剪切速率对环形桩孔抗剪强度的影响

江 亮，范登政

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001）

土的抗剪强度是评价边坡稳定性和地基失稳的重要指标［1-3］。而边坡滑动是一个动态过程，研究剪切速率对土抗剪强度的影响对边坡稳定性分析具有深远意义。众多学者先后进行了相关研究。徐肖峰等［4-5］对不同剪切速率下粗粒土的强度和变形特性进行了试验研究；杨俊等［6］研究了不同方法改良的膨胀土在不同剪切速率下抗剪强度指标的变化规律，分别在2.4 mm/min和0.8 mm/min剪切速率下对风化砂、石灰、水泥以及粉煤灰改良的膨胀土样进行了室内直接剪切试验，得到了不同剪切速率下改良膨胀土的抗剪强度指标值；冀慧［7］研究了不同含水量的重塑黄土在不同剪切速率下的直剪试验；谢辉辉等［8］利用环剪仪研究了滑带土重塑样在不同法向应力与剪切速率下的抗剪强度特性；毛瑞等［9］研究了剪切速率对天然黏土强度恢复的影响；史卜涛等［10］对不同干密度的重塑饱和黏性土进行直剪试验，探讨了剪切速率对重塑饱和黏性土剪应力-剪切位移曲线的影响，分析了内摩擦角随剪切速率的变化关系；张健等［11］建立基于圆形剪切盒剪应力的修正公式，在此基础上得到考虑与不考虑实际剪切面积变化影响的剪应力-剪切位移曲线。

边坡工程中为提高边坡稳定性最常见的方式就是设置抗滑桩，而由于桩孔的存在，土的抗剪强度会有一定的降低。本文借用了一种空心圆柱体削刀在试样中心切除中心圆柱，试验分析不同剪切速率对空心圆柱体抗剪强度指标的影响，为边坡工程预防滑坡方案设计提供了基础。

1 试验方案

1.1 试样制备

试验采用的土样为某矿风井检查孔，取样深度233.91～234.11 m，土的基本物理参数如表1所示。用环刀切取（68.1×20.0）mm的圆柱土样后，用自制孔径为18.1 mm的空心圆柱体削刀切除环刀中心圆柱体，土样形态如图1所示。

表1 土的基本物理参数

1.2 试验方法

采用STSJ-5智能电动四联直剪仪，由剪切盒、垂直加压系统、剪切传动装置、测力计组成。分别采用重塑黏土在剪切速率为 0.8 mm/min、1.5 mm/min、2.4 mm/min、5 mm/min的直剪试验。竖向压力采用 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，每种土样做2组平行试验，取平行试验差值满足精度要求的结果的平均值作为最终试验结果。

图1 土样形态

2 试验结果及分析

2.1 剪切速率对应力-位移特性的影响

剪切速率分别为0.8 mm/min、1.5 mm/min、2.4 mm/min、5.0 mm/min时，试样的剪应力-剪切位移曲线见图2，直剪试验结果见表2。

式（1）中：τf为土的抗剪强度，kPa；a、b、c为参数；v为剪切速率，mm/min。

表2 直剪试验结果

图2 剪应力-剪切位移曲线

由图2可知，试样的强度随着剪切位移的增加基本呈现软化形态，考虑到仪器在剪切过程中存在排水现象，因此剪切速率越大的试样峰值强度越大，剪切速率与抗剪强度的关系可以由式（1）来拟合，土的剪切强度随着竖向压力的增加有一定的增加。

2.2 剪切速率对抗剪强度的影响

取图2曲线上剪应力的峰值为抗剪强度。分别取图2中不同剪切速率下的抗剪强度，绘制抗剪强度与剪切速率的关系，见图3。

从图3可以看出：在100 kPa、200 kPa垂直压力作用下，随着剪切速率的增大，抗剪强度逐渐增大且增大趋势逐渐减小；在300 kPa、400 kPa时，抗剪强度随着剪切速率的增大先减小后增大，并且增大的趋势比100 kPa、200 kPa时大；分析认为，随着剪切速率的增大，土体内部颗粒骨架蠕变作用使强度的流变分量增大，导致抗剪强度增大。在剪切速率一定时，抗剪强度随着垂直压力的增大而增大，但增大的趋势在逐渐减小，分析认为，随着垂直压力的增大，土体内部孔隙之间的联结作用增大，分子间作用力增大，引起抗剪强度增大。

图3 抗剪强度与剪切速率的关系

2.3 剪切速率对抗剪强度指标的影响

抗剪强度指标随剪切速率的变化关系见图4。

图4 抗剪强度指标随剪切速率的变化关系

由图4可知，剪切速率对黏聚力和内摩擦角的影响是不同步的。剪切速率为0.8～2.4 mm/min时，土的黏聚力随着剪切速率的增加而增加，内摩擦角随着剪切速率的增加而降低；在剪切速率达到5mm/min时，呈现出黏聚力下降、内摩擦角上升的趋势。分析认为，直剪试验中，在较低的剪切速率下，黏土内部颗粒间的胶结物会迅速构建，其断裂能力与恢复能力相当，当剪切速率增大时，在剪切的过程中会产生一定的超孔隙水压力，导致黏聚力在一定程度上提高；而当施加的剪切速率较高时，断裂能力远大于其自身拥有的恢复能力，导致其黏聚力下降。4种剪切速率所对应黏聚力的取值范围为113.34～124.17 kPa，不同剪切速率下黏聚力的极差为10.83 kPa，剪切速率从0.8 mm/min增加到2.4 mm/min使黏聚力提高了9.56%，剪切速率在5 mm/min时，黏聚力有小幅度下降。内摩擦角变化范围在9.2076°～13.501°，剪切速率在0.8～2.4 mm/min时，内摩擦角下降趋势比较缓慢，剪切速率为5 mm/min时，内摩擦角有较大的提高。

通过回归分析，可用一元二次多项式来描述黏聚力、内摩擦角与剪切速率的关系：

式（2）中：y为土的黏聚力，kPa、内摩擦角（°）；d、e、f为参数；v为剪切速率，mm/min。参数值见表3。

表3 式（2）中参数取值

2.4 抗剪强度的两元回归计算模型

通过试验获得了剪切速率、竖向压力对抗剪强度影响的数学表达式，见式（3）：

然而式（3）不能同时考虑两种变量的耦合效应，用一个通用的公式来表示式（3），即：

式（4）中：τf为抗剪强度，v为剪切速率，σ为竖向荷载，A、B、C、D、E为相关系数，F为常数项，可以通过大量室内试验和原位试验数据统计分析确定。

上述计算模型同时考虑了剪切速率、竖向压力对抗剪强度关系的影响，为通过公式计算不同剪切速率、竖向压力共同影响下的抗剪强度提供了途径。式（4）中各参数随黏性土的种类不同而不同，在实际工程应用中，可提取各土层的原状土样进行试验得出各参数，以此来预测黏性土的抗剪强度。

3 结论

（1）不同剪切速率时，剪应力-剪切位移曲线存在明显峰值强度，考虑到剪切过程中有排水现象，剪切速率增大时，土的剪应力有小幅度的增长；随竖向压力的增加，土的剪应力也相应增加。

（2）剪切速率较低时，土的黏聚力随着剪切速率的增加而提高；剪切速率较大时，土的黏聚力有减小的趋势，黏聚力的取值范围在113.34～124.17 kPa，剪切速率与黏聚力的关系可以由一元二次方程来拟合。

（3）剪切速率较低时，剪切速率对内摩擦角影响较小，剪切速率较大时，土的内摩擦角增幅较大，剪切速率与内摩擦角的关系可以由一元二次方程来拟合。

（4）考虑竖向压力、剪切速率的耦合效应，得出剪切速率、竖向压力对抗剪强度影响的通用公式。