渗透作用下滑带土强度弱化规律研究*

鲁文搏　吴益平　廖建民　李曜男　王　飞

(中国地质大学(武汉)工程学院1)　武汉　430074)　(江西省电力设计院2)　南昌　330096)



渗透作用下滑带土强度弱化规律研究*

鲁文搏1)吴益平1)廖建民2)李曜男1)王飞1)

(中国地质大学(武汉)工程学院1)武汉430074)(江西省电力设计院2)南昌330096)

摘要：利用模拟库水位实验仪器，研究水位周期性涨落消落带滑带土渗流作用，对比滑带土天然样、浸泡样及渗透样抗剪强度特征.研究渗透作用对滑带土强度弱化的规律，得到了滑带土残余强度与渗透压力-时间之间的拟合公式，为消落带滑带土强度参数取值提供理论基础.同时也为消落带滑带土力学强度判识提供定量化参考.

关键词：滑带土；渗流；强度弱化；残余强度

0引言

滑带土强度的研究是滑坡稳定性评价的关键性内容，滑坡的发展演化与滑带土强度特性密切相关.国内外学者对滑带土强度影响因素做了大量的研究，刘小丽等[1]回顾国内外一些代表性研究工作，对滑带土强度特性研究内容、方法和成果进行了总结.考虑到滑带土强度的工程作用，目前滑带土强度的研究主要集中在滑带土的残余强度、强度软化、结构强度再生及其影响因素的研究上.

事实表明，滑带土残余强度与滑动后滑坡的稳定性密切相关，剪切作用使滑动带上扁平状粘土颗粒形成定向排列是产生残余强度的根本原因.土的残余强度的表征是：剪切面上的孔隙水压力的充分消散和颗粒的定向排列，因此需要用慢的剪切速率达到较大的剪切位移.目前对滑带土残余强度的研究主要侧重在滑带土的组成、结构、地质特征、基本物理性质等方面[2-4]，而针对地质环境因素(如地下水状态、应力状态、变形状态等)变化对滑带土强度动态特性的影响这一领域的研究还比较欠缺.实际上，库水位变动、大气降雨和人类活动等因素的影响造成了三峡库区大量滑坡的失稳，其中滑带土受库水的反复浸泡作用，由此引发的强度降低是产生新生型滑坡或大量古滑坡复活的主要原因[5].而土的强度指标属于土性指标中的动态参量，它是某种状态条件下的产物，在滑坡的演化过程中随着地质环境因素的改变滑带土强度参数是动态变化的.

文中以三峡库区黄土坡滑坡为例，研究黄土坡滑坡在三峡水库蓄水周期性涨落过程中，消落带滑带土受到库水周期性的渗透作用后强度的弱化规律.利用自制模拟库水位涨落实验仪器对黄土坡滑坡滑带土进行渗透处理，将处理后的土样进行环剪实验，通过不同试样的强度对比，揭示渗透作用对滑带土强度影响的实质.

1滑带土基本物理力学特性

试验用土来自中国地质大学(武汉)巴东县大型野外综合试验场TP3平硐内的滑带土.TP3平硐中出露的滑带土，颜色以黄褐、灰褐色为主，经颗粒分析可知，其主要物质成分为粉质粘土夹角砾，其基本物理性质试验结果见表1.可知原状样天然含水率小于塑限含水率，天然密度2.03 g/cm3，说明滑带土处于超固结状态.塑性指数高达7.59，说明蠕动滑带泥化程度高.由于所取的滑带土处于地下水位以下，所以饱和度75.5%较高.本次试验用土为过2 mm筛后的土样.

表1　TP3平硐滑带土基本物理性质

2试验方案

目前确定残余强度的室内试验方法有3种：复排水剪试验、三轴试验、环剪试验[6].往复排水剪试验设备构造简单，制样与安装方便，操作易于掌握.其缺点是：假定上下盒之间的水平面为最危险滑动面，与实际情况不相符；试验过程是通过剪切速率来控制排水程度，做不到严格的排水;随着剪切位移的增大，土体的接触面积逐渐减小，使土样的应力发生变化，特别是竖向应力逐渐增大；在盒边缘处的剪切面上剪应变集中，应变数值最大，在盒中部则分布较均匀，数值最小，这些使得试验结果难以分析.往复直剪仪在剪切的过程中，上下两个金属盒是互相接触的，应力环测定的不仅仅是土样剪切面上的剪应力，还包括了2个金属盒的摩擦力，导致了试验结果高于真实结果.三轴试验剪切位移有限，主要应用于峰值强度的研究中，关于残余强度的研究成果很少.环剪仪在研究滑坡土体残余强度方面优点有：剪切面积不变；试样可以沿一个方向连续剪切，能模拟滑坡的大位移条件；能够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[7-8].另外关于实心扭剪试验中剪切面上剪应力分布不均的现象，由于试样宽度相对于土环半径而言较窄，因此可以认为剪应力沿剪切面是均匀分布的.总的来说环剪仪是研究残余强度较好的仪器.

在对滑带土试样进行环剪实验之前，先对土样进行渗透处理，其中渗透实验与环剪实验原理如下所示.

2.1渗透试验原理

渗透试验原理见图1，首先通过加压气泵将空气压入水箱，当水箱内部压力达到要求时渗透液(水)经调压阀后以一定的水压进入到渗透仪下盖和下透水石之间的水槽，接着通过下透水石-土样-上透水石，最后从上盖的水槽流出，即完成一个完整的渗透的过程.

图1　渗透试验原理示意图

2.2环剪试验原理

如图2所示，环剪仪的剪切盒由上下2个金属环组成，试验时试样放在环状剪切盒内，传力板直接给环状试样的上部施加法向应力，试样上表面被传力板上径向的刀口固定，通过下剪切盒转动给试样施加扭矩，实际上环剪试验和直剪试验一样，破坏面是一个预设定的剪切面.

图2　环剪试验装置原理图

3试验方案

3.1定渗透时间试验方案

本次试验拟通过定渗透时间(t=12 h)条件下，得到不同渗透压力下滑带土的强度参数，以分析渗透压力对滑带土强度弱化规律.为了得到各组强度参数c，φ值，需通过不同法向应力下的平行样来实现，试验方案见表2.渗透过后的试样，力学强度指标通过ARS型环剪仪来检测，为了排除环剪试验条件对渗透试验结果的干扰，各组试样均先固结相同的时间(12 h)，再以恒定的剪切速率(v=0.5 mm/min)进行试验.

表2　渗透压力-法向应力试验方案

注：天然样(natural)和饱和样(saturated)由于未经历渗透过程，所以渗透压(permeability pressure)pp=0 kPa.

应用环剪仪确定残余强度的方法分为：单级剪切试验、预剪试验和多级剪试验，单级剪切是将试样固结后只在恒定法向应力下进行剪切；预剪是指试样固结后利用快剪形成一个剪切面然后再缓慢剪切；多级剪则是指试样先后在从低到高的法向应力下固结剪切.由于每级渗透压(pp)下需做三组不同法向应力下的环剪试验，所以本次试验采用多级剪方式进行剪切，即每级渗透压下的试样先在法向应力σ=100 kPa下固结12 h，再以0.5 mm/min的速率剪切6 h，继而施加下一级(200，300 kPa)法向应力固结后再剪切，如此反复.一个试样需经历3次固结-剪切的循环过程.

3.2渗透压力-渗透时间试验方案

本次试验旨在研究渗透压力、渗透时间对滑带土强度弱化过程研究，在同时考虑2个变量(pp，t)情况下，得到滑带土弱化系数的数学表达式，试验分组见表3.本次试验所有渗透后的试样均在σ=100 kPa的法向应力下固结1 h，再以v=5 mm/min的速率进行剪切.

表3　渗透压力-渗透时间试验分组

4渗透作用对滑带土强度的弱化效应分析

综合国内外学者研究表明水对滑带土有弱化作用[9-10]，将此次试验中渗透作用对滑带土强度弱化分为两个部分：(1)水对土体的直接软化和润滑作用，这部分与土的含水率或孔隙水压力相对应，而与渗透压本身无直接关系；(2)渗透压力对土体组构的破坏、劣化作用，这部分与水对土体的渗透力相对应.水对土体的软化作用只与含水率相关，并不会直接破坏土体组构的完整性，可以认为是一个相对静态的过程.而渗透压力对土体组构的破坏、劣化作用则与渗透压力直接相关，可以直接破坏土体组构，导致力学强度劣化，这是一个相对动态的过程.

基于上述分析，本文引入水对土的直接软化系数(简称软化系数)η(t)和渗透作用对土体组构的劣化系数(简称劣化系数)ω(pp,t)分别用来刻画这两部分对滑带土强度的弱化作用，并且假设这两个部分是相互独立作用的，由此可得土体在一定渗透压pp下渗透时间t后的弱化系数D(pp,t)为

(1)

1) 软化系数η(t)的定义由于软化系数是水对土体的直接软化、润滑作用，不会直接破坏土体组构，内在原因是含水率或孔隙水压力的变化，所以选用浸泡土样试验来求得软化系数，η(t)只与浸泡时间t相关，在渗透试验时等同于渗透时间.软化系数η(t)定义如下.

(2)

式中：τ(0,t)，τn分别为浸泡(pp=0 kPa)t时刻及天然样的抗剪强度(也可为c，tanφ值).

2) 劣化系数ω(pp,t)的定义渗透作用对土体组构的劣化作用则不仅与渗透压pp有关，还与渗透时间t也有关，其定义如下.

(3)

式中：τ(pp,t)为渗透压pp作用时间t后的抗剪强度(也可为c，tanφ值)；τ(0,t)为浸泡时间t后的抗剪强度(也可为c，tanφ值).

由式(1)～(3)可知：

(4)

5试验结果分析

5.1定渗透时间试验结果分析

由图3可知峰值强度与渗透压pp拟合关系不明显，残余强度与渗透压pp拟合性较好，主要是由于试样均为重塑土，其峰值强度与原状样有差异，而滑带土的残余强度与土的应力历史、原始结构无关，可用滑带土的重塑样进行大位移剪切试验求取残余强度来表征原状样的强度指标.表4中滑带土残余强度环剪试验数据反映了较好的规律，残余强度随着渗透压增大而递减，且在较小的范围内迅速弱化，在100～150 kPa即趋于稳定，呈现负指数衰减规律.同时可以看出滑带土抗剪强度与试验时的法向应力有关，法向应力越大抗剪强度也越大.定渗透时间(t=12 h)条件下各试样的强度参数见表5.

表4　各组试验峰值强度及残余强度值　kPa

图3　各组试验τ-pp拟合曲线

参数编号12345678c/kPa10.6967.6766.5566.1365.8165.8965.7765.872tanϕ0.4640.4130.3570.3070.2690.2420.2260.220

由式(2)、式(3)可知，本试验工况下c值的软化系数η(t)、劣化系数ω(pp,t)分别为

(5)

(6)

式中：b为待定系数，由试验数据确定；R0为收敛值；pp为对应的渗透压.

将表3试验数据带入式(5)、式(6)可得

(7)

5.8+1.876e-0.017 1pp

(8)

0.717(5.8+1.876e-0.017 1pp)

(9)

c(pp,12)=cnD(pp,12)

(10)

(11)

0.22+0.193e-0.007 97pp

(12)

0.89(0.22+0.193e-0.007 97pp)

(13)

(14)

图4为各渗透压下滑带土组构劣化占整个强度弱化的比重，可以明显看出：(1)c，tanφ比重都随渗透压pp的增大而增大，并且很快趋于稳定；(2)c值的组构劣化比重没有tanφ值的高，组构劣化对c的影响没有对φ的影响大；(3)c值的组构劣化比重均小于0.5，说明软化作用比劣化作用对c值的影响大；(4) tanφ的组构劣化比重均大于0.5，说明内摩擦角φ的弱化以组构劣化为主.

图4　劣化占弱化比重图

综上所述，渗透作用对滑带土强度存在弱化作用，且随着渗透压pp的增大而迅速增大，并且很快趋于稳定.如果把这种弱化作用分为直接软化作用和组构劣化作用两部分来研究，那么直接软化作用主要影响c值的大小，而组构劣化作用主要影响tanφ值的大小，说明含水率直接影响土的基质吸力，由于环剪试验中滑带土的φ值主要取决于滑带上土颗粒的定向排列程度，组构劣化作用是影响了土颗粒的定向排列，继而导致tanφ值的减小.

5.2渗透压力-渗透时间试验结果分析

D(pp,t) 由η(t)、ω(pp,t)两部分组成，η(t)通过浸泡样(pp=0 kPa)与天然样比较求得，η(t)与时间t的关系见图5.

图5　η(t)-t关系曲线

由于η(t)基本符合负指数衰减规律，假设其数学表达式为：

(15)

式中：b为待定系数，根据试验数据确定；η0为η(t)收敛值；t为浸泡时间.代入试验数据可得η0=0.79，b=0.196，则软化系数数学表达式为

(16)

组构劣化系数ω(pp,t)通过渗透样与浸泡样比较求得，ω(pp,t)与pp，t的关系曲线见图6.

图6　各渗透压下ω(pp,t)-t关系曲线

由图6可知，各组试验均反映了较好的规律.从7组试验强度比值线可看出，残余抗剪强度随着渗透时间增加而递减，且在较短时间内迅速弱化，经历一段时间后抗剪强度保持定值不再减小，呈现出负指数衰减的特性.同比7组试验数据又可发现，滑带土残余抗剪强度的弱化幅度与渗透压大小也有关，渗透压越大抗剪强度的弱化降幅越大，且最终的收敛值越小.由上述分析可得，渗透作用下滑带土残余强度的弱化不仅与渗透时间有关，还与渗透压的大小相关.

由于ω(pp,t)基本符合负指数衰减规律，假设其数学表达式为

(17)

式中：a为待定系数，根据试验数据确定；K(pp)为劣化系数收敛值.进一步分析收敛值K(pp)与渗透压的关系，见图7，浸泡样pp=0 kPa.

图7　收敛值K(pp)与渗透压pp关系

同理假设其数学表达式为

(18)

式中：c为待定系数，根据试验数据确定；K0为收敛值.代入试验数据可得K0=0.71，c=0.008 93，K(pp)的数学表达式为

K(pp)=0.71+0.29e-0.008 93pp

(19)

将式(19)和数据代入式(17)得a=0.103 3，则劣化系数ω(pp,t)的数学表达式为

(20)

将式(16)、式(20)代入(1)可得本试验条件下的弱化系数D(pp,t)的数学表达式为

(21)

滑带土渗透样残余强度τ(pp,t)的数学表达式为

(22)

式中：τn为天然样的残余强度值；D(pp,t)为弱化系数.

式(22)揭示了渗透作用的时间和强度对滑带土的残余强度的弱化效应，给出了滑带土残余强度随着渗透压强和时间的一个动态变化过程，为涉水滑坡工程中残余强度的确定提供了参考依据，并且为水对土体强度弱化效应的研究提供了一定探索思路.

6结论

1) 水对土体的弱化作用分为软化作用和劣化作用.水对土体的软化作用只与含水率相关，并不会直接破坏土体组构的完整性，可以认为是一个相对静态的过程；渗透压力对土体组构的破坏(即劣化作用)则与渗透压直接相关，可以直接破坏土体组构，导致力学强度劣化，这是一个相对动态的过程.

2) 渗透作用对滑带土强度存在弱化作用，且随着渗透压pp的增大而迅速增大，并且很快趋于稳定.把这种弱化作用分为直接软化作用和组构劣化作用两部分来研究，那么直接软化作用主要影响c值的大小，即含水率直接影响土的基质吸力；而组构劣化作用主要影响tanφ值的大小，即组构劣化作用主要影响了土颗粒的定向排列，继而导致tanφ值的减小.

参 考 文 献

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The Law of Residual Strength Weakening of Slip Soil Under the Action of Seepage

LU Wenbo1)WU Yiping1)LIAO Jianming2)LI Yaonan1)WANG Fei1)

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)1)(ElectricPowerDesignInstituteofJiangxi,Nanchang330096,China)2)

Abstract：By using self-made instrument, the seepage of the slip soil under the periodic change of the reservoir water level is simulated. The shear strengths of natural soil samples, soaked soil samples and seepage samples are compared. The law based on which seepage influences the strength of slip soil is studied. A fitting formula describing the relationship between the residual strength of slip soil and seepage pressure-time is obtained. It provides theoretical foundation for the parameter valuation of slip soil in the water-level-fluctuating zone. In addition, this formula also provides a quantitative reference for strength identification of slip soil.

Key words：slip soil; seepage; strength weakening; residual strength

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.029

中图法分类号：U416.1

收稿日期：2016-02-14

鲁文博(1990- )：男，硕士生，主要研究领域为岩土工程稳定性评价

*国家自然科学基金项目资助(41272307)