含水率对滑带土强度及变形影响试验研究

黄 斌，傅旭东，谭 凡，吴忠明

（1.武汉大学 土木建筑工程学院，武汉 430072；2.长江科学院 土工所，武汉 430010；3.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 引 言

滑带土是滑坡的重要组成部分，与滑坡的发展变形、稳定性有着密切的关系[1]。滑带土的强度与变形特性受含水率的影响较大，降雨、水库蓄水及水位变化等都会引起滑带土体含水率的变化。大量的分析计算表明，滑带土强度参数的微小变化都会带来滑坡体推力的巨大改变。根据一大型滑坡的监测结果，滑坡滑动位移曲线在雨季开始时会有突变，位移速率突然加大，且降雨量越大，边坡位移量越大，因此，研究滑带土强度及变形随含水率的变化规律对滑坡稳定性评价及滑坡工程治理具有重要意义。

在现有的非饱和土强度及变形的研究中基本都以吸力作为一个参量，反映吸力对强度及变形的影响[2－3]，这样更直接，也更严格；但控制吸力的室内试验代价昂贵，试验周期非常长，吸力的现场测试更加困难。国内许多学者利用常规仪器开展了一系列非饱和土试验研究。林峰[4]、林鹏[5]等通过不同含水率的三轴试验及直剪试验研究了含水率对滑带土强度的影响；周永昆等[6]通过三轴UU试验研究了含水率与强度参数的关系，并建立了含水率与强度参数的二次函数关系式；柏永岩等[7]通过不同含水率的滑带土直剪试验表明，含水率对凝聚力c的影响较大，而对内摩擦角φ的影响很小，参数c与含水率可以用对数函数来拟合。综上所述，目前的研究主要在含水率对强度的影响上，且进行的试验多为三轴UU、CU或直剪试验，在含水率对滑带土体变形方面的研究较少，因此，加强变形性状的研究非常有必要。

本文在研究含水率对强度与变形的影响时，避开了吸力的测量，采用与文献[8－9]类似的方法来研究含水率对滑带土强度及变形的影响。通过对滑带土进行不同初始饱和度的常规三轴固结排水（气）试验，研究了强度参数随饱和度的变化规律，获取了不同初始饱和度条件下的 Duncan-Chang模型参数，并建立了变形参数与初始饱和度的经验公式。

2 三轴试验

2.1 试样制备

试验土样取自某水电站下游一大型滑坡滑带土体，滑带为灰黑色千枚岩碎屑土，液限为29.7%，塑限为13.5%，土类为黏土质砾。从理论上讲，重塑样相对原状样结构被破坏了，强度会低些，而滑带土常年处于蠕滑状态，其变形也会对土体的结构性产生损伤，因此，本文采用重塑样进行试验，得到偏工程安全的强度参数，重点研究不同含水率下强度变形参数的影响。

Skempton认为，对于已经滑动的滑坡，应采用残余强度τfr或残余强度系数R＞0.95的平均抗剪强度来进行滑坡稳定性分析。由于τfr与土体的原始受力状态、土的结构性无关，可采用重塑样求取滑带土的τfr，不一定采用原状土，减少取样难度。

对滑带土样进行相同干密度、不同初始饱和度的三轴固结排水（气）试验，试样尺寸为φ101 mm×200 mm。先将土料风干过 20 mm的筛，对大于20 mm的颗粒采取等量替代法进行处理。由于粒径大于20 mm的颗粒非常少，仅占总质量的0.9%，对强度的影响不大，可采用剔除法或等量替代法对超径颗粒进行处理。本文采用了等量替代法，用粒径为5～20 mm的土粒按比例等质量替换粒径大于20 mm的颗粒，试验级配如表1所示。试样干密度为2.05 g/cm3，孔隙比为0.358。试样含水率分别为7.2%（Sr=54.5%）、9.3%（Sr=70.5%）、11.2%（Sr=84.8%）和13.2%（Sr=100%）。

为了控制试样的饱和度，先将土料含水率调至试验要求的含水率，再用塑料袋密封24 h，待水分均匀后分3层击实成型；直接击实饱和度100%的试样比较困难，本试验通过对成型好的试样进行抽真空饱和，再通过反压饱和及孔隙压力系数B值检测，从而制备饱和度100%的试样。

表1 滑带土试验级配Table 1 Test particle size of slip soils

2.2 试验方法

对于非饱和试样，测试其内体变（即试样排水量）是无法反映试样的体积变化，必须在试验过程中量测试样的外体变。针对非饱和土的体变测试，本文提出1种新方法，其仪器简图如图1所示，已申请新型实用专利[10]。在围压气源和压力室之间添加了一个气水转换装置，气水转换装置一半为水，底部与压力室相连。通过测量气水转换装置内水的质量变化来换算成试样的体变，当试样体积发生膨胀时，压力室的水进入气水转换装置，反之当试样体积收缩时，气水转换装置的水进入压力室，气水转换装置通过一个转盘与重物连接，重物放置在电子天平上，天平最小称量读数为0.01 g，最大称量质量为5100 g。通过称量重物质量来测量气水转换装置质量变化，换算成试样的体积变化，该外体变测试精度可达0.01 mL。同时，为了减小压力室在加压和温度变化时的体积体积变化，试验时采用刚度很大的厚壁金属压力室，并在整个试验过程中用空调来保持室内温度恒定。

实际工程中的边坡滑动非常缓慢，滑带中的气与水可自由排出，本次试验采用三轴固结排水（气）剪切，试验过程中保持试样顶、底与大气相通。以轴向变形与外体变稳定作为固结完成的标准，按 4个饱和度（54.5%、70.5%、84.8%、100%）进行试验，围压σ3分别为300、600、900、1200 kPa，剪切速率取0.016 mm/min。

图1 带外体变测试的三轴仪简图Fig.1 Triaxial device with external volume measuring

3 试验成果

不同初始饱和度条件下滑带土三轴试验应力-应变及体变-应变关系分别如图2、3所示。可以看出，随着饱和度的提高，相同围压条件下滑带土样的强度明显降低，含水率对滑带土强度的影响很大。

随着饱和度Sr的提高，试样在剪切过程中的体变（体缩为正）变小，且当初始饱和度由 70.5%提高到 84.8%时，体变降低最为明显。试样在排气通畅的情况下气压是可以瞬间消散的[8]，当试样饱和度较低时，土体中的气体通道相互连通，空气容易排除；随着饱和度的提高，部分气体的通道被水封闭，而水的排出比气体要慢得多，所以表现为试样的饱和度越高，其体变越小。不同含水率的试样在较低围压下（σ3≤300 kPa）均表现出剪胀，且饱和度越高，发生剪胀时的轴向应变越小，剪胀现象越明显。此外，还可以发现在较高围压（σ3≥900 kPa）条件下，非饱和试样在整个剪切过程中体积一直在减小，而饱和试样在剪切至一定程度后体变趋于某一稳定值，这也反映了气体的消散比水要容易得多。

4 强度参数与饱和度关系

滑带土三轴试验强度参数及与初始饱和度关系见表 2、图 4、5。在以往对土体强度与饱和度关系研究中，得到的强度参数c与φ和饱和度或含水率的关系式大部分为直线关系[4－9]，即黏聚力与内摩擦角均随着饱和度和含水率的提高而线性降低；也有学者得到的强度参数与含水率呈半对数关系[11－12]。本次获得的滑带土三轴试验强度参数φ和初始饱和度呈现出良好的线性关系，但黏聚力与初始饱和度曲线却表现为台阶状陡降关系，在初始饱和度较低时，黏聚力与初始饱和度关系曲线较为平缓，黏聚力随饱和度提高略微减小；达到一定饱和度后，黏聚力发生陡降；饱和度增大到一定程度后，黏聚力基本保持不变，接近饱和状态的黏聚力，这一点与文献[13]成果一致。上述成果表明，非饱和土中的吸力对“似黏聚力”的贡献是有限的，并在饱和度为70%～85%的范围内曲线有突变，按照包承纲[14]提出的非饱和土气相四形态划分，应属于“气体部分连通”与“气体内部连通”状态，是非饱和土研究的重点。对本试验而言，当饱和度超过85%以后，吸力对黏聚力的影响几乎为0。笔者在研究该工程的紫红色千枚岩碎屑土滑带时也得到了类似的结论，只是对不同的土体其饱和度的门槛值存在差异。

图2 应力-应变关系Fig.2 Relationships between stress and strain

图3 体变-应变关系Fig.3 Relationships between volume strain and l strain

表2 滑带土三轴试验强度参数Table 2 Triaxial strength parameters of slip soils

图4 黏聚力c 与初始饱和度关系Fig.4 Relationship between cohesion and initial saturation

图5 内摩擦角φ 与初始饱和度关系Fig.5 Relationship between internal friction angle and initial saturation

在求取不同饱和度的强度参数时，内摩擦角可以建立与初始饱和度的线性关系式为

式中:φ为内摩擦角；aφ、bφ均为参数。从图 5中可以得出，本文中关系式参数的取值分别为aφ=-0.16；bφ=36.567。

5 变形参数与饱和度的关系

5.1 Duncan-Chang模型

在土的本构模型中，Duncan-Chang模型简单实用且能反映土体变形主要特点，在工程中被广泛地使用。Duncan-Chang模型可以表示为

式中:Et、μt、Bt分别为切线弹性模量、切线泊松比和切线体积模量；pa为大气压力；c、φ、Rf、K、n、Kb、m、G、F、D为Duncan-Chang模型10个参数。

5.2 Duncan-Chang模型参数与饱和度的关系

从图2、3可以看出，非饱和滑带土三轴试验曲线与饱和滑带土试验曲线类似，本文运用整理饱和土 Duncan-Chang模型参数的方法来整理不同初始饱和度的模型参数，建立模型参数与初始饱和度的关系式。

不同饱和度的模型参数n、m、F、Rf、D如表3所示。由表可以看出，不同初始饱和度下的参数n、m、F、Rf、D值相差不大，且这5个参数对滑坡变形计算的敏感性也不强[14]，可取平均值作为不同饱和度下的模型参数。

表3 不同初始饱和度下的模型参数Table 3 Parameters of different initial saturations

参数K、Kb、G对变形数值计算结果产生较大的影响[15]，准确建立这3个参数与饱和度的关系对数值计算有较大的意义。在凌华[8－9]的研究中，建立了参数K与含水率的对数关系式及G与含水率的线性关系式。在本文中参数K、Kb、G均与初始饱和度呈较好的线性关系，可对其采取线性插值求取不同饱和度下的参数值。参数K、Kb、G与饱和度关系如图6所示，参数K、Kb、G与初始饱和度的关系式分别为

图6 参数K、Kb、G与初始饱和度的关系式Fig.6 Relationships of parameters K、Kb、G and initial saturation

6 结 论

（1）含水率对滑带土强度及变形的有较大的影响，初始饱和度越高，土样强度越低，黏聚力与初始饱和度呈台阶状陡降关系，内摩擦角与初始饱和度可以用线性关系式来描述。

（2）含水率对Duncan-Chang模型参数n、m、F、Rf、D的影响较小，不同初始饱和度下的参数值相差很小，可取平均值作为不同饱和度下的模型参数；参数K、Kb、G对变形数值计算结果产生较大的影响，且与初始饱和度呈较好的线性关系，可以建立K、Kb、G与初始饱和度的线性关系式。

（3）通过改进外体变测试装置，可以实现在普通三轴仪上进行非饱和土强度试验的功能，有利于非饱和土理论在工程中的普及和应用。

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