不同饱和度的粉质黏土剪切率效应环剪试验研究★

鲁剑楠 李学良 陈光富

(1.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 湖北省地质灾害防治工程技术研究中心，湖北 宜昌 443002； 3.河南省中州公路工程有限公司，河南 南阳 474550)

0 引言

土体在剪切过程中，表现为剪切速率相关性，对其峰值和残余强度会产生较大影响，在对滑坡变形演化过程分析和稳定性评价中，与变形速率相关的强度参数取值是值得关注的一个问题。Skempton[1]提出了峰值强度和残余强度的概念，认为在自然条件下边坡发生滑动时，土体能提供的抗剪强度接近残余强度。Carrubba等[2]对意大利的一处滑带进行了现场和室内环剪试验。胡明鉴等[3]对西藏的易贡滑坡滑带土进行了不同剪切速率、不同排水条件下的环剪试验，认为剪切速率越高，土体强度越低。孙涛等[4]采用环剪仪对超固结黏土进行了抗剪强度测试，分析了不同超固结比、法向应力以及剪切速率对土体的抗剪强度的影响。张迪等[5]对巴东黄土坡滑坡临江1号滑坡体滑带土在不同剪切速率、含水率和法向应力情况下的残余强度开展了环剪试验研究。吴迪等[6]利用环剪仪对残积土在大位移剪切条件下的强度特性进行了分析。另外，一些研究者环剪测试结果表明不同含水率滑带土的强度存在较大差异[7,8]。

环剪仪[9]是一种研究土体在大剪切位移条件下力学特性的土工试验设备，环剪仪最大的优势在于其具有剪切面积固定、允许试样沿一个方向连续剪切的特点，且能在剪切过程中动态控制垂直应力、剪切速率和剪切力等条件，能模拟大变形条件[10,11]。此外，环剪试验能够保持剪切面上应力均匀，因此，环剪仪是研究大变形土体强度较好的仪器[12]。

已有的研究成果大都是针对饱和土，对于不同饱和度的土体，剪切速率效应问题研究成果较少，为了便于同饱和土研究成果比较分析，本文针对不同饱和度的土样开展了相关的环剪试验研究。

1 试验概况

1.1 试验仪器

试验采用美国GCTS公司研发的SRS-150环剪仪，如图1所示。该系统是全伺服/吸力控制，且通过轴平移技术实现土样的大变形测试。SRS-150环剪仪主要用于研究土体在扭剪力作用下，产生大变形破坏后土体抗剪强度的衰减规律。试验过程中控制法向力、剪切速率等变量，最终可得到抗剪强度(残余强度、峰值强度等)、剪切位移等。其主要基本技术指标如表1所示。

表1 SRS-150环剪仪的主要技术指标

1.2 试样制备

试验土样为三峡库区树坪滑坡粉质粘土，通过土工试验测出土的各项基本物理性质指标见表2。按现行土工试验规范方法制备饱和土样，非饱和土分别配制一定含水率的重塑土样，分别均匀地装入内径为94.5 mm，外径为150.3 mm，有效高度20 mm，剪切面积为10.72×103mm的环形剪切盒内。饱和土在抽真空饱和缸中饱和24 h，使其达到饱和状态，测得其饱和含水率为26.3%，最后在环剪仪上将试样固结24 h,直到垂直位移不再变化为止。非饱和土样根据不同含水率配置，试样固结以垂直位移不再变化为止。

表2 土的基本物理性质指标

2 试验方案

制备三种不同饱和度的粉质黏土试样，法向应力分别取100 kPa,200 kPa,300 kPa，剪切速率分别为0.1 mm/min,0.5 mm/min,1 mm/min，质量含水率分别为10%,20%,26.3%(饱和)。具体试验方案见表3。

3 试验结果分析

3.1 饱和粉质黏土剪应力和剪切位移变化

表3 环剪试验方案

图2表示不同正应力作用下剪切速率对试样强度变化的影响，总的趋势是在低剪切速率情况下试样具有明显的软化现象，在高剪切速率下试样软化效应不明显，并表现为剪切负速率效应，即剪切速率越大，剪切强度越低。该试样表现出的负剪切速率效应主要与其颗粒组成有关，试样粉粒含量较高，且以圆粒和亚圆粒为主，而黏粒含量较低，从图3法向位移变化可以看出，低剪切速率下法向位移变化较大，而高剪切速率下法向位移变化相对较小。主要是因为在低剪切速率下剪切面上土颗粒转动和沿剪切方向的定向排列比较充分。

3.2 饱和粉质黏土的残余强度

表4为饱和粉质黏土在不同法向应力和剪切速率情况下的残余强度值。图4为法向应力分别为100 kPa,200 kPa,300 kPa作用下，不同剪切速率下残余抗剪强度包络线。从表4数据和图4可以看出，残余剪切应力与法向应力之间存在较好的线性正相关性，随法向应力的增加残余剪切应力增大，剪切速率为负速率相关性，即剪切速率越大，残余强度越低。在法向应力为100 kPa作用下，不同剪切速率对残余强度的影响并不显著，即剪切率效应不明显，残余强度降低了11.6%，当法向应力为300 kPa时，不同剪切速率对残余强度影响的负相关性较为显著，即随剪切速率增大，残余强度降低显著，残余强度降低了23.3%。

表4 不同环剪试验下的残余强度

3.3 非饱和粉质黏土剪应力和剪切位移变化

通过三种正应力和不同饱和度的环剪试验，获得不同饱和度土样的剪应力和水平位移的关系试验结果如图5所示。随着饱和度的增加，吸力减小，强度值降低，饱和度对残余强度也有显著的影响。

3.4 非饱和粉质黏土的残余强度

表5为在剪切速率为0.5 mm/min，法向应力分别为100 kPa,200 kPa和300 kPa作用下，不同饱和度试样的残余强度。图6为对应于不同饱和度的残余强度包络线。从表5数据和图6可以看出，法向应力100 kPa作用下，土样饱和度对残余强度影响更为显著，与饱和土残余强度相比强度提高了32.3%，在高法向应力300 kPa作用下，残余强度提高仅为5.6%。从不同饱和度粉质粘土残余抗剪强度包络线(如图6所示)中可以看出残余剪切应力与法向应力之间存在较好的线性关系，随法向应力的增加残余剪切应力增大。图7为不同法向应力下基质吸力与残余抗剪强度的关系，残余抗剪强度随着基质吸力的增加而增大，在低法向应力条件下，基质吸力对残余强度影响更为显著，表现为斜率比高法向应力下大，并且在这一系列的环剪试验所测得的吸力范围内抗剪强度与吸力呈线性正相关性。

试验结果表明：低法向应力作用下，低饱和度试样，残余强度提高最为显著，高法向应力作用下，饱和度对残余强度的影响并不明显。

表5 不同环剪试验下的残余强度

4 结语

以树坪滑坡重塑粉质黏土为研究对象，分别开展了不同法向应力、饱和度、剪切速率下的环剪试验，主要成果如下：

1)不同饱和度的粉质黏土表现为剪切速率负相关，但不同饱和度的粉质黏土，法向应力对率效应的影响不同。

2)对于饱和粉质黏土的残余抗剪强度，低法向应力作用下，剪切率效应不明显，高法向应力作用下，剪切速率效应较为显著。

3)对于非饱和粉质黏土的残余强度，低法向应力和低饱和度试样，残余强度提高最为显著，高法向应力作用下，残余强度提高不明显。

[1] Skempton A W.Residual strength of clays in landslides,folded strata and the laboratory[J].Géotechnique,2015,35(1):3-18.

[2] Carrubba P,Fabbro M D.Laboratory Investigation on Reactivated Residual Strength[J].Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering,2008,134(3):302-315.

[3] 胡明鉴,汪发武,程谦恭.基于高速环剪试验易贡巨型滑坡形成原因试验探索[J].岩土工程学报,2009,31(10):1602-1606.

[4] 孙 涛,洪 勇,栾茂田,等.采用环剪仪对超固结黏土抗剪强度特性的研究[J].岩土力学,2009,30(7):2000-2004.

[5] 张 笛,滕伟福,安 琪.黄土坡临江1号滑坡体滑带土残余强度试验研究[J].安全与环境工程,2017,24(2):39-45.

[6] 吴 迪,简文彬,徐 超.残积土抗剪强度的环剪试验研究[J].岩土力学,2011,32(7):2045-2050.

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