饱和粉质黏土残余强度剪切速率效应试验研究

谢 强 张国栋 胡学文 鲁剑楠

(1.三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；3.三峡大学 湖北省地质灾害防治工程技术研究中心，湖北 宜昌 443002；4.宜昌市夷陵区公路管理局，湖北 宜昌 443100)

残余抗剪强度是滑坡稳定性评价的关键参数，主要通过试验测试和反分析方法获得，残余强度的试验方法也有多种，目前，环剪试验已成为测试土体残余强度重要手段之一[1-2].影响土体残余强度的因素较多，很多学者在这方面已做了较为系统的评述[3-5].在土的基本物理指标确定的情况下，正应力水平和剪切速率成为控制土体残余强度的关键因素，土体抗剪强度存在剪切速率效应，不同类型土体表现出不同的剪切速率效应[6-8]，而且受到法向应力的影响.在已取得的试验研究成果中，正应力水平大都在100～400kPa之间，对于低法向应力(有效应力小于100kPa)水平下土体残余强度的试验研究成果较少，试验成果的完备性不够.另外，在已提出的残余强度经验关系式中很少同时考虑正应力和剪切速率的影响.

基于以上分析，本文拓展法向应力的作用范围，主要是拓展低法向应力作用范围，在此基础上研究剪切速率对土体残余强度的影响，并提出同时考虑正应力和剪切速率影响的土体残余强度经验关系式和通用表达式.

1 试样制备和试验方案

1.1 试样制备

试验所用土样为三峡库区某滑坡的滑带土，经风干后过2mm 筛，取400g制作重塑粉质黏土试样，试验用土粒组百分含量和基本物理性质指标见表1，将试样均匀地装入内径为94.5mm、外径为150.3mm的环形剪切盒内，剪切盒底部和顶部均放有一层滤纸.为了减小剪切盒壁摩擦，在环形剪切盒内壁均匀涂抹凡士林.根据土工试验规程(SL237-1999)真空饱和法将试样饱和.

表1 试验用土粒组百分含量和基本物理性质指标

1.2 试验方法

采用美国GCTS公司生产的SRS-150型非饱和土动态环剪仪作为试验研究手段，试验分组及结果见表2.在法向应力25～300kPa作用范围内开展剪切速率为0.05、0.1、0.5、1、5、10mm/min的单级剪试验共21组.试验分为固结和剪切两个阶段，首先在一定法向应力条件下排水固结24h直到试样法向位移稳定为止，再以一定剪切速率进行排水剪切试验，直至土体达到残余强度.

表2 试验分组及残余强度 (单位：kPa)

2 试验结果与分析

2.1 不同法向应力条件下残余强度随剪切速率的变化分析

图1为不同法向应力条件下残余强度-剪切速率的关系曲线，可见残余强度与剪切速率之间呈良好的对数关系.残余强度-剪切速率变化率即残余强度-剪切速率关系曲线的切线斜率，可表征残余强度对剪切速率的敏感程度，将图1中相应拟合公式的导数值取负的自然对数值，其与剪切速率的关系曲线如图2所示.

图1 不同法向应力条件下残余强度-剪切速率关系曲线

图2 残余强度变化率的负对数-剪切速率关系曲线

图1、图2表明，在同一法向应力条件下，残余强度均随剪切速率的增大而非线性减小，表现出明显的负速率效应，尤其在较低剪切速率(＜1mm/min)时，残余强度随剪切速率增大而降低的趋势很明显，残余强度-剪切速率变化率的负自然对数值在较低剪切速率时也更大，说明残余强度对较低剪切速率更加敏感，而当剪切速率大于1mm/min时，残余强度趋于稳定，对剪切速率相对不再敏感，这与缪海波等[9-10]的研究成果较为一致，表明滑带土的残余强度在较小的剪切速率范围内具有较明显的剪切速率效应，当剪切速率超过1mm/min时，残余强度趋于恒定.另外，试验用土为较高塑性的粉质黏土，低剪切速率时高塑性土的剪切速率效应更加显著[11].

从图1、图2还可看出，残余强度随剪切速率增加而降低的幅度在较高法向应力(＞100kPa)时更大，同一剪切速率下残余强度-剪切速率变化率的负自然对数值在较高法向应力时也更大，说明较高法向应力(＞100kPa)时负速率效应更显著，较低法向应力(＜100kPa)时负速率效应不显著，法向应力是影响速率效应的一个重要因素.

针对土体剪切负速率效应，一方面，剪切速率主要是通过影响剪切带周围的孔隙水来影响土体抗剪强度，剪切速率越大，剪切面附近扰动越剧烈，局部剪切带迅速形成并不断发展，孔隙水未能及时排出，从而产生超孔隙水压力，导致剪切带有效应力减小，而且汇聚到剪切带的水起到润滑作用，土颗粒间相互作用力减弱，所以土体强度降低[12-16].另一方面，剪切速率对土颗粒重排列有重要影响，剪切速率较小时，土颗粒相对充分地接触，沿剪切方向定向重排，细颗粒填充土骨架孔隙使土体更加密实，颗粒间可充分建立摩擦，所以土体强度较高.

试验结束后将土样取出掰断观察，可清晰地看到剪切带所在位置，如图3所示.

图3 试样断面

2.2 残余抗剪强度的数理表达

由图1可见，残余强度与剪切速率成对数相关，可统一用表达式(1)表示残余强度的负速率效应：

式中，τr为 残 余 强 度(kPa)；V为 剪 切 速 率(mm/min)；K、b是 与 法 向 应 力 相 关 的 系 数.系 数K、b与法向应力的关系曲线如图4所示，系数K、b与法向应力呈现良好的线性关系，即

式中，N为法向应力(kPa).

图4 系数K、b 与法向应力关系曲线

结合式(1)～(3)，可以得到同时考虑法向应力和剪切速率的正常固结条件下重塑饱和粉质黏土残余强度速率效应的拟合公式为

基于上述分析，土体残余强度可采用通用表达式(5)表示

其中f1(N)、f2(N)是关于法向应力N的一次函数，f1(N)可定义为速率效应系数[17]，具有一定物理意义.

3 结 论

基于饱和粉质黏土的环剪试验研究成果，主要结论如下：

1)在各法向应力条件下，残余强度均随剪切速率的增大而减小且两者呈非线性关系，表现出明显的负速率效应；同一法向应力条件下，低剪切速率(＜1 mm/min)时残余强度随剪切速率增大而降低的非线性趋势很明显，较高剪切速率(＞1mm/min)时残余强度趋于稳定，对剪切速率相对不再敏感；同一剪切速率条件下，较高法向应力(＞100kPa)时条件下，剪切负率效应显著，较低法向应力(＜100kPa)时剪切负率效应相对不显著.

2)残余强度与剪切速率呈良好的对数关系，可拟合出同时考虑法向应力和剪切速率的正常固结条件下重塑饱和粉质黏土残余强度速率效应的经验公式及通用表达式.