温度对边坡夹层力学性能的影响及破坏机理

(南华大学 核资源工程学院，湖南 衡阳 421001)

1 研究背景

滑坡是仅次于洪水和地震灾害的一种严重的地质灾害。我国山区面积广，每当雨季来临时，滑坡事故频发。由于滑坡规模大、损失严重、社会影响恶劣[1]，其一直是社会和政府部门关注的重点，因此研究边坡的滑坡机理及其预防和控制方法，是国内外专家学者亟需解决的热点和难点[2]。

目前国内外学者在边坡坡体破坏特征、滑坡机理、稳定性分析等方面开展了大量的研究工作，并取得了一系列的重要成果[3-5]，尤其在降雨诱发的滑坡机理研究方面取得了长足的进展[6-8]。这些研究成果对指导边坡工程实践、预防和控制滑坡事故避免造成生命财产损失发挥了不可替代的作用。

红层地区的边坡中存在着大量的软弱夹层或软弱结构面，这类边坡的失稳破坏通常发生在软弱夹层或软弱结构面处[9-11]。因此，夹层的力学性能对边坡的稳定性至关重要，有必要对此开展深入的研究。近年来，国外学者在研究边坡夹层失稳时，提出了摩擦增温是诱发边坡大规模滑坡的关键因素，并对此开展了探索性的研究。Voight等[12]提出滑坡带产生的摩擦增温引起夹层孔隙水压力大幅上升，导致滑坡带土体强度丧失。Cecinato等[13]建立了滑坡的热力耦合模型，分析了摩擦增温导致滑坡带孔隙水压力上升的规律，提出了边坡夹层由于摩擦增温而导致其软化发生滑坡的观点。Jiménez-Pinilla等[14]从微观方面解释了温度对土壤团聚体稳定性的影响。

上述研究成果探索温度对边坡夹层的失稳机理，为边坡稳定性分析提供了新的研究方法。然而，这些研究成果只是集中研究摩擦增温引起的孔隙水压力的变化规律，而对摩擦增温诱发的边坡夹层力学参数的变化规律研究较少，尤其是摩擦增温对边坡夹层力学参数影响的试验研究成果较少。因此，有必要对此问题开展深入的研究，探索其规律，更好地预防和控制边坡夹层滑坡事故。

本文以京珠高速复线衡阳段某红层边坡为原型，根据相似理论，以膨润土和河砂为相似材料，按不同的配合比模拟7种边坡夹层材料。采用改装了加热升温控制系统的应变直剪仪，测试7种配合比的边坡夹层材料在不同含水率和不同温度时的黏聚力和内摩擦角等力学参数及抗剪强度，分析其随含水率和温度变化的特征及其引起的滑坡机理，为科学地预测和控制边坡稳定性提供参考。

2 试验方案

2.1 相似材料

为了研究不同配合比、不同含水率的边坡夹层在加热升温过程中力学参数的变化特征及其规律。以京珠高速复线衡阳段某红层边坡为原型，根据相似理论，并参考和借鉴国内外相关的研究经验和研究成果[15-16]，拟以膨润土和河砂为相似材料，按其配合比分别为1 ∶ 10，1 ∶ 20，1 ∶ 40，1 ∶ 60，1 ∶ 80，1 ∶ 100，1 ∶ 120等配比方式，配制了7种边坡夹层材料，模拟红层边坡不同的夹层材料。根据衡阳地区历年的降雨情况[17]，并参考相关文献资料[18-20]，经过土力学相关理论的计算分析[21-22]，含水率选用10%，13%，15%共3种情况，分别模拟夹层的最小含水率、正常含水率和饱和含水率。

2.2 直剪仪试验装置

根据室内试验条件和试验目的的需要，在原有的DSJ-3型应变直剪仪中，经过改装增加了加热控制系统。该系统由2部分组成：一部分为加热系统，采用加热材料对剪切盒内的试样进行加热，模拟试样在摩擦增温时的温度；另一部分为加热控制系统，通过控制装置对剪切盒内的温度进行实时控制，确保其在试验过程中温度恒定地维持在理想的条件，从而比较精确地达到试样所需的温度。改装后的试验装置如图1所示。

图1 改装后的应变直剪仪Fig.1 Strain direct shear device witha modified heating control system

2.3 试验方案

为了测定不同配合比和不同含水率的夹层试样在不同温度时的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数，建立了含水率为10%，13%，15%、膨润土与河砂配合比为1 ∶ 10，1 ∶ 20，1 ∶ 40，1 ∶ 60，1 ∶ 80，1 ∶ 100，1 ∶ 120共21种试验方案，如表1所示。

表1 夹层试样直剪试验方案Table 1 Schedules of direct shear test oninterlayer samples

直剪试验按《土工试验方法标准》进行，先进行预压各级垂直荷载，在垂直荷载保持恒定的条件下进行匀速剪切，记录剪切位移及剪切应力变化值，直至试件发生剪切破坏。

以13号夹层试样在温度30 ℃时的控温剪切试验为例。此方案膨润土与河砂的配合比为1 ∶ 100，含水率为13%，制作了5个标准的夹层试样，分别施加50，100，200，300，400 kPa的正应力，通过控温装置将试样温度维持在30 ℃，试验控制剪切速率为0.2 mm/min，对试样进行剪切。

试验过程中记录剪切应力及剪切位移的变化,得到剪切应力峰值。通过剔除试验中不具代表性及异常的点，以有效试验点为基础进行整理分析，得到了每级正应力条件下的剪应力。并用最小二乘法线性拟合，将作用在结构面上的正应力与剪应力代入摩尔-库伦准则(式(1))，计算试样摩擦因数tanφ和黏聚力c。

τ=c+tanφ。

(1)

用上述方法对13号方案试样进行直剪试验，得到了每级正应力条件下的抗剪强度，并用最小二乘法线性拟合得到了试样抗剪强度参数c=5.75 kPa，φ=27.91°。

3 试验结果分析

根据上述确定的试验方案，严格按照土力学的试验方法[23-25]，制作标准的夹层试样，其中，每种试验方案在5种不同正应力及7种温度条件下，共制作了735个标准的夹层试样。采用改装了加热升温控制系统的DSJ-3型应变直剪仪，在温度分别为30，35，40，45，50，55，60 ℃时，测试夹层试样在不同正应力下的抗剪强度,并计算出黏聚力和内摩擦角值；按照试验原理，根据摩尔-库伦准则对试验数据进行整理分析，得到了一系列参数关系曲线。

3.1 夹层试样抗剪强度试验结果

对试验数据进行整理分析，发现不同正应力条件下夹层试样抗剪强度对温度响应规律一致，这里不再赘述。选取50 kPa正应力条件下夹层试样测试结果进行分析，得到如图2所示的抗剪强度与温度关系曲线。

图2 夹层试样抗剪强度与温度关系曲线Fig.2 Curves of shear strength of interlayer sampleswith varied moisture content versus temperature

由图2可知：在加热的初始阶段，即30～40 ℃时，试样抗剪强度随温度的升高而急剧降低。如含水率10%、配合比为1 ∶ 20的2号夹层试样，温度为40 ℃时的抗剪强度是温度为30 ℃时的90.69%，减少了3.84 kPa；温度升高至40～50 ℃时，夹层试样的抗剪强度随温度升高而缓慢减小，温度为50 ℃时的抗剪强度是温度为40 ℃时的98.96%，减少了0.39 kPa；温度升高至50～60 ℃时，夹层试样的抗剪强度随温度升高而急剧降低，特别是温度为55～60 ℃时，试样抗剪强度随温度升高而急剧降低的现象最显著，2号夹层试样温度为60 ℃时的抗剪强度比其温度为50 ℃时减少了2.02 kPa。可以看出试样抗剪强度随温度升高先急剧减小而后缓慢减小最后再急剧减小，整体上呈现出“陡-缓-陡”阶梯式降低的变化特征。

温度为30 ℃时，配合比为1 ∶ 40的3号夹层试样的抗剪强度是配合比为1 ∶ 10的1号试样的90.9%，降低了3.85 kPa；配合比为1 ∶ 80的5号夹层试样的抗剪强度是1号试样抗剪强度的86.3%，降低了5.76 kPa；配合比为1 ∶ 120的7号夹层试样的抗剪强度是1号试样抗剪强度的83.2%，降低了7.11 kPa。因此，随着夹层试样中膨润土含量的逐步减少，其抗剪强度显著降低。

从1,2,8,10号试样抗剪强度随温度变化曲线可以看出，对于膨润土含量较高的试样，抗剪强度随温度升高先急剧减小、而后缓慢减小、最后再急剧减小的规律更显著。

综上所述，夹层试样中膨润土含量对其抗剪强度特性有着显著影响。

3.2 夹层试样黏聚力试验结果

整理分析试验数据可得到如图3所示的夹层试样的黏聚力与温度的关系曲线。

图3 夹层试样黏聚力与温度关系曲线Fig.3 Curves of cohesion of interlayer samples withvaried moisture content versus temperature

由图3可知：含水率为10%，配合比为1 ∶ 10和1 ∶ 20的夹层试样，其黏聚力呈现出随温度升高先急剧降低、而后缓慢降低、最后再急剧降低的关系曲线；但随膨润土含量的降低，即配合比为1 ∶ 40至1 ∶ 120的夹层试样，其黏聚力随温度的升高而呈现出平缓下降的斜线状；含水率为13%，配合比为1 ∶ 10至1 ∶ 100的夹层试样，其黏聚力随温度的升高先急剧降低而后缓慢降低，相比含水率为10%的关系曲线在50～60 ℃区域下降更缓和；含水率为15%，7种配合比的夹层试样的黏聚力随温度的升高呈线性下降趋势，但17和18号夹层试样仍具有“陡-缓-陡”阶梯式降低趋势。因此，对于含水率较低及膨润土含量较高的试样，黏聚力随温度升高先急剧降低而后缓慢降低最后再急剧降低的规律比较明显，且随着含水率的升高，关系曲线逐渐趋于平缓，最后呈线性下降趋势，这与试样抗剪强度随温度变化规律一致。分析试验结果发现夹层试样内摩擦角随着温度升高变化较小，即对试样抗剪强度影响不大。

从图3还可以看出：随着夹层试样膨润土含量减少，黏聚力显著下降，这与上述分析中试样膨润土含量对抗剪强度影响规律一致。可见试样膨润土含量对试样黏聚力大小有着显著影响，从而影响试样的抗剪强度，具体表现为随着试样中膨润土含量的减少，试样黏聚力急剧下降，抗剪强度也随之急剧下降。

综上所述，随着温度升高，试样的黏聚力降低，其中含水率较低及膨润土含量较高的试样呈“陡-缓-陡”的阶梯式降低趋势，黏聚力减小导致试样抗剪强度降低，产生弱化现象。

4 试验结果讨论

温度为30～40 ℃时，夹层试样的黏聚力和抗剪强度随温度升高而急剧减小，这与Voight等[12]和Cecinato等[13]的研究成果相同。由此说明，温度上升对边坡夹层的抗剪强度和黏聚力影响较大，其主要原因是，在温度上升过程中，膨润土持水能力降低[26-27]，土中大量结合水转变为自由水，充满更多孔隙空间，夹层试样水合力降低，导致其黏聚力急剧减小，特别是膨润土含量较高的边坡夹层，其黏聚力急剧减小的现象特别明显。由摩尔-库伦准则可知，黏聚力急剧减小将引起其抗剪强度急剧降低，特别是含水率高的夹层，由于其内部土颗粒之间的分子力等微观结构力较小[12]，温度升高土中大量孔隙被自由水充填，从而土颗粒之间结构力进一步减小，因而其黏聚力和抗剪强度急剧减小的现象越明显。

叶为民等[28]从微观角度分析了温度升高对类似试样微观结构的影响，水化使集合体中大孔隙数量明显减少，而温度升高则加速了试样中微结构的变化，这主要是由于温度对钠基膨润土水力性能的影响主要体现在强化了膨润土水化过程中的双电层作用。而双电层作用正是膨润土吸水膨胀的原因，这就导致了层叠体水化剥离现象加剧，使得土粒间相互吸引力降低，黏聚力减小，试样抗剪强度随之降低。

根据文献[7],文献[12]、文献[13]可知：边坡夹层滑坡经历了蠕变、滑移和错动等阶段，且在此过程中产生了摩擦增温的现象。随温度继续升高，夹层内部土颗粒之间的微观结构力随之缓慢消失，将引起夹层内部土颗粒之间产生蠕变，形成摩擦增温的现象，导致夹层蠕变加速，黏聚力继续减小。当温度达到50 ℃以上时，夹层的黏聚力再次出现了急剧减小的现象，剪应力随之急剧降低，当剪应力小于其抗剪强度时，夹层将由稳定状态向不稳定状态演化，出现了滑移状态，此时摩擦增温的现象更明显，滑移更剧烈，最终引发边坡滑坡。因此，在实际工程中，应特别关注边坡夹层的黏聚力和抗剪强度等发生急剧减小的起始点，可将其视为夹层由稳定状态向不稳定状态演化的主要影响因素和评价指标。

5 结 论

(1)根据相似理论，以膨润土和河砂为相似材料，配制了7种配合比的夹层试样，利用改装后的应变直剪仪，测试了不同温度时夹层试样的力学参数。测试结果表明：在温度相同时，夹层试样的黏聚力和抗剪强度随膨润土含量的减少而减小；膨润土含量较高的夹层试样，其黏聚力和抗剪强度呈现出随温度升高先急剧减小，而后缓慢减小、最后再急剧减小的变化规律；膨润土含量较低的夹层试样，其黏聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢减小，呈现出斜线状曲线。

(2)根据衡阳地区历年的降雨情况，采用含水率为10%，13%，15%分别模拟最小含水率、正常含水率和饱和含水率，分析其对夹层试样力学参数的影响。研究结果表明：膨润土含量较高的夹层试样，其黏聚力和抗剪强度随含水率的增加，其关系曲线逐渐趋于平缓，最后呈线性下降趋势；膨润土含量较低的夹层试样，黏聚力和抗剪强度随含水率的增加，其斜线状的斜率逐渐减小。

(3)根据夹层试样的测试结果，并结合边坡滑坡机理，对夹层试样的力学参数进行了综合分析。研究结果表明：黏聚力是影响夹层试样破坏状态的关键因素。在温度升高时，土中结合水转变为自由水，大量孔隙被自由水填充，试样水合力降低，导致其黏聚力急剧减小，特别是膨润土含量和含水率较高的夹层试样，其黏聚力急剧减小的现象特别明显。随着温度的升高，夹层内部土颗粒之间克服微观结构力而将产生滑移，导致其黏聚力再次急剧减小，此时夹层试样将进入破坏的临界状态。因此，将此时黏聚力再次急剧减小的起始点可视为夹层试样破坏的关键点及其评价指标。