剪切方式对重塑黄土残余强度的影响

2018-02-13骆亚生

水土保持通报 2018年6期

王炜, 骆亚生

(1.山西农业大学城乡建设学院，山西太谷 030801； 2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

滑带土随着滑坡的发生而形成并发展，是滑坡的重要组成部分[1]，从滑带土角度对滑坡进行研究有重要的意义[2]，因此要从多方面对滑带土进行研究，目前地质方面的研究已有不少成果[3]，滑带土强度特性的研究是滑坡研究中最重要的内容，自1964年Skempton[4]提出残余强度后，滑坡土体的强度研究便为以残余强度为主。残余强度的获取方式较多，主要包括反分析评价法[5]、数值模拟法[6-8]，以及试验测算[9]。李妥德[9]总结指出残余强度的测试途径主要包括：大位移剪切、预制切面剪切和沿天然剪切面剪切，主要的试验仪器有：环剪仪、应变式直剪仪、三轴仪和现场大面积剪切仪。环剪仪的剪切过程为空心扭转，其优点在于剪切过程中剪切面面积稳定、面上应力均匀分布[10]，试样可以沿着一个方向连续剪切，且有效法向应力、剪切速率都可控制，因此扭转剪切测得的残余强度准确率高[11]，能较好地模拟滑坡[12-13]。黏土的残余强度研究成果较多，而黄土作为一种特殊性质的土体，再加上滑带土的重要性及特殊性[14-15]，且土在不同剪切方式下的应力—应变状态和强度指标存在差异[16]。

为了了解土体在不同剪切方式下的应力—应变状态及强度指标、变形特性等问题，本文采用HJ-1型环剪仪，对重塑黄土进行了环剪试验，探究其峰值强度、残余强度及变形规律，为黄土滑坡工程评价及治理提供科学依据。

1 环剪试验

1.1 试验仪器与土样

本试验所用试验仪器为HJ-1型环剪仪。该仪器主要用于测量土的残余强度，提供的最大法向应力为900 kPa，最大扭矩值为300 N·m，剪切速率为3.00×10-6～2.10×10-2r/min，可以设置有效法向应力和剪切速率，根据试样沉降或固结时间来控制固结过程，试验中可记录一系列的角位移θ，扭矩M，试样沉降量及试验时间t。

本试验所用土料取自泾阳县太平镇崔师某砖窑，取土的纵向深度约4.0 m，属于晚更新世马兰黄土，显棕黄色，其主要的物理指标详见表1。原状土取样难度大，运输保存容易受干扰，而土体的初始结构、应力历史对其残余强度无影响[17]，故试验采用重塑试样。制备过程为将土样烘干碾碎、过2 mm的土工筛，喷洒试验设定含水率所需的水量，并且让水与土进行24 h以上的充分混合，制备成尺寸为φ100 mm(外径)×φ60 mm(内径)×20 mm(高)，密度为1.52 g/cm3的试样。根据计算得试样的面积为50.27 cm2，试样平均直径为8.17 cm。

表1 试验土料基本物理指标

1.2 试验原理

剪切过程中，上剪切盒与扭矩荷重帽固定，剪切盒中的试样随着下剪切盒以剪切速率旋转，在剪切力的作用下，试样产生剪切裂纹、逐渐形成剪切面，最后达到剪切破坏。由于环剪仪的特点，剪切过程中剪切面上正应力和剪应力近似认为均匀分布，由于试样宽度较小，一般采用平均剪应力τ和平均剪切位移S，这2个量可以通过扭矩M和角位移θ计算求得，其中扭矩M由扭矩显示器读取，角位移θ等于下剪切盒的旋转速率υ2与剪切时间t的乘积。

(1) 平均剪应力τ:

(1)

(2) 平均剪切位移S：

(2)

式中：r1——试样圆环内半径(cm)；r2——试样圆环外半径(cm)；υ2——下剪切盒转速(转/min)；Dm——试样平均直径；t——扭转剪切历时(min)。

1.3 试验方案

环剪仪的剪切方式主要分为[5]：单级剪切试验、预剪试验和多级剪切试验。本次试验采用的剪切方式为单级剪与多级剪。具体试验方案详见表2。

表2 重塑黄土的环剪试验方案

2 结果与分析

2.1 单级剪试验结果

为探究有效法向应力对黄土强度的影响，取不同含水率13%，16%，19%，22%的试样，在同一剪切速率下进行单级环剪试验，得出的剪应力—剪切位移曲线如图1所示。

由图1可知，随着剪切位移的增加，土体的强度迅速增加，且有效法向应力越大，强度增加越快，表现为土体强度曲线斜率与有效法向应力呈正相关。土体强度达到峰值强度后，大多出现了强度的软化，而较小有效法向应力(100 kPa)下的强度软化要明显于较大有效法向应力(300 kPa)下的软化现象。随着剪切位移的持续增加，土体的强度逐渐稳定，达到残余强度。土体的峰值强度随着有效法向应力的增加而增加，因为垂直压力较大时，土体的结构变密实，土颗粒更容易形成次生结构。而残余强度随着有效法向应力的变化规律与峰值强度相同，且有效法向应力较大时，达到残余强度所需要的剪切位移较小，因为有效法向应力越大，土样内部的孔压越小，土体颗粒间的摩擦作用越大，内部结构更容易破坏，进而沿着剪切方向形成剪切面；相反有效法向应力较小时，试样土颗粒之间的胶结强度变化很小，起主要作用的是黏聚强度，而达到残余强度时，黏聚强度显著减小[18]。所以强度软化现象在低有效法向应力时表现明显，而高有效法向应力时表现不明显或呈现弱硬化。由图1还可看出，含水率为19%试样在有效法向应力300 kPa及含水率为22%的试样强度曲线为弱硬化，其原因可能是高含水率的试样在剪切过程中，由于土体排水的过程中携带了部分土颗粒，这部分土颗粒随着下剪切盒的旋转，被挤压到剪切盒之间增大了摩擦造成了误差[19]。

图1 重塑黄土单级剪切试验剪应力-剪切位移关系曲线

2.2 多级剪试验结果

图2所示为不同含水率试样在同一剪切速率下的多级剪切应力—剪切位移关系曲线。从图2可知， ①第一级剪切实质上就是单级剪切，随着剪切位移的增加，土体迅速达到峰值强度，之后逐渐减小，趋于稳定时达到残余强度，这时已形成剪切面，总体上呈现应变软化型； ②在新的固结荷载作用后，继续进行环剪试验，土体强度的变化规律与第一级荷载作用时的规律相似，总体上各级荷载作用下的峰值强度、残余强度均较前一级的有明显提高，这是因为较大的有效法向应力将土体挤密压实，土颗粒之间形成新的较大的黏结结构，故其峰值强度、残余强度都变大； ③试样所受的有效法向应力越大，达到残余强度所需的剪切位移越小，但峰值强度与残余强度之间的衰减越不明显，因为第一级荷载作用后，土颗粒完成定向排列，颗粒之间的摩擦咬合作用减弱，土体越容易达到残余强度。

图3为试样多级剪切的沉降位移—剪切位移曲线。由图3可知，沉降位移与分级荷载呈对应关系，第一段实质是单级剪切的沉降位移—剪切位移曲线。初始阶段，土体在较小有效法向应力作用下由于剪胀作用导致沉降位移变化明显，随着剪切位移的增大，沉降位移逐渐稳定，试样达到残余强度。由图3可知，试样最大的沉降位移为3 mm，即试样高度的15%。土体的沉降位移随有效法向应力的增加而增大；图3中低有效法向应力下土体沉降规律明显，高有效法向应力下土体沉降无明显规律。在低有效法向应力作用时，土体沉降的主要控制因素为有效法向应力；而有效法向应力较大时，沉降的控制因素变为含水率和有效法向应力的共同作用。对比图2和图3可知，沉降位移表现出明显的阶段性，即初始剪胀阶段、颗粒运移压密阶段、稳定压密阶段[20]。初始剪胀阶段：土体前期结构遭到破坏，颗粒之间的摩擦、搓揉作用较大，土颗粒重新分布并形成稳定的排列，土体形成裂缝和剪切面，这一阶段剪应力急剧增大；颗粒运移压密阶段：随着剪切位移的增加，部分土颗粒被碾碎，增加了土体中细颗粒的比例，剪切面附近的粗颗粒向上下运移，扭剪作用使水分移动过程中携带了部分的细颗粒，促使剪切面附近的土颗粒形成定向排列。剪切过程中，仪器开合剪切缝不密封，试样剪切面的土颗粒随着环剪过程被挤出剪切盒，试样沉降位移也会变大；在稳定压密阶段：细粒土为主的剪切面上，土颗粒沿着剪切方向形成定向排列，试样沉降稳定，强度也达到残余强度。

图2 重塑黄土多级剪切试验剪应力-剪切位移关系曲线

图3 不同含水量下的沉降位移-剪切位移关系曲线

2.3 残余强度结果比较

由表3可知，残余黏聚力比峰值黏聚力显著减小，而残余内摩擦角较峰值内摩擦角略小，这是因为达到残余强度时，土体内部的黏聚作用明显降低。相同法向应力下，单级剪的残余强度指标与多级剪的残余强度指标的均值相差不多。分析不同剪切方式下残余强度指标差异的原因有两点，一是孔隙水压力在多级剪中消散较慢，土粒在前期已定向排列；二是由于多级剪试验中试样受到多次剪切后，剪切带上会挤出一些土颗粒到仪器的剪切缝中，这样上下剪切盒之间的摩擦增大，影响了试验结果。所以剪切方式的不同，对残余强度参数的测定造成影响。工程实践中为确保安全，在选择剪切方式的时候应该首选单级剪切。