考虑剩余剪应力的滑带土强度再生试验

王 辉，高东源，吴 博

(1.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000；2.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710064)

0 引言

滑带土是滑坡孕育的结果，其强度是滑坡稳定性的决定因素。周永昆等[1]运用正交设计研究夹层土的厚度、含水率等对滑带土强度参数内摩擦角和黏聚力的影响。发现滑带土强度参数主要受夹层土含水率的影响较大，夹层土的厚度对强度参数的影响相对较小。SKEMPTON A W等[2]认为滑带土的强度受历史环境影响，随滑坡演化阶段不同而不同。任光明等[3-4]认为滑坡发生时，滑带土强度劣化为残余强度，滑坡发生后，势能得到不同程度的释放，形成稳定斜坡或临界稳定斜坡。滑带土在上覆滑体重力作用下，土粒将沿滑面相互渗透、粘结和嵌合，发生强度再生效应，残余强度是一种瞬时效应。GIBO等[5]报导了高粉粒、砂粒含量滑带土的再生强度与有效法向应力的关系，认为有效法向应力小于100 kPa时强度的恢复较为明显，法向应力越低强度恢复速度越快。刘梦琴等[6]研究了三峡库区某滑坡滑带土的慢剪、渐进剪、反复剪以及固结反复剪强度，得出了与GIBO一致的结论。陈传胜等[7]提出基于不同有效垂直应力采用相应的残余强度和再生强度参数的取值方法，田斌等[8]认为应考虑不同的滑体厚度等因素对滑带土残余强度与再生强度的适用性进行合理分配。由此可见，滑坡停止滑动后滑带土即开始强度再生成为一些学者的共识。

但滑坡发生后，除超稳性滑坡外[9]，滑带土剪应力并未完全消失，称之为剩余剪应力τ。滑带土强度再生过程实际上受上覆滑体压应力σ和剩余剪应力τ的共同作用，但目前相关研究均未考虑滑带土强度再生的剩余剪应力影响因素，这显然与滑带土强度再生过程的环境不一致。本文对延安市丁家沟滑坡为例，对滑带土重塑样进行反复直剪试验和强度再生试验，探索考虑上覆滑体压应力σ、剩余剪应力和再生时间三因素的滑带土强度再生规律，为正确评价坡体稳定性提供参考。

1 研究对象

丁家沟滑坡位于延安市丁家沟沟口黄土梁与沟谷过渡的斜坡带上，滑坡长约180 m，宽约350 m，高差约70 m，滑体平均厚度约15～35 m，体积约1.05×106m3，中前部滑带发育于第四系黄土与侏罗系延安组砂质泥岩接触面，属大型黄土-泥岩接触面老滑坡，其典型剖面形态见图1。

2 滑带土直剪试验

2.1 试验方法

试验用滑带土采集于滑坡前缘，室内按照与滑带土天然密度和含水率相等的原则制备平行试样，按《土工试验方法标准(GB/T50123—1999)》[10]进行反复直剪试验，测得其慢剪强度[τ]和残余强度τr，滑带土的物理力学参数见表1。

表1 滑带土基本物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical properties of slip zone soil

在改装的直剪仪(图2，加装保湿玻璃罩和提供恒定剪力的配重、滑轮、拉绳)上，对反复直剪后的试样分组同时施加恒定的正应力σ和剪应力τ，让试样在正应力σ和剪应力τ的共同作用下强度再生。考虑滑带土的埋深，正应力σ分500 kPa、600 kPa和700 kPa三组，分别记作σ500组、σ600组和σ700组。3个正应力分组，每组各7个试样，分别按该正应力水平时滑带土残余强度τr的0%、15%、30%、45%、55%、70%和85%对试件施加剩余剪应力τ，定义τ/τr为剩余剪应力比PRSS。测得不同正应力分组、不同PRSS的试样历经30 d、60 d、90 d、120 d和150 d强度再生后的抗剪强度τR。并定义τR为再生强度，(τR-τr)/([τ]-τr)为强度再生比m。

图2 改装的直剪仪Fig.2 A modified direct shear test apparatus

2.2 试验结果与分析

图3 不同正应力分组时间-再生强度关系曲线Fig.3 Time-regenerated strength curves under different normal stresses

不同正应力σ、不同PRSS的试样再生强度τR随时间的变化规律见图3。从图3可以看出：

(1)经历反复直剪后处于残余强度状态的试样在任意正应力σ和任意剪应力τ的共同作用下，经历一段时间后再生强度τR均大于初始阶段的残余强度τr，说明处于残余强度状态的滑带土在上覆滑体压力作用下强度再生是普遍规律。

(2)PRSS≤55%时，在第0～90 d滑带土再生强度τR随时间呈近线性增加，且同一正应力分组不同PRSS的滑带土强度再生曲线几乎一致，90 d以后再生强度τR几乎不再变化；PRSS=70%时，强度再生的幅度明显降低，PRSS=85%时，强度再生的幅度更低，几乎可以忽略不计。说明较高的剩余剪应力百分比PRSS妨碍滑带土强度再生，滑带土强度有效再生的界限PRSS在55%到70%之间。

不同正应力σ、不同PRSS的试样再生强度比m随时间的变化规律见图4。

图4 不同正应力分组时间-再生强度比关系曲线Fig.4 Time-Regenerated Strength rate curves under different normal stresses

从图4可以看出：

(1)σ500组PRSS≤55%，第90 d滑带土再生强度比m为54.84%～58.11%，平均值为56.43%；σ600组PRSS≤55%，第90 d滑带土再生强度比m为55.14%～72.12%，平均值为58.03%；σ700组PRSS≤55%第90 d滑带土再生强度比m为58.66%～61.97%，平均值为60.02%。说明任意正应力、任意PRSS时，滑带土再生强度τr均不能恢复到其慢剪强度[τ]，且再生强度比m随正应力σ增大略有增加，但增加不很显著。

(2)σ500组PRSS≥70%时，滑带土再生强度比m为2.83%～22.96%，平均值为10.57%；正应力σ600组PRSS≥70%时，滑带土再生强度比m为0.98%～17.73%，平均值为8.38%；σ700组PRSS≥70%时，滑带土再生强度比m为2.87%～22.06%，平均值为10.58%。即任意正应力下，只要PRSS≥70%，再生强度比均低于22.96%，再生幅度较小。这可能是因为较高的剪应力水平会在滑带土原始剪切面产生损伤，这种损伤对滑带土强度再生有抑制作用。

3个正应力分组的试样在不同剪应力比PRSS作用下经历一定时长的强度再生后，试样的黏聚力CR和内摩擦角φR随时间的变化规律如图5、图6。

图5 黏聚力随时间变化关系曲线Fig.5 Cohesion-time curves

图6 内摩擦角与时间变化关系曲线Fig.6 Internal friction angle-time curves

由图5和图6可以看出：

滑带土强度再生的过程中，黏聚力和内摩擦角的增加速度不一致，PRSS≤55%时，黏聚力CR在前30 d增速较快，30 d时增至慢剪强度 [C]的44.6%，此后增速均明显放缓，90 d时占慢剪强度[C]的49%。内摩擦角φR前90 d增速基本一致，90 d时内摩擦角φR占慢剪强度 [φ]的90.4%。黏聚力和内摩擦角90 d以后均趋于稳定，但内摩擦角φR强度再生比明显高于黏聚力CR。

3 结论

(1)滑带土强度再生与上覆滑体压应力关系不大，但较高的剩余剪应力妨碍滑带土强度再生。

(2)55%～70%的剩余剪应力滑带土残余强度比，为滑带土强度有效再生区间。

(3)剩余剪应力滑带土残余强度比小于等于55%时，90 d再生强度比接近60%；剩余剪应力滑带土残余强度比大于等于70%时，90 d再生强度比仅20%左右。

(4)滑带土强度再生过程中，强度参数黏聚力和内摩擦角增速不一致。剩余剪应力滑带土残余强度比小于等于55%时，黏聚力在前30天增速较快，随后增速明显放缓，90天时达到终值的49%；内摩擦角在前90天增速基本一致，90天时达到终值的90.4%；90天后黏聚力和内摩擦角趋于稳定。