泾阳南塬阶地砂质粉土剪切特性试验研究

牛 兵

（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安710054；2.陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安710054）

1 概述

滑坡是一种常见的地质灾害，其致灾后果严重，时常给居民的人身安全及财产造成巨大的威胁和损失，这种致灾后果与滑坡运动能力相关，而确定滑坡运动能力的是滑带土的力学强度。国内外学者对滑带土进行了大量的研究,Skempton[1]对粘土物质组成的滑坡的稳定性进行研究发现滑带土在滑动后产生残余强度的主要原因是由于剪切作用形成了以滑动带上扁平状粘土颗粒的定向排列为特征的微观结构。WenBP[2-3]etal.对滑带土微观结构进行深入研究，在一定应力历史条件下土体的粒径分布和矿物的性质对土体的剪切行为有很大的影响，并且黏土矿物和各粒径的相对比例控制着土体对剪切变形的响应。Timothy[4]等人对裂隙性硬粘土滑坡的滑带土进行了分析，并且采用环剪试验、直剪试验和三轴剪切试验的方法对粘土、泥岩和页岩的抗剪强度特性展开研究，结果表明：完全软化强度受到有效法向应力、粘土矿物的类型和粘粒含量的影响，给出了完全软化强度与液限、粘粒含量和有效法向应力的关系。周平根[5]认为影响滑带土强度的因素有矿物成分、粒度分布、塑性指数、黏粒含量等，并建立了各项指标与强度参数的相关关系式。谌文武[6]等对舟曲泄流坡滑坡滑带土在固结不排水条件下利用分级循环加载法来研究含水率对滑带土力学特性的影响，研究发现滑带土的动弹性模量随含水率的增大而减小，且减小的速率随含水率的增大而增大。谢辉辉[7]采用环剪试验的方法对千枚碎屑岩滑带土重塑样改变法向应力和剪切速率的条件下抗剪强度特性进行研究，结果表明该滑带土的峰值强度和残余强度都随法向应力的增大而增大且呈线性关系，峰值强度随剪切速率的增大而减小。

陕西省泾阳地区自1976年由于农业灌溉等原因先后发生58起滑坡[8]，对于该地区的滑带土的力学特性众多学者也进行了大量的研究：龙建辉[9-10]等对黄土滑坡滑带土的特征进行了深入的研究，发现其物理性质指标，电阻率特性，细观微观结构特征有显著差别；李文[11]等进行不同体积含水率下的反复剪切试验研究高速远程黄土滑坡的复活，发现天然含水率较低时，体积含水率的变化对残余剪切强度的影响远大于粘粒含量的影响；许领[12]等对泾阳滑坡类型与发育特征进行研究将该地区的滑坡分为流滑型和滑动型两类。其中流滑型滑坡由于其具有体积大、破坏性强、致灾范围广等特点带来的危害往往大于滑动型滑坡，段钊[13]等对该地区的典型滑坡通过开挖探槽发现流动型滑坡的下垫面—阶地滑床中粉土（砂）层液化现象十分明显，而非单一的滑体底部液化（黄土层内），这表明该类滑坡的运动机制更为复杂。

本文基于此以泾阳南塬阶地砂质粉土为研究对象采用三轴饱和固结不排水试验和环剪试验的方法来研究该阶地砂质粉土的抗剪强度特性，讨论流滑型滑坡的运动机制，以便为灾害防治提供一定的理论依据。

1 试样物理性质

试样取自泾河下游右岸一级阶地，颜色呈灰黄色，较密实，颗粒较细，质地均一，土样的物理性质指标见表1。采用丹东百特Bettersize2000智能激光粒度仪对土样的颗粒级配分析测试结果如图1所示，不均匀系数 Cu=8.2，曲率系数 Cc=2.3 其中粒径在 0.075～0.005mm 的颗粒含量为 73.13%，粒径小于0.005 的颗粒含量为 8.25%。

图1 试样颗粒分析曲线

2 试验设计及方案

2.1 三轴饱和固结不排水剪切试验设计及方案

本次试验采用重塑土进行试验研究，将从现场取回的土料测其最优含水率为12%，将土料烘干后敲碎碾压过2mm筛。将干燥后的土料和蒸馏水配制到最优含水率并密封保存48h使水分均匀，按照原状样孔隙比0.86来制做重塑样，计算每层所需的质量，将土料分层压实，保持压力30min以上，随后刮毛该层表面，并加入新的土料，直至达到要求，重塑砂质粉土试样尺寸为Φ39.1mm×80mm。试验仪器采用南京土壤仪器厂生产的SLB-1A型应力应变控制式三轴蠕变剪切仪。采用二氧化碳通气及反压饱和法对试样进行分步饱和，当孔压增量与围压增量的比值（孔压系数）大于0.95时认为试样饱和；随后增加围压，分别在 50kPa，100kPa，200kPa，400kPa 的围压下进行固结不排水剪切试验，剪切速率为0.1mm/min，当试样轴变达到20%时结束试验，见表1。

表1 砂质粉土基本物理性质指标

2.2 环剪试验设计及方案

环剪试验采用美国GTCS公司生产的SRS－150型环剪试验仪，该仪器通过将矩施加在圆环状土样上，使试样发生剪切变形与破坏，以此来测定土的应力—应变关系与残余强度。试验所用环形试样尺寸为:外环直径150mm，内环直径100mm，有效试样面积98cm2，试样高度25mm。将风干后过2mm筛的试验土样分层装入剪切盒并压实，控制每次装入土样的质量相同。试验采用浸水饱和法，将通过计算使试样达到饱和所需的一定量的水分批均匀的滴入剪切盒内，完成后将试样密封，使其充分饱和48h。试样固结时间为24h，在法向应力100kPa、200kPa、300kPa下分别进行剪切速率为 130mm/min、260mm/min、390mm/min (120°/min、240°/min、360°/min)的环剪试验。

3 三轴试验与结果分析

3.1 应力—应变关系

图2为不同围压下剪应力与轴向应变的关系曲线图，由图可见：在不同围压条件下，试样曲线均表现出较强的应变软化特征，剪切开始后，随着应变的增加土体的剪应力迅速增大，并很快到达峰值强度，然后随着应变的增加，剪应力又逐渐降低，最终趋于稳定值。随着围压的增加峰值强度和残余强度也增加，且峰值强度和残余强度的差值“峰残差”也越大。

图2 应力—应变曲线

3.2 孔隙水压力特征

图3为剪切过程中孔隙水压力与应变的关系曲线，由图可见：孔压受到围压的影响，随着围压的增加，孔压也逐渐增大；在剪切刚开始阶段，孔压随着应变的增加而迅速增加，而随着应变的增加，孔压增速逐渐减小，最终趋于稳定值。围压越大孔压在达到稳定前的增速也越大。

图3 孔压—应变曲线

图4孔压—剪应力关系曲线表现出与孔压—应变曲线相对应的特征，在偏应力较小时，孔隙水压力较小，曲线相对较缓；随着偏应力的增大，孔压逐渐增加，当出现拐点时孔压迅速增加；当剪应力达到峰值强度时，孔压仍然在增加，但增长速度变慢，曲线变缓，最后孔压趋于稳定。对于曲线中出现的拐点认为是土体的临界应力点和土体结构屈服应力σk有关。可结合应力应变曲线给出合理解释:当有效应力小于结构屈服力时，土体结构较为完整，大部分的压力都由土体结构骨架承担，仅小部分压力由孔隙水承担，因此孔压增长较缓；当有效应力不断增加并接近于结构屈服应力时，此时土体结构开始大量出现破坏，结构承受压力的能力急剧损失从而将大部分的压力转移到孔隙水上，从而使孔压迅速上升，有效应力迅速降低；土体严重破坏后，土体的变形主要是由颗粒间的滑移引起，此时孔隙水压力增长缓慢，基本维持稳定。

图4 孔压—剪应力曲线

图5为孔压比与应变的关系曲线由图可知，在不排水条件下，轴向应变很小时不同围压的孔压比均出现快速增长，当轴向应变达到2%时，此时50kPa，100kPa，200kPa，400kPa 的 孔 压 比 分 别 为0.96,、0.92、0.87、0.80，说明在 CU01-CU04 均出现了严重的液化，出现这种现象的原因主要是试样在剪切的过程中围压保持不变但孔隙水压力逐渐增大导致砂质粉土有效应力和强度都基本降为零，并且土体液化势随着围压的增加。

图5 孔压比-应变曲线

3.3 稳定状态

按照Poulos[14]提出的稳定状态模型，因为是在同一孔隙比下进行试验的，因此连接不同围压下的稳定点即可得到稳定状态线（SSL）,其在 q’—p’平面内近似的可以用以下线性公式来表示。

式中 q’ss为稳定状态时的偏应力，p’ss为稳定时的平均有效主应力，M为稳定状态线在q’ss—p’ss平面内的斜率。通过对砂质粉土三轴固结不排水试验所得数据整理后得到饱和砂质粉土的稳定状态线（如图6所示），通过最佳拟合得到M=1.246，饱和砂质粉土的稳态内摩擦角由sinΦ=3M/(6+M)得到Φ=31.06°。

图6 饱和砂质粉土稳定状态曲线

3.4 强度参数特征

对不同围压下的剪切莫尔圆的公切线进行了拟合，得到的饱和状态下砂质粉土的抗剪强度参数见表2。

表2 饱和砂质粉土抗剪强度指标

4 环剪试验与结果分析

4.1 不同剪切速率下土体剪切力学性质

由图7发现，饱和砂质粉土在控制法向应力条件下，改变剪切速率进行固结不排水剪切试验时，峰值强度和残余强度都随着剪切速率的增大而减小。对于饱和粉土，剪切速率越慢土体内部孔隙水越容易运移，进而可以降低剪切面处孔隙水含量导致有效应力增加，从而使土体的残余强度随剪切速率的增加而减小。不同的剪切速率下环剪曲线均表现出应变硬化的特征，在有限位移条件下，残余强度不显著。出现这样的原因主要是土体的整个剪切过程中，剪应力有足够的时间来进行调整从而均匀分布，剪切面没有出现应力集中，土体的粘聚力和剪胀力得到了充分的发挥。当剪切速率较快时，土体颗粒在产生滑移的同时，还形成旋转、滚动等其它的运动形式，土体结构迅速破坏，土颗粒形成定向排列，凝聚力和剪胀力消失，土体抗剪强度仅由摩擦力承担，结构强度无法恢复，因此在剪切过程中需要更多的形变调整以达到稳定状态。

图7 不同剪切速率下剪切力—剪切位移曲线

4.2 不同法向应力下土体剪切力学性质

在控制剪切速率条件下，所绘制的剪应力—剪切位移的关系曲线（如图8所示）表明，法向应力对曲线的形态没有很大的影响，饱和砂质粉土峰值强度和残余强度均随着法向应力的增加而增加，呈明显的线性关系，拟合峰值强度与法向应力的关系曲线R2（R为相关系数）达到了0.970以上，说明在同一级的剪切速率下，饱和粉土的抗剪强度参数（粘聚力和内摩擦角）与法向应力无关。

图8 不同法向应力下剪应力—剪切位移曲线

5 结论

本文通过对泾阳南塬阶地砂质粉土饱和重塑样进行不同围压的室内三轴试验和不同法向应力、不同剪切速率的环剪试验得到如下结论：

1）三轴固结不排水剪切试验研究表明：在不同围压下，土体的应力—应变关系都呈现出强烈的应变软化，孔压比—应变关系曲线表现出严重的液化现象且土体的液化势随着试验围压的增加而减小，并且得出饱和砂质粉土的稳定状态参数与强度参数特征。

2）环剪试验研究表明：当剪切速率条件相同时，不同法向应力下剪应力都在同一剪切位移处达到峰值强度，且峰值强度和残余强度均随法向应力的增加而增加，但饱和砂土的抗剪强度参数（粘聚力和内摩擦角）与法向应力无关；当法向应力条件相同时，在不同的剪切速率下环剪曲线中的峰值强度和残余强度均表现出应变硬化的特征。

3)人工灌溉导致地下水位上升，位于下垫层的砂质粉土饱和后随着孔隙水压力的增加出现严重的液化现象导致土体有效应力急剧减小从而使土体力学强度降低发生剪切破坏，土体沿着下垫层发生滑动形成高速远程滑坡。