土的剪切应力随着剪切的进行持续增长，应变硬化现象明显，说明土样内部颗粒结构发生相对错动后，在较高的轴压下发生咬合形成新的抗剪强度；栾川粉质黏土滑带土在300 kPa轴压下剪应力没有出现类似的增长速率，主要是因为其颗粒较小、含水率高、咬合力弱，结构破坏后短时间内难以形成新的抗剪强度。

图2 滑带土剪应力-剪切位移关系曲线

3.2 滑带土强度参数变化规律

三峡粉土滑带土和栾川粉质黏土滑带土在不同含水率下的强度及参数见表2及表3，进一步可拟合得出含水率与强度参数(黏聚力、内摩擦角)之间的关系，如图3和图4所示。

表2 不同含水率下三峡滑带土的黏聚力和内摩擦角

表3 不同含水率下栾川滑带土的黏聚力和内摩擦角

图3 滑带土黏聚力与含水率关系曲线

图4 滑带土内摩擦角与含水率关系曲线

由图3可以得到以下结论：

1)三峡粉土滑带土和栾川粉质黏土滑带土的黏聚力随含水率的增加呈非线性变化规律。

2)三峡粉土滑带土的黏聚力随含水率的增大，呈先增大后减小的趋势，且黏聚力存在极大值，此极大值对应的含水率约为25%，与其液限24.9%极为接近。从微观角度来分析，土体中的水分为强结合水、弱结合水和自由水，液限是土体中弱结合水含量最大并且有一定量的自由水的含水率[7]。在土体含水率介于塑限和液限之间时，含水率的增大主要是由于土颗粒间弱结合水的增多，而当其超过液限后，含水率的增大会导致颗粒间游离的自由水含量明显增大，从而导致分子间结合力的急剧减小，宏观上则表现为黏聚力的明显降低。

3)栾川粉质黏土滑带土随着含水率的增大，黏聚力呈对数形式迅速减小,表现为明显的水致弱化规律，但整体黏聚力大于三峡滑带土。这是由于栾川滑带土属于粉质黏土，而粉质黏土中含有较多的细微黏性颗粒。在一定体积内细粒含量越多，表面上产生的电化学力越能吸附水分子和离子，颗粒之间产生的黏滞阻力(凝聚力)也就越大[8]。

由图4可以看出：三峡粉土滑带土和栾川粉质黏土滑带土的内摩擦角均随含水率的增大而近于线性减小。这是由于含水率的增大导致颗粒间的弱结合水和自由水含量升高，颗粒间隙被水分子填充，本来相互咬合摩擦的颗粒被较厚的水膜包裹，导致了摩擦系数的减小，降低了颗粒间的摩阻力，从而造成了内摩擦角随含水率增大而减小的现象。两种滑带土内摩擦角随含水率增大而减小的速率不同，栾川滑带土属于粉质黏土，细微黏性颗粒含量较高，这些黏性颗粒具有亲水性，在含水率增大的过程中能较快吸收水分子形成较厚的水膜覆盖在颗粒表面，所以其内摩擦角的减小速率要大于三峡粉土滑带土。相同含水率下三峡滑带土的内摩擦角总是大于栾川滑带土的内摩擦角，这是颗粒组成和级配的差异造成的。

4 结 语

1)三峡粉土滑带土和栾川粉质黏土滑带土的剪应力随剪切位移的增大而不断增大，在剪切过程中均未出现峰值，表现出应变硬化特征。在轴压较高时，三峡粉土滑带土应变硬化现象显著，栾川滑带土应变硬化不很显著。

2)随着含水率的增大，三峡粉土滑带土的黏聚力先增大后减小，在液限附近存在一个极大值，栾川粉质黏土滑带土的黏聚力则呈对数形式递减；三峡粉土滑带土和栾川粉质黏土滑带土的内摩擦角均随含水率的增大呈线性降低，三峡粉土滑带土内摩擦角降低的速率小于栾川粉质黏土滑带土。

[1]黄志全，李小慧，孙怡,等.魏家沟滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验研究[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2015,36(1):47-50.

[2]李维树，邬爱清，丁秀丽.三峡库区滑带土抗剪强度参数的影响因素研究[J].岩土力学，2006，27(1):56-60.

[3]陈小龙，丁建锋，简文星.含水率对滑带土强度参数的影响[J].煤田地质与勘探，2015,43(1):58-61.

[4]林锋,丁秀美,杨松.滑带土强度对水的敏感性直剪试验研究[C]∥中国岩石力学与工程学会.第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集.北京：科学出版社，2004.

[5]李险峰.含水率对滑带土力学特性的影响研究[J].四川理工学院学报(自然科学版)，2012,25(1):83-85.

[6]帅常娥,石成,彭鹏.滑带土中粘粒含量及含水量的变化对其强度影响的试验研究[J].勘察科学技术,2012(5):1-5，15.

[7]郭进京，王芳，赵光鹏.软土的含水率与界限含水量意义的讨论[J].岩土工程技术，2009,23(1):26-29.

[8]刘弘,王大放,杨陆,等.粘性土的含水率对其力学性质的影响[J].东北水利水电，2006,24(11):55-56.

(责任编辑：乔翠平)

Experimental Study on the Decrease Regularity of the Strength Parameters of Slip Soil Because of the Influence of Moisture

DONG Jinyu, ZHENG Zhuguang, ZHAO Zhiqiang, YANG Jihong

(School of Resources and Environment, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

The strength characteristic of slip soil is directly related to the stability of the landslide, and the moisture plays a very important role among the numerous influence factors.The moisture has different effects on the strength characteristics of different kinds of slip soils. Silt and silty clay are two kinds of common slip soils.Aimed at comparing the decrease regularity of the two slip soils because of the influence of moisture, we carried out the direct shear experiments to the silt slip soil from the Three Gorges and the silty clay slip soil from Luanchuan with different moisture contents in the laboratory. The experimental results show:with the increase of moisture content, the cohesive strength of the silt from the Three Gorges increases first and then decreases, and there is a maximum value near the liquid limit, while that of the silty clay from Luanchuan decreases in a logarithm; with the increase of the moisture content, the internal friction angles of the silt from the Three Gorges and the silty clay from Luanchuan linearly decrease, and the friction angle of the silt from the Three Gorges decrease more slowly than that of silty clay from Luanchuan.

slip soil; moisture content; direct shear test; cohesive strength; internal friction angle

2016-01-16

国家自然科学基金青年基金资助项目(41102203);河南省科技创新人才计划;水利部公益性行业科研专项经费项目(201301034);盾构及掘进技术国家重点实验室开放课题(2013-07);华北水利水电大学青年科技创新人才支持计划项目。

董金玉(1977—),男,河南省济源人，副教授,博士,主要从事地质工程方面的研究。E-mail:dongjinyu@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.02.015

TV16;TU411

A

1002-5634(2016)02-0083-04