含水率对花岗岩边坡风化层界面剪切特性的影响

刘志伟，丁波涛，梁崇旭

（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 511300；2.上海大学 力学与工程科学学院，上海 200444）

0 引言

在我国沿海地区，花岗岩边坡上覆较厚的风化层，且根据其风化程度又可分成不同的沉积层[1-2]（图1），各层土体渗透性不同，在降雨过程中常在残、坡积土层底部产生滞水，导致界面强度软化，在风化层为顺倾向产状时，极易出现残积土沿着下伏全风化花岗岩接触面的滑动破坏[3]。Kim 等[4]人也发现雨季花岗岩区边坡多发生上部残积土、崩积土沿基岩界面的浅层滑坡。

图1 风化花岗岩边坡示意图Fig.1 Schematic diagram of weathered granite slope

边坡中的土岩界面、风化面、不同性质土层接触面等均属于土体宏观结构面[5]。目前国内外学者针对土体宏观结构面进行了广泛的研究，Luo 等[6]探究了黄土节理在不同含水率下的剪切特性，发现节理内摩擦角在不同干密度下均随含水率的升高先增加后减小。李鹏等[7]研究了含水率对碎石土、堆积体-基岩接触面剪切特性的影响。Zhang 等[8]和杨忠平等[9]分别研究了粗糙度对砂土-粘土界面和土石混合料-基岩接触面剪切特性的影响。

以上围绕土体宏观结构面的研究较少涉及风化花岗岩，对风化花岗岩的研究大多针对单一风化层。许旭堂等[10]对闽南地区三类花岗岩残积土含水率和干密度与抗剪强度参数指标进行相关分析，并建立经验公式。Borana 等[11]研究了土体基质吸力对风化花岗岩-钢结构接触面剪切特性的影响。

综上所述，在降雨作用下，花岗岩残积土-全风化花岗岩界面强度对边坡的稳定性影响较大。目前的研究大多针对单一风化层，缺乏对不同风化层界面剪切特性的研究。因此，本研究考虑干密度的影响，通过一系列直剪试验分析花岗岩残积土和全风化花岗岩界面在不同含水率下的剪切特性。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验土样取自广州市某工地边坡的坡脚区段。根据实测标准贯入击数N，发现软弱面以上为残积土层（N＜30），软弱面以下为全风化层（30＜N＜50），即软弱面在残积土层和全风化层界面附近。试验土样物理参数如表1所示。

表1 土样物理参数Table 1 Physical parameters of soil samples

1.2 试验仪器及制样方法

直剪试验采用气动直剪仪，剪切盒直径为50 mm、高度为20 mm。将两种土体风干、碾碎、过筛，加水充分搅拌，放置密封袋中静置48 h，使水分混合均匀。在制备双层土试样时，首先在定制的制样器中放置垫块，称量全风化层土体，放入制样器中压样；然后取出垫块，称量残积土，放于制样器中全风化层土体之上，压样静置5 min；最后，使用脱模器将压制好的试样取出并放入剪切盒中进行直剪试验。

1.3 试验方案

表2 为具体的试验方案。实际边坡呈现“上疏下密”的特点，故在制样时，控制残积土干密度小于全风化层土体。以边坡实际干密度ρd0为依据，分别乘以0.9、1.0 和1.1，得到三种干密度，依次记为ρd1、ρd2、ρd3。残积土干密度依次为1.33 g/cm3、1.48 g/cm3、1.63 g/cm3；全风化层土体对应干密度依次为1.42 g/cm3、1.58 g/cm3、1.74 g/cm3。剪切速率为1.0 mm/min。

表2 试验方案Table 2 Test scheme

2 试验结果

2.1 剪切应力—位移特征分析

由图2 可得，随着含水率的升高，界面剪切硬化趋势更明显（图2（a）），由剪切软化逐渐变为剪切硬化（图2（b）～图2（e））。同时，当剪应力出现软化时，含水率越高，剪切破坏位移越大。

干密度和竖向应力也会影响不同含水率下剪切应力-位移曲线。由图2（a）、图2（b）和图2（c）可得，在低干密度下，不同含水率的界面剪应力均呈现剪切硬化；而随着干密度的增大，低含水率（如9%、13%和17%）界面逐渐由剪切硬化变为剪切软化，且干密度越大，软化型曲线峰后强度下降越多，脆性破坏越明显，这与Wei 等[12]人结论一致。由图2（b）、图2（d）和图2（e）可得，竖向应力越大，不同含水率下曲线更易呈现剪切硬化型。

图2 界面剪切应力—位移特征曲线Fig.2 Shearing stress-displacement characteristic curve of interface

2.2 竖向位移—剪切位移特征分析

图3 反应了风化层界面剪切过程中的竖向位移与剪切位移的关系。规定剪胀为正。在剪切过程中，低含水率易出现剪胀，高含水率易出现剪缩（如图3（a）、图3（b）和图3（d））。但含水率对土体剪胀性的影响规律同时受干密度和竖向应力影响，在高干密度下，所有含水率的土体均呈现剪胀性（图3（c）），而在高竖向应力下，均呈现剪缩现象（图3（e））。

此外，在高干密度下，竖向位移-剪切位移曲线出现明显的转折点（3（c）），即当到达一定剪切位移后竖向位移增长速率放缓，出现明显转折点。对比图3（c）和图2（c），发现当含水率为9%、13%和17%时，竖向位移-剪切位移曲线的转折点对应的剪切位移和剪切应力-位移关系曲线对应的破坏位移接近。这主要与破坏模式有关，在高干密度下，剪断面更平整，破坏趋向于“脆断”[12]，所以当剪切位移达到破坏位移时会出现明显的转折点。

图3 界面竖向位移-剪切位移关系Fig.3 Vertical displacement-shearing displacement curve of interface

图4 所示为不同竖向应力和干密度下土体最大剪胀量随含水率变化的关系图。随着含水率的升高，最大剪胀量整体上减小，逐渐从剪胀变为剪缩。但在部分情况下其最大剪胀量并非一直减小，而是存在一个界限含水率，使得最大剪胀量为极小值。此外，竖向应力越小、干密度越大，土体最大剪胀量越大。而在不同干密度下，土体最大剪胀量随含水率的变化幅度不同。具体地，含水率从9%到25%，三种干密度（ρd1、ρd2、ρd3）下最大剪胀量分别减小了0.529 mm、0.502 mm和0.247 mm。可见干密度越大，含水率对土体最大剪胀量的影响越小。

图4 界面最大剪胀量与含水率、竖向应力和干密度的关系Fig.4 Relationship betweer the maximum dilatancy of interface and water content，vertical stress and dry density

2.3 抗剪强度

图5 反应了界面抗剪强度与含水率、竖向应力以及干密度的关系，其中，图5（a）干密度ρd=ρd2，图5（b）竖向应力σ=100 kPa。可见界面抗剪强度随含水率升高而大幅减小，而提高竖向应力和干密度可有效增加其强度。同时还可以看出，当含水率从9%到13%、从21%到25%时，不同竖向应力和干密度下对应的界面抗剪强度降幅均较小，而从13%到21%时界面抗剪强度降幅均较大。可见，当边坡土体含水率较低（低于13%）或者较高（高于21%）时，风化层界面抗剪强度受含水率变化的影响均较小。

图5 界面抗剪强度与含水率、竖向应力和干密度的关系Fig.5 Relationship between interfacial shear strength and water content，vertical stress and dry density

不难看出，不同竖向应力和干密度下含水率对界面抗剪强度的影响存在明显差异。为此，定义界面强度随含水率的变化率α：

式中：τ1是w=9%时的抗剪强度，τ2是w=25%时的抗剪强度。

表3 列出了界面抗剪强度在不同竖向应力和干密度下的变化率。可以看出，变化率α随竖向应力的增大而减小；同时，干密度越大，界面抗剪强度变化率越大，反应了界面抗剪强度遇水软化效应越明显。而且，干密度对界面抗剪强度的增强作用随含水率的升高被逐渐弱化（图5）。

表3 界面抗剪强度随含水率的变化率Table 3 Change rate of interfacial shear strength with water content

3 结论

（1）风化层界面剪切应力-位移关系呈现剪切硬化和剪切软化两种特征，剪应力在低含水率、高干密度和低竖向应力下更易出现剪切软化；反之，更易出现剪切硬化。

（2）含水率越低、竖向应力越小、干密度越大，界面最大剪胀量越大，易发生剪胀，反之更易发生剪缩；提高干密度可有效抑制含水率升高对土体最大剪胀量的影响。

（3）当含水率从9%升至25%时，风化层界面抗剪强度大幅减小，且竖向应力越小、干密度越大，界面抗剪强度随含水率变化越明显。