滑带土厚度及含水率对其强度参数的影响

周永昆，魏作安，2，朱 彬，张千贵

(1.重庆大学资源及环境科学学院，重庆 400044;(2.重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044)

滑带土厚度及含水率对其强度参数的影响

周永昆1，魏作安1，2，朱 彬1，张千贵1

(1.重庆大学资源及环境科学学院，重庆 400044;(2.重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044)

以红、黄两种不同颜色的滑带土为对象，采用室内试验，先对两种颜色的滑带土的基本物理力学性质进行测定，然后以力学性质较差的红色滑带土作为夹层，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(φ)和粘聚力(c)的影响。实验结果显示，夹层土的含水率对滑带土强度参数内摩擦角(φ)和粘聚力(c)影响最大，夹层土的厚度对强度参数也有一定的影响。

滑带土;滑坡研究;正交试验;剪切强度;方差分析

0 前言

滑带土是滑坡体的重要组成部分。滑坡的发生与否常常取决于滑动面(带)土体的应力状态和强度。从某种意义上讲，滑坡的形成机理就是滑带土的变形破坏过程［1，2］。因此，滑带土的力学性质与滑坡体的变形发展、稳定性评价关系密切，滑带土工程力学特性的研究常成为滑坡研究中一个关键问题［3］。由于受力的特殊性和形成过程中的复杂地质作用，使得滑带土的组构特征、物理力学和地球化学等性质与滑坡体中其它部位的岩土体存在较大的差别［4］。滑带土抗剪强度参数是滑坡稳定性定量评价和抗滑工程设计计算所必需的、非常重要的参数。

目前，对于滑带土强度特性的研究，许多学者采用现场原位试验和实验室土工试验、微观与宏观研究相结合的方法作了一些工作，也取得了可喜的成果［5］。本文以两种不同颜色的滑带土为对象，先对两种滑带土基本物理力学性质进行测定，然后以力学性质较低的红色滑带土作为夹层，选取夹层土的厚度、含水率等作为影响因子，运用正交设计，利用室内三轴剪切实验，研究滑带土强度参数内摩擦角(φ)和粘聚力(c)变化特性。

1 两种滑带土基本物理性质测定

重庆地区滑坡中的滑带土主要为第四系的残坡积层碎石粘性土［6，7］。为此，试验使用的土样取自于重庆地区滑坡中的典型滑带粘土，分别为红色粉质粘土和黄色粘土。

在进行实验前，对土样进行了筛分处理，把粒径大于1.0mm的碎石清除。两种滑带土的基本物理性质测试结果见表1，它们的颗粒组成和颗粒分布曲线分别见表2和图1。

表1 滑带土的主要物理性质指标Table 1 The main physical properties index of two soils

图1 两种滑带土的颗粒分布曲线Fig.1 Particle size distribution of the two soils

表2 滑带土的颗粒组成Table 2 The particles composition of two soils

2 实验测试与实验结果分析

2.1 实验设备

三轴剪切仪为南京土壤仪器厂制造的TSZ30-2.0型应变控制式三轴剪力仪。

实验时，先将圆柱体土样用乳胶膜包裹，固定在压力室内的底座上，之后向压力室内注入水，使试样受到周围压力，并在试验过程中保持不变。然后通过压力室上端的活塞杆上施加垂直荷载直至土样受剪破坏。实验数据均是由电脑自动控制采集。

2.2 单一滑带土抗剪强度参数测试

实验采用重塑土样，试样的制备采用锤击实法，试样为圆柱体(图 2)，直径 d=3.91cm，高 h=8.0cm，试样密度为1.70g/cm3。试验中所施加的围压分别为 100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，剪切速率为0.03mm/min。

按照含水率为15%、20%、25%分别对两种滑带土进行不固结不排水(UU)三轴试验。试验结果见表3和表4。

实验结果显示，红色滑带土强度参数低于黄色滑带土。因此，将红色滑带土作为软弱夹层。

图2 不同含水率下的两种滑带土试样Fig.2 Different water content of the two soil samples

表3 两种滑带土不同含水率情况下的c、φ值Table 3 Two soils’c，φ in different water content

2.3 组合滑带土强度参数实验正交设计

正交设计是最常用的一类试验设计方法［8］。它是使用一种规范化的表格——“正交表”，来合理安排试验。采用这种方法可以优化试验、减少试验次数，并能全面、系统地反映试验结果［9］。正交试验设计的关键，是试验指标、因素及因素水平的选取。本文滑带土强度参数试验，选取两种土的含水率、软弱夹层厚度(红色滑带土)作为三个因素，每个因素各取三个水平，按表7所示 L9(34)安排试验。三个因素分别列在1、2、3列上，第4列不安排因素，一共需做9组试验，如图3，从左到右依次为1～9组，试验结果见表5和表6。

表4 两种滑带土不同围压下的剪应力峰值Table 4 Two soils’peak shear strength indifferent confining pressure

表5 含软弱夹层滑带土不同围压下的剪切峰值Table 5 The weak interlayer of sliding zone soil of peak shear strength in different confining pressures

2.4 试验结果及分析

2.4.1 滑带土强度参数测定结果分析

试验结果显示:

(1)红色滑带土的内聚力(c1)随含水量的变化规律(图4(a))与黄色滑带土有一定的差异，在一定范围它会随着含水量的增加而递减。回归后的方程为:

式中:w——土样含水率。

(2)黄色滑带土的内聚力(c2)随含水量增高而呈现抛物线形变化，即由低—高—低的变化规律(图4(a))。回归后的方程为:

表6 含软弱夹层滑带土正交设计试验的c、φ值Table 6 The weak interlayer of sliding zone soil orthogonal design of the c，φ values

图3 不同厚度夹层滑带土试样Fig.3 Different thickness of interlayer of the soil samples from slip zone

(3)红色滑带土样内摩擦角(Φ1)和黄色滑带土样的内摩擦角(Φ2)随含水量增高而呈逐渐降低的变化规律(图4(b))。回归后的方程分别为:

2.4.2 试验结果方差分析

方差分析是关于多个具有方差齐性的正态总体，对其均值作检验与估计的统计方法。根据试验方案(表7)，假定每个因子取 r种不同的水平，每种水平在试验方案中出现m次。总试验次数n=r×m，设试验结果为 Y1，Y2，…，Yn。对正交表的第 j列(包括空列)，令 Kjl为第 j列中相应于水平 l(l=1，2，…，r) 的m个试验结果之和。

图4 滑带土强度参数与含水量关系Fig.4 The relationship between the strength and water content of slide mass

表7 试验方案表Table 7 Test program in table

由试验测试结果，可以列出计算表，见表8。

表8 计算表Table 8 The results of calculation

现在考察每个因子在各个水平下效应是否有显著差异，分别检验:

其中αj表示因子A在第j个水平下的效应，βj表示因子B在第j个水平下的效应，δj表示因子C在第j个水平下的效应(j=1，2，3)。这些效应必满足:

表9 方差分析表Table 9 The results of variance analysis

按上述计算法则，列出方差分析表，见表9。

现在，临界值为:

所以，由方差分析表(表9)看出，各因子的影响都不是很显著，但相对于因子A和因子C，因子B(软弱夹层的含水率)对滑带土的强度参数 c、φ的影响最显著，其次为因子C(黄色滑带土的含水率)和因子A(软弱夹层的度厚)。

3 结论

本文以两种不同颜色的滑带土为研究对象，通过试验获得了滑带土厚度、含水率对其强度参数内摩擦角(φ)和粘聚力(c)影响规律，为进一步探索滑带土的强度特性提供借鉴。

滑带土是滑坡体的主要组成部分，它的强度参数对滑坡稳定性分析和滑坡防治设计起到至关重要的作用。因此，开展滑带土的强度参数研究具有重要的现实意义。

［1］王志荣，王念秦.黄土滑坡研究现状综述［J］.中国水土保持，2004，14(16):65-71.

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Study on the effect about interlayer thickness and water content to the strength parameters of landslide soil

ZHOU Yong-kun1，WEI Zuo-an1，2，ZHU Bin1，ZHANG Qian-gui1
(1.College of Resource and Environmental Sciences，Chongqing University，Chongqing 400044，China;2.The Key Laboratory of the Exploitation of Southwest Resources＆ the Environmental Hazards Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

In this paper there are two different color(red and yellow)soils from the slide zones as two samplers to be studied through libratory test.Firstly，the basic physical and mechanical properties about two soils were measured.Then the red soil which was poorer in shear strength was selected as an interlayer，through changing thickness of interlayer and its water content，based on orthogonal design，using triaxial shear tests，the shear strength(internal friction angle φ and cohesion c)of the landslide mass were studied.The test results show that among factors the water content of interlayer soil is the greatest influence to the shear strength of landslide soil，then interlayer thickness also has a certain effect.

slide soil;landslide study;orthogonal design;shear strength;analysis of variance

1003-8035(2010)02-0025-05

TU411.7

A

2010-01-28;

2010-04-12

国家自然科学基金资助项目(10772205);重庆市自然科学基金资助项目(CSTC，2007BB0136);中国博士后科学基金资助项目(20070420123);湖南省煤矿安全开采技术重点实验室开放基金(200806)

周永昆(1983—)，男，硕士研究生，主要从事矿业工程与土力学方向的研究。

E-mail:yongkun@126.com。