不同应力路径下滑带土抗剪强度参数选取探讨★

袁湘秦 段 钊 赵法锁 王维超

(1.陕西工程勘察研究院有限公司，陕西 西安 710069； 2.西安科技大学,陕西 西安 710069； 3.长安大学，陕西 西安 710069)

0 引言

近年来，黄土滑坡灾害发生的频率呈现增加的趋势，已经严重影响了当地经济发展和人民生命财产安全。通过对黄土滑坡诱发因素的调查表明，黄土滑坡的诱发因素分为自然因素和人为因素，其中降雨和人类工程活动是诱发黄土滑坡的最积极因素，特别是某些不合理的人类工程活动，例如坡顶堆载和坡脚开挖卸载，诱发了大量的黄土滑坡[1-3]。

由于黄土滑坡具有较大的社会危害性，国家投入了大量的人力、物力和财力对其进行防治，许多设计人员在进行滑坡治理设计时，依据规范[4,5]，通常选取滑坡最不利的状态(暴雨条件或连阴雨条件)作为计算条件，认为滑带土处于饱和状态，滑带土参数往往选取饱和状态下的容重和抗剪强度。但针对坡顶堆载和坡脚开挖卸载诱发的黄土滑坡，在治理设计时，选取的参数都为同一个饱和状态下的抗剪强度，笔者认为这是不合时宜的。许多学者认为[6-14]，当应力路径不同时，球应力p和偏应力q的变化状态不同，从而导致土体的应力应变关系，强度特性不同，特别是对土体的抗剪强度c，φ值具有明显的影响。坡顶堆载和坡脚开挖卸载，其应力路径是不同的，因而土体所反映出来的抗剪强度也应是不同的。

本文以泾河南岸坮塬Q2黄土为研究对象，用常规三轴固结不排水剪切试验(CTC试验)模拟坡顶堆载情况，用减围压三轴固结不排水剪切试验(RTC试验)模拟坡脚开挖卸载情况，通过试验对比，研究饱和Q2黄土抗剪强度在两种试验条件下的差异，并探讨了围压对抗剪强度的影响，以期为滑坡治理设计在参数选取上提供一些建议。

1 试验基本情况

1.1 土样的基本物理性质

本次试验Q2黄土试样取自泾河南岸坮塬古滑坡体后壁，取样深度为地表下20 m。原状Q2黄土基本物理性质指标见表1。

表1 Q2黄土基本物理性质

1.2 饱和试样的制备

本次试验将试样制备成φ39.1×110 mm圆柱体，采用水头差饱和法与反压饱和法相结合的方式对试样进行饱和。

1.3 试验方案

本次试验设备采用南京土壤仪器厂生产的SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透仪，为了对比研究CTC试验和RTC试验下饱和Q2黄土的抗剪强度，本次试验将制备好的饱和Q2黄土分成两组，每组有5个饱和Q2试样，一组进行围压为100 kPa，200 kPa,300 kPa,400 kPa,500 kPa的常规三轴固结不排水剪切试验(CTC试验)，另一组进行围压为100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa,500 kPa的减围压三轴固结不排水剪切试验(RTC试验)。

进行CTC试验时，保持初始围压不变，不断增加轴压，直至试样发生破坏。

进行RTC试验时，保持初始轴压不变，不断减小围压，直至试样发生破坏。

2 试验结果及分析

2.1 应力应变关系曲线

不同初始围压下，CTC试验和RTC试验下应力应变关系曲线见图1。

从图1可以看出，CTC试验和RTC试验下，饱和Q2黄土都表现出“应变软化”的特征，峰值应力前，应力应变曲线陡升，峰值应力后，应力随应变的增加逐渐降低，且在CTC试验下，应力随应变降低的幅度远远大于RTC试验条件下，即峰残降差，CTC试验大于RTC试验。

对比试样破坏时的峰值应力可以发现，相同初始围压下，CTC试验下峰值应力大约是RTC试验下峰值应力的2倍，说明RTC试验条件下，饱和Q2黄土更容易破坏。

当应变相同时，CTC试验下的偏差应力远远大于RTC试验条件，说明达到相同变形时，CTC试验所需要施加的轴向应力远远大于RTC试验所需要减载的围压；CTC试验下，饱和Q2黄土具有更高的强度特性。

2.2 破坏模式

本次试验过程中，CTC试验和RTC试验下，饱和Q2黄土试样均表现为鼓胀破坏(见图2)，试样中部向外鼓胀，没有明显的剪切破裂面。

从图2可以看出，相同初始围压，RTC试验条件下，试样破坏时，中部向外鼓胀的程度远远大于CTC试验下的土样。因此，试验说明围压对土体有束缚挤压的作用，由于CTC试验下，初始围压保持不变，轴压逐渐增加，导致试样破坏。而RTC试验下，轴压保持不变，围压逐渐减小，导致试样破坏。在这个试验过程中，RTC试验下的围压不断减小，对试样的侧向束缚作用减弱，因而导致了RTC试验下，土样侧向变形大于CTC试验下土样的侧向变形。

2.3 抗剪强度指标

根据三轴压缩试验破坏取值标准，取峰值应力为试样抗剪破坏标准[15]，得出CTC试验和RTC试验下试样的破坏点应力值如表2所示。

表2 土样破坏点应力值 kPa

根据表2中破坏点应力值分别绘制CTC试验和RTC试验的破坏应力圆(见图3，图4)，做出这些破坏应力圆的公切线，该线的倾角为内摩擦角φ，该线的截距为粘聚力c。CTC试验和RTC试验下的总应力抗剪强度和有效应力抗剪强度如表3所示。

从表3可以看出，RTC试验下试样的有效粘聚力c′比CTC试验下试样的有效粘聚力c′低了90%，而有效内摩擦角φ′低了30%。说明RTC试验下试样的抗剪能力比CTC试验下试样的抗剪能力弱，土体更易发生剪切破坏。

表3 抗剪强度指标

3 讨论

通过对饱和Q2黄土分别进行CTC试验和RTC试验，发现饱和Q2黄土在CTC试验下具有较强的抗剪能力。RTC试验下试样的有效粘聚力c′比CTC试验下试样的有效粘聚力c′低了90%，而有效内摩擦角φ′低了30%。出现上述结果是因为CTC试验，围压保持不变，围压对土样的束缚挤压作用保持不变，土颗粒之间的接触较紧密。而RTC试验，轴压保持不变，围压逐渐减小，随着围压的逐渐减小，围压对土样的束缚挤压作用减弱，土颗粒之间的接触较松散。因而，试验结果表现出RTC试验下破坏土样的侧向变形大于CTC试验下破坏土样的侧向变形；CTC试验下土样较RTC试验下土样具有更高的抗剪强度。

因此，在滑坡治理设计时，针对坡顶堆载和坡脚开挖卸载诱发的黄土滑坡，采用同一个饱和状态下的抗剪强度指标是不合理的。如果对于坡脚开挖卸载诱发的黄土滑坡采用常规三轴压缩试验获取的土体抗剪强度，将会导致计算参数比实际情况高，最终导致采取的工程治理措施安全度降低。

综上，在滑坡治理设计参数选取时，应根据诱发滑坡的应力路径选取相对应的室内试验得到适宜的滑带土抗剪强度参数。

4 结语

1)CTC试验和RTC试验，饱和Q2黄土应力应变关系曲线都表现为“应变软化”特征，破坏模式都为鼓胀破坏，RTC试验下试样侧向鼓胀程度大于CTC试验下。

2)饱和Q2黄土在CTC试验下抗剪强度远远大于RTC试验下的抗剪强度，CTC试验下试样的有效粘聚力c′比RTC试验下试样的有效粘聚力c′高了90%，而有效内摩擦角φ′高了30%。

3)饱和Q2黄土抗剪强度所表现出来的差异性主要与围压有关，围压对土颗粒起到了一个束缚挤压的作用，当围压减小时，土颗粒所受到的束缚挤压作用减弱，相同受力情况下，颗粒间更容易移动变形，因而抗剪强度较围压不变时小。

4)在滑坡设计参数选取时，坡顶堆载和坡脚开挖卸载诱发的黄土滑坡，其滑带土所表现出来的抗剪强度是不一样的，应该根据诱发滑坡的具体情况选择相对应的试验手段获取合适的设计参数。