不同排水条件下饱和砂土快速大剪切力学特性

洪 勇，周 蓉，郑孝玉

1.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033 2.吉林大学建设工程学院，长春 130026

0 引言

滑坡因其具有破坏性强、致灾后果严重、致灾范围一般难以准确预测等特点，已成为中国最具代表性的地质灾害问题之一[1]。滑坡灾害的产生是一个复杂的力学过程并受诸多因素的影响[2]，因此其发生机理也不尽相同。滑坡的发育、发生及运动是滑体沿滑动带(面)和一定滑动路径上发生的大剪切位移过程。目前，有关滑坡灾害中土的力学性质研究主要集中于对滑带土工程特性和强度参数测定方面，其研究内容主要涉及静动荷载作用下滑带土的强度参数取值和测定方法等方面[3-9]。此外，鉴于滑坡活动具有位移量大和多次启动等特点，国内外学者针对滑带土残余剪切的机理及准确确定峰后残余强度的方法开展了研究[10-13]，进而从土的力学性质揭示了滑坡灾害的发生机理和运动机制。

在以往滑坡土体剪切力学特性试验研究方面，各国学者通常主要利用直剪试验、三轴压缩试验等常规室内土工试验方法，研究土体剪切变形的产生、发展和演变过程以及剪切力学特性的变化规律。由于常规试验仪器在功能和方法上的局限性，其基于全应力应变试验所量测的结果与实际滑坡土体内部的变形破坏过程存在较大差异，并不能真实反映滑坡土体在实际大剪切位移条件下诸如颗粒定向排列、粒子破碎、孔隙水运移等实际情况。环剪仪作为一种研究土体在大剪切位移条件下力学性质的土工试验设备，其具有独特的设计构造和试验功能[14]。现代环剪仪能通过精密控制和监测系统保证各种试验条件下剪切过程中排水与不排水状态的实现，因此环剪试验及其成果能够更加真实地反映实际滑坡土体内的受力状况。

在滑坡灾害发生过程中，滑动路径上具有不同物理力学状态的砂土对滑坡的运动过程会产生显著的影响。例如，在陕西泾阳南塬地区分布着大量具有高速远程滑动特点的黄土滑坡[15-16]。该滑坡灾害的运动过程与其滑动路径上分布的河流阶地砂在不同受力和排水条件下的力学性质变化具有一定的关系。该类砂土在滑坡滑动过程中甚至可能诱发滑动液化现象的发生，并导致滑体发生高速远程滑动。本文利用大型高速环剪试验机，通过对砂土在不同排水、法向应力和剪切速度下的剪切试验特性进行对比分析，以期揭示砂土在大剪切位移条件下的剪切力学特性及其作用机理，为深入研究滑坡灾害中土的剪切力学特性及其对滑坡运动过程的影响提供理论支持和分析依据。

1 试验过程

1.1 试验仪器

本项研究所采用的试验仪器为DPRI-3型环剪仪(图1)，其主要由主机、计算机控制系统、剪切伺服系统3部分组成。主机由上、下环形剪切盒(图2a)组成，其内、外环的直径分别为21、31 cm，剪切面积为408 cm2。计算机控制法向应力、剪切速度的施加并记录、存储实验过程中的各项数据。该仪器最大法向应力可达500 kPa，最大剪切速率可达30 cm/s,其可进行上排水、下排水、上下排水等多种不同方式的排水试验。

图1 DPRI-3型环剪仪Fig.1 DPRI-3 ring shear apparatus

试验过程中的孔隙水压力由设置于剪切面处的孔隙水压力传感器(图2b)及外设的HCSC-8数据采集系统进行测量。由于传感器设置在剪切面处，因此所测量的孔隙水压力能更真实地反映土剪切带(面)处孔隙水压力的变化情况。

1.2 试验内容

本次试验所采用的试样为中国ISO标准砂，其相对密度为2.71，孔隙平均粒径为0.50 mm，不均匀系数为5.991，曲率系数为1.006，表明试样的级配良好。通过进行不同法向应力(σ)、剪切速率(r′)条件下的环剪试验，对比分析饱和砂在不排水、上排水、上下排水、下排水4种不同排水条件下的快速大剪切力学特性。试验时将土样放置于环形剪切盒中，然后通过下排水处的水管注入去离子水，并打开上排水装置(图2b)，当排水过程中排水管内无气泡排出且排出水流速度平稳时，表示砂土处于饱和状态。

试验共分36组进行，首先将每组试样分别在100、200和300 kPa法向应力下固结至垂直位移和孔隙水压力保持不变为止；然后针对不同排水(不排水、上排水、上下排水、下排水)条件下每一组具有相同法向应力试样分别进行剪切速率为0.01、0.10和1.00 cm/s的环剪试验，详细试样分组情况见表1。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

图3—图5分别为饱和砂在相同剪切速率不同排水条件及法向应力条件下的剪切应力-剪切位移关系曲线。在不排水条件下(图3a、4a、5a)，试验开始后，饱和砂的剪切应力会迅速上升至峰值，其后随着位移的增大，剪切应力下降，直至最后达到稳定的残余强度，此时饱和砂表现为软化现象；在排水条件下(图3b、c、d，图4b、c、d，图5b、c、d)，尽管各试验条件下的剪切应力-剪切位移关系曲线的形态有所差异，但剪切应力在达到峰值强度后并未出现峰后应力下降的情况。为了分析水对标准砂的影响，进行了在相同条件下干燥砂的对比试验。图6为干燥砂在不同剪切速率下的剪切应力-剪切位移关系曲线。如图6所示，在正常固结条件下，干燥砂在剪切过程中会迅速达到峰值强度而后趋于稳定。上述所有各组试样试验结果均表明，在相同剪切速率和相同排水条件下，抗剪强度均随着法向应力的增大而增大。

图2 环剪仪的剪切盒及排水装置Fig.2 Ring shear box and drainage devices

排水方式σ/kPa试验分组编号r'=0.01 cm/sr'=0.10 cm/sr'=0.01 cm/s不排水100BS1BS2BS3200BS4BS5BS6300BS7BS8BS9上排水100SS1SS2SS3200SS4SS5SS6300SS7BS8SS9上下排水100SXS1SXS2SXS3200SXS4SXS5SXS6300SXS7SXS8SXS9下排水100XS1XS2XS3200XS4XS5XS6300XS7XS8XS9

图3 当r′=0.01 cm/s时，饱和砂在4种排水条件下剪切应力与剪切位移的关系Fig.3 Variation of shear stress of saturated sand under the four types drainage conditions when r′=0.01 cm/s

通过比较图3、图4、图5知，尽管在相同法向应力不同排水方式下饱和砂土达到峰值强度所需要的剪切位移与剪切速率正相关，但是其峰值强度与剪切速率有显著区别。即随着剪切速率的增大：不排水条件下，抗剪强度变化不大；上下排水条件下，抗剪强度减小；上排水和下排水条件下，抗剪强度增大。

图4 当r′=0.10 cm/s时，饱和砂在4种排水条件下剪切应力与剪切位移的关系Fig.4 Variation of shear stress of saturated sand under the four types drainage conditions when r′=0.10 cm/s

图5 当r′=1.00 cm/s时，饱和砂在4种排水条件下剪切应力与剪切位移的关系Fig.5 Variation of shear stress of saturated sand under the four types drainage conditions when r′=1.00 cm/s

图6 不同剪切速度条件下，干燥砂的剪切应力与剪切位移关系[17]Fig.6 Variation of shear stress of dry sand at different shear speeds

2.2 结果分析

土的抗剪强度不仅与土的性质(成分、结构)有关，还与试验过程中土的剪切速率、排水条件、应力状态和应力历史等诸多因素有关，其中最重要的是试验时的排水条件[18]。本文主要研究在不同排水条件下饱和砂快速大剪切的力学性质。

图7分别为干燥砂和上下排水、上排水、下排水、不排水条件下的饱和砂在不同剪切速率条件下的抗剪强度-法向应力关系曲线。如图7所示：在相同剪切速率条件下，干燥砂和4种排水条件下的饱和砂的抗剪强度随着法向应力的增大而增大，并且抗剪强度与法向应力之间的拟合曲线R2(R为相关系数)的最小值分别为0.990 50、0.984 31、0.979 46、0.970 14、0.936 69，均在0.900 0以上。这说明在正常固结条件下干燥砂的抗剪强度与法向应力具有良好的相关性；饱和砂在不同排水条件下的抗剪强度变化趋势符合莫尔-库伦强度理论。

从图7中可看出，在相同剪切速率下，抗剪强度从大到小的顺序依次为：干燥砂、上下排水、上排水、下排水、不排水。其中：干燥砂的抗剪强度分别接近于不排水抗剪强度的5倍、下排水抗剪强度的4倍、上排水抗剪强度的3倍、上下排水抗剪强度的2倍；不排水条件下的抗剪强度分别接近于下排水抗剪强度的1/2、上排水抗剪强度的1/3、上下排水抗剪强度的1/4。这说明砂土抗剪强度与水的作用有密切关系，且饱和砂抗剪强度的大小因排水条件的不同而有显著的差异。

表2为不同排水条件下饱和砂的内摩擦角汇总。如表2所示，干燥砂的内摩擦角最大，且不同速率下数值变化不大；在排水条件下，饱和砂的内摩擦角的大小依次为上下排水、上排水、下排水，其中上下排水内摩擦角随着剪切速率的增大而减小，上排水和下排水的内摩擦角随着剪切速率的增大而增大；在不排水条件下，与其他排水条件相比，饱和砂的内摩擦角最小。

上述环剪试验结果表示，干燥砂在不同剪切速率下抗剪强度的差异不仅与剪切过程中砂土的内摩擦力有关，还与水的作用有关。一般情况下，砂土的内摩擦力由3部分组成[19-20]：土颗粒间的摩擦、土体的剪胀(或剪缩)和土颗粒的破碎。相关研究表明，影响砂土抗剪强度的主要因素有砂土的相对密度、孔隙比、砂颗粒之间的滑动摩擦及挤碎磨细作用等。例如：Terzaghi等[21]在对砂土材料进行一维压缩试验时发现，当法向应力大于96.5 kPa时，砂土颗粒出现显著的颗粒破碎现象；Agung等[22]、Wang等[23]和Okada等[24]对饱和砂的研究表明，饱和砂在剪切过程中剪切带内由于颗粒结构破坏被压密和颗粒破碎而使土中细粒成分增加，从而导致超孔隙水压力的产生并使抗剪强度急剧下降。

图7 不同排水条件下，不同剪切速率时抗剪强度与法向应力关系Fig.7 Relationship of shear strength and normal stress under different drainage conditions and different shear rate

针对干燥砂的试样进行试验时，其法向应力均大于96.5 kPa，以不同速率剪切的过程中，砂土颗粒出现显著的颗粒破碎，这表明干砂抗剪强度主要与土颗粒间的摩擦力有关，并受土颗粒破碎作用的影响。

表2不同排水条件下，不同剪切速率时饱和砂的内摩擦角

Table2Frictionangleofsaturatedsandunderdifferentdrainageconditionsanddifferentshearrate

(°)

图8—图10为不同排水条件下饱和砂剪切过程中孔隙水压力变化时程曲线。如图8a、9a、10a所示，在不排水剪切条件下，饱和砂的孔隙水压力基本上不随剪切速率的变化而变化。原因是饱和砂在不排水剪切过程中，其抗剪强度变化主要受土体内部孔隙水压力作用影响，剪切面处的孔隙水压力较大且不变，导致土体有效应力很小，进而导致其抗剪强度降低。

图8 当r′=0.01 cm/s时，不同排水条件下孔隙水压力曲线Fig.8 Variation of pore water pressure under different drainage conditions when r′=0.01 cm/s

图9 当r′=0.10 cm/s时，不同排水条件下孔隙水压力曲线Fig.9 Variation of pore water pressure under different drainage conditions when r′=0.10 cm/s

图10 当r′=1.00 cm/s时，不同排水条件下孔隙水压力曲线Fig.10 Variation of pore water pressure under different drainage conditions when r′=1.00 cm/s

由图8b、c，9b、c，10b、c知，上下排水和上排水条件下孔隙水压力的时程曲线形态相似，即开始剪切后孔隙水压力会迅速产生变化，但在下排水条件下(图8d、9d、10d)，孔隙水压力的变化有一段时间的滞后。这是因为：上下排水、上排水、下排水条件下饱和砂在排水剪切过程中，与干燥砂和不排水饱和砂相比，抗剪强度变化不仅受土颗粒间的摩擦力、颗粒运移以及破碎的作用，而且还受孔隙水压力的作用；与不排水条件相比，由于水的排出致使剪切面处的孔隙水压力逐渐减小，有效应力增大，从而上下排水、上排水、下排水条件下抗剪强度大于不排水条件下的抗剪强度；而由于不同排水条件下孔隙水排出的程度不同，导致上排水、下排水、上下排水在抗剪强度上呈现显著的差异。

为了研究饱和砂在不同排水条件下的孔隙水压力变化规律，现定义孔隙水压力消散变化率(U)为最大孔隙水压力(pmax)和最小孔隙水压力(pmin)之差与时间差(Δt)的比值：

(1)

表3为不同排水条件下孔隙水压力消散变化率。由表3可知，在100、200 kPa法向应力和相同剪切速率条件下，U从大到小依次为：上下排水、上排水、下排水，其中上下排水时的U远大于上排水和下排水时的U，最大差值达到20.0×10-3，这说明在环剪试验中上下排水最有利于水的排出，且上排水比下排水更加容易。

表3不同排水条件下孔隙水压力消散变化率

Table3Porewaterpressuredissipationrateunderdifferentdrainageconditions

r'/(cm/s)σ/kPaU/10-3上下排水上排水下排水0.0110021.52.601.5020045.06.204.503009.508.006.000.1010030.43.302.4020058.06.805.203006.406.404.701.0010031.04.003.1020077.07.604.203005.805.703.20

产生上述不同排水结果的原因是：饱和砂在排水剪切过程中，砂土在法向应力和剪力的作用下发生颗粒破碎，导致土体内细小颗粒成分增多；并且伴随剪切过程一些细小颗粒向剪切面处及下剪切盒运移和集聚，而随着细小颗粒的增多可使下排水通道发生阻塞而使孔隙水的排出变得不够顺畅。这一现象可由下排水环剪试验开始后孔隙水压力变化出现明显延迟的现象所证实(图8d、9d、10d)。而上部排水通道的排水受细小颗粒影响相对较小，因而其排水过程较下部排水更为顺畅，进而导致在上、下排水条件下的抗剪强度上出现差异。相比较而言，上下排水有两个排水通道，从而更加有利于水的排出，因此上下排水的抗剪强度明显大于上排水、下排水的抗剪强度。

从表3中也可知，当法向应力为100、200 kPa时，孔隙水压力消散变化率随着剪切速率的增大而增大；但当法向应力为300 kPa时，孔隙水压力消散变化率随着剪切速度的增大反而减小。这是因为在较大法向应力和剪切速率条件下，砂土颗粒结构在剪切过程中变得更加密实，且较快速率更不利于细土颗粒的运移和砂土颗粒间内部孔隙水的运移，导致孔隙水排出困难，进而影响孔隙水压力的消散变化。

3 结论

1)在连续快速剪切条件下，砂土剪切力学特性在干燥、不排水和排水等条件下呈现不同的变化形式。其中在不排水条件下，饱和砂出现一定的应变软化现象。

2)在相同正应力和剪切速率的环剪试验中，饱和砂在不同排水条件下(上排水、下排水、上下排水)的抗剪强度出现显著差异；其抗剪强度变化按上下排水、上排水、下排水顺序依次递减。

3)在排水环剪试验条件下，砂土剪切应力与强度的差异性变化不仅与土体内细土颗粒运移和结构变化有关，并且受到剪切过程中不同排水条件下孔隙水压力变化的影响和控制作用。

4)排水环剪条件下，各排水方式下的饱和砂内孔隙水压力呈现不同的消散变化形式；饱和砂孔隙水压力的消散变化不仅与不同排水方式下土体内所形成的排水通道顺畅程度有关，并且受到不同剪切速率和法向应力的影响作用。在相同排水条件和低法向应力(100、200 kPa)条件下,孔隙水压力消散变化率随法向应力和剪切速率的增大而增大；而在高法向应力(300 kPa)条件下孔隙水压力消散变化率反而减小。