泾阳南塬黄土环剪强度特性试验研究

李 文 可

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)



泾阳南塬黄土环剪强度特性试验研究

李 文 可

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)

摘要：研究大剪切位移条件下土的抗剪强度特性，对于边坡稳定性分析以及滑坡防治等具有重要意义。利用环剪试验仪，研究了饱和状态下泾阳南塬黄土在不同法向应力和剪切速率下的抗剪强度特性。试验结果表明：饱和黄土的抗剪强度随法向应力的增大而增大，呈明显的线性关系；随着剪切速率的增大，饱和黄土的抗剪强度呈减小的趋势；在剪切速率较低时，饱和黄土的剪应力—位移曲线呈应变硬化型，而剪切速率较高时，剪应力—位移曲线出现较明显的剪切峰值强度，表现为应变软化型，且剪应力达到峰值强度时的剪切位移也随剪切速率的增大呈增大的趋势。

关键词：泾阳南塬；抗剪特性；残余强度；法向应力；剪切速率

泾阳南塬地处陕西省泾阳县泾河右岸，系关中盆地渭北黄土台塬的北缘[1]。自1976年塬区大面积灌溉以来[2]，塬边黄土滑坡频发，曾造成了严重的经济损失和人员伤亡。通过研究黄土的抗剪强度特性，尤其是研究其在大位移剪切条件下的残余强度特性，对于分析黄土边坡的稳定、揭示黄土滑坡的发生、运动机理等特性具有重要的意义。

环剪试验是一种空心扭剪试验，与常规的直剪及三轴剪切试验相比，环剪试验过程中可以保持试样的剪切面积不变并且可以使其在连续的位移条件下进行剪切。因此，环剪仪已被广泛用于大剪切位移条件下的滑带土残余强度特性研究[3-5]，在应变软化研究方面的作用也越来越重要。Skempton[6]认为，以缓慢的剪切速率剪切至较大位移时所达到的最小剪切强度即为土的残余强度，且其决定了土的抗剪强度。Hvorslev[7]指出，扭转剪切试验可以更好的测定土的残余强度。戴福初等[8]认为，从残余强度的概念出发，与直剪试验相比，在测定土的残余强度方面环剪试验具有更好的优势。孙涛等[9]、尹占巧等[10]利用环剪仪研究了超固结黏性土的峰值及残余强度，为国内环剪试验的研究提供了借鉴。

本文以泾阳南塬斜坡带坡脚黄土为研究对象，通过室内环剪试验，研究了不同法向应力和剪切速率对该层黄土在饱和状态下抗剪强度特性的影响，以期为区内黄土边坡的稳定性分析和滑坡防治提供一定的理论借鉴。

1试样来源及其物理性质指标

试验所用黄土取自泾阳南塬西庙店滑坡所处斜坡带坡脚Q2黄土，颜色呈灰黄色，较密实，颗粒较细，质地均一，黏性较高，偶含虫孔及植物根系，钙质结核较多，滑坡全貌及取样点位置见图1，土样的物理性质指标见表1。利用丹东百特Bettersize2000智能激光粒度仪对土样的颗粒级配分析测试结果如图2所示，其中粒径在0.075 mm～0.005 mm之间的颗粒含量为74.36%，粒径小于0.005 mm的颗粒含量为23.81%。根据《土工实验规程》[11](SL237-1999)试验土样定名原则，该黄土属于粉质黏土(塑性指数10.3)。

表1　黄土基本物理性质指标

图1　西庙店滑坡全貌

图2试样颗粒分析曲线

2试验仪器及试验方案

2.1试验仪器

试验采用美国GTCS公司生产的SRS-150型环剪试验仪，该仪器将扭矩施加在空心圆柱状土试样上，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。该环剪仪最大剪切速率为360°/min，峰值扭矩820 N·m，最大法向应力1 000 kPa，峰值剪切应力1 300 kPa。试验所用环形试样尺寸为：外环直径150 mm，内环直径100 mm，有效试样面积为98 cm2，试样高度为25 mm。

2.2试验方案

为测试泾阳南塬黄土在不同法向应力和剪切速率下的抗剪强度特性，试验均采用单级剪切，即在试样充分固结后，只在一级法向应力下进行剪切。受试验仪器的限制，原状黄土的环状试样制作较为困难，故本次试验采用重塑饱和试样。将风干后过2 mm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，完成后用保鲜膜将试样密封，使其充分饱和48 h。试样固结时间为24 h，在法向应力100 kPa、200 kPa、300 kPa下分别进行剪切速率为130 mm/min、260 mm/min、390 mm/min(120°/min、240°/min、360°/min)的固结不排水正交试验，共9组。

3试验结果分析

3.1法向应力对抗剪强度的影响

试样在3组相同剪切速率、不同法向应力下的剪应力—剪切位移曲线如图3(a)～图3(c)所示。从图3中可以看出，试样在相同的剪切速率条件下，剪应力与剪切位移曲线呈渐增型，即随着法向应力的增大，相同剪切位移时所对应的抗剪强度也随之增大。

图3不同法向应力下剪应力—剪切位移关系

3.2剪切速率对抗剪强度的影响

剪切速率对残余强度的影响比较复杂[12-14]。按照残余强度受影响程度的大小，可将剪切速率划分为慢剪(小于0.01 mm/min)、一般剪切(0.01 mm/min～100 mm/min)以及快剪(大于100 mm/min)。Skempton[6]通过研究指出，在慢剪条件下黏性土的残余强度受剪切速率变化的影响基本可以忽略，而在快剪条件下，残余强度会出现很大变化，尚需进一步研究。Lemos等[15]发现，在慢速排水剪作用下形成的剪切面上进行快速剪切，最终的快剪残余强度值可能大于、等于或小于慢速排水剪的残余强度。Tika等[16]利用环剪试验对意大利瓦伊昂水库滑坡滑带土进行了研究，结果表明在一定的快剪速率下，试样均先表现为强度的升高，随后又表现出强度的明显降低，在100 mm/min的剪切速率下，最小的快剪强度值仅为慢剪强度值的60%。

针对以上研究现状，本次试验选取130 mm/min、260 mm/min、390 mm/min的剪切速率开展对泾阳南塬黄土在饱和状态下的抗剪强度研究。试样在3组相同法向应力、不同剪切速率下的剪应力—剪切位移曲线如图4(a)～图4(c)所示。从图4中可以看出，在相同的法向应力条件下，随着剪切速率的增大，饱和黄土的残余强度随之降低，且法向应力越大，残余强度值降低的越大，这种现象主要是由于剪切速率过快，剪切面来不及排水，导致剪切面附近孔隙水压力上升，有效应力减小，使土的残余强度降低。

图4不同剪切速率下剪应力—剪切位移关系

从图4还可看出，剪切速率较低(130 mm/min)时，不同法向应力情况下，饱和黄土均未出现峰值强度，表现为应变硬化；而剪切速率较高时，在不同法向应力情况下饱和黄土都出现了比较明显的剪切峰值强度，剪应力曲线呈应变软化型，而随着剪切速率的增大，剪应力达到峰值强度及残余强度时所对应的剪切位移也增大，可见在较低的剪切速率条件下，土颗粒重新排列并固结，土体强度逐渐恢复，而剪切速率较高时，土体结构破坏，强度来不及恢复，故表现为应变软化型，且黄土在剪切过程中需要更多的变形调整内部结构以达到稳定状态。

3.3强度参数特性

饱和黄土剪应力—法向应力关系曲线如图5所示。实验结果表明，饱和黄土的抗剪强度随法向应力的增大而增大，呈明显的线性关系，由此可见同一级剪切速率条件下饱和黄土的内摩擦角与法向应力无关，这与文献5中的结论一致。从剪应力—法向应力关系曲线中可以看出，随着剪切速率的增大，同一级法向应力下的饱和黄土抗剪强度呈减小趋势，且减小程度随法向应力的增大而增大。

根据土力学中摩尔库伦强度准则对不同剪切速率下饱和黄土的残余强度和法向应力进行拟合，得到饱和黄土的强度参数c、φ值见表2。

图5　剪应力—法向应力关系

4结论

(1) 饱和黄土的抗剪强度与法向应力呈明显的线性关系，随着法向应力的增大，相同剪切位移时，对应的抗剪强度也随之增大，且剪应力达到峰值时的剪切位移也呈增大的趋势。

(2) 法向应力相同时，饱和黄土的残余强度随着剪切速率的增大反而降低。

(3) 剪切速率较低(130 mm/min)时，不同法向应力情况下，饱和黄土均未出现峰值强度，表现为应变硬化；而剪切速率较高时，在不同法向应力情况下饱和黄土都出现了比较明显的剪切峰值强度，剪应力曲线呈应变软化型。

(4) 法向应力相同条件下，剪切应力达到峰值强度及残余强度所对应的剪切位移随着剪切速率的增大而增大。

参考文献：

[1]陕西地质矿产局.陕西省区域地质志[M]．北京：地质出版社,1989:546-556.

[2]雷祥义.泾阳南塬黄土滑坡与引水灌溉的关系[J]．工程地质学报,1994,3(1):56-64．

[3]杨志双,许清涛,刘正华,等.大型高速环剪试验机及其在滑坡研究中的应用[J].长春科技大学学报,2001,31(2):163-167.

[4]洪勇,孙涛,栾茂田,等.土工环剪仪的开发及其应用研究现状[J].岩土力学,2009,30(3):628-634.

[5]李小伟,吴益平,张荣,等.滑带土抗剪强度特性的环剪试验研究[J].科学技术与工程,2014,14(27):273-276.

[6]Skempton A W. Residual strength of clays in landslides, folded strata and the laboratory[J]. Geotechnique, 1985,35(1):3-18.

[7]American Society for Testing and Materials. Laboratory shear testing of soils[C]//Committee D-18 on Soils for Engineering Purposes. Philadelphia:[s. n.], 1964.

[8]戴福初,王思敬,李焯芬.香港大屿山残坡积土的残余强度试验研究[J].工程地质学报,1998,6(3):223-229.

[9]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.

[10]尹占巧,许成顺,刘海强,等.环剪仪在超固结土残余强度分析中的应用[J].防灾减灾工程学报,2013,33(5):556-560,572.

[11]中华人民共和国水利部.土工试验规程：SL237-1999[S].北京：中国水利水电出版社，1999.

[12]刘小丽,邓建辉,李广涛.滑带土强度特性研究现状[J].岩土力学,2004,25(11):1849-1854.

[13]周永习,张得煊,罗春泳,等.饱和黄土稳态强度特性的试验研究[J].岩土力学,2010,35(5):1486-1490.

[14]任惠芳.浅析滑坡土的残余强度[J].青海地质,1995(2):71-74.

[15]Lemos L, Skempton A W, Vaughan P R. Earthquake loading of shear surfaces in slopes[C]//Proc. of the 11th Int. Conf. on Soil Mech. and Found. Engng. [S.l.]: [s.n.], 1985:1955-1958.

[16]Hutchinson J N, Tika Th E. Ring shear tests on soil from the Vaiont landslide slip surface[J]. Geotechnique, 1999,49(1):59-74.

Experiments of Shear Strength Characteristics in Ring Shear Tests of Loess from South Jingyang Plateau

LI Wenke

(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd，Beijing102600，China)

Abstract：Shear strength characteristics of large shear displacement of soil has important significance to the slope stability analysis and landslide prevention. Experiments were conducted on shear strength of saturated loess from South Jingyang Plateau at different normal stress and shear rate by using ring shear test. The results shows that the shear strength of saturated loess increases with the normal stress increases and reveal strong linear relationship, the shear strength of saturated loess decreases while the shear rate increases at low shear rate, shear stress-displacement curve of saturated loess shows strain hardening model, and at high shear rate, shear stress-displacement curve shows relatively obvious peak shear strength which shows the strain softening mode, and the shear displacement of shear stress at the peak time of strength also increases with the increase of shear rate.

Keywords:South Jingyang Plateau; shear strength; residual strength; normal strength; shear rate

文章编号：1672—1144(2016)01—0184—04

中图分类号：P642

文献标识码：A

作者简介：李文可(1990—)，男，河南洛阳人，硕士，主要从事岩土工程勘察方面工作。E-mail：liwenke121@163.com

基金项目：中国地质调查局项目(12120114036001)；国家自然科学基金重点项目(41130753)；西安科技大学博士启动金(2014QDJ029)

收稿日期：2015-08-27修稿日期：2015-10-28

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.034