干密度对滑带土抗剪特性影响研究

吴光雄，李泽闯，刘 博，谭 彤，朱 泽

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 引 言

滑坡这种灾害经常会带来巨大的财产损失，有时甚至造成人员伤亡。滑带是指在滑坡发育、发生过程中经历物理化学作用，力学性质大幅度下降的下滑界面。滑带中的土体即为滑带土，当滑带土在外力、环境、人为因素的共同作用下达到其抗剪强度限制时即可能诱发滑坡。影响滑坡稳定性状态的关键因素是滑带土的抗剪性能，所以研究滑带土的抗剪性能对预防滑坡的产生具有十分重大的意义。目前，关于滑带土的抗剪性能研究已经取得了一定成果，李丽华等[1]采用反演分析的方法，计算出滑坡土体抗剪强度参数，为鄂西北地区滑坡的防治工作提供经验；刘虎虎等[2]通过探究含水率对滑带土的影响，得出粘聚力随含水率的提高而增大，内摩擦角随含水率的提高而减小；谢辉辉等[3]借助环剪仪探究滑带土重塑样在不同剪切速率下和不同法向压力的抗剪强度特征，得出滑带土的残余强度和峰值强度随法向压力的增加而增大，以及滑带土的峰值强度也会随着剪切速率增大而增大；阎瑞敏等[4]通过结合相应饱水条件下滑带土的抗剪强度参数得出滑带土矿物构成与其抗剪强度显露出明显的相关性。

对滑带土抗剪性能的影响要素有多种，干密度便是其中一个要素。传统的室内试验一般通过采集施加的荷载以及剪切的位移，从宏观角度上阐明土样剪切破坏面的力学特征。而本项目利用含有机钢化玻璃的剪切盒，在进行剪切过程的同时，放置一个高清数字视频录制设备在剪切盒正前方进行录制，同时借助Image-Pro Plus软件对开始剪切至土样完全剪坏的过程中粗颗粒的移动进行研究，不仅在宏观层面上探究干密度对滑带土抗剪特性的影响，而且在微观层面上对滑带土的破坏机理进行探究。

2 试验材料及方法

直接剪切试验的方法可分成快剪、慢剪及固结快剪等，本项目的试验方法采用快剪法，每组通常选取4个试样，分别在100、200、300、400 kPa的法向压力下在水平方向对上剪切盒施加剪力直至土样发生破坏，从而分析滑带土的抗剪强度特性受干密度的影响。

2.1 试验设备

本项研究采用的由有机钢化玻璃制成的剪切盒是南京宁曦土壤仪器有限公司制造的，剪切盒由上剪切盒与下剪切盒两部分构成，上剪切盒外表为83 mm×83 mm×25 mm的长方体，其内径为61.8 mm，剪切过程中土样沿水平方向产生剪切破坏，且可透过钢化玻璃观测滑带土的变形和破坏特征。使用高清数字视频录制设备对土样开始剪切至发生破坏的全过程进行录制。

2.2 试验用料

试验中所采用土样为滑带土，以干密度为变量，由于滑带土抗剪性能的影响因素有许多，例如粗粒含量以及含水率等，所以应尽量避免其他因素对抗剪性能的影响。本项研究中将每一土样的各粒径区间的土颗粒含量进行控制，0.5～2 mm、0.25～0.5 mm以0.075～0.25 mm粒径的颗粒含量均为13.33%，土颗粒粒径低于0.075 mm的占比为60%，在控制土样的颗粒级配的同时，将含水率控制在17.14%，从而将影响滑带土抗剪性能的影响要素减少。本项目中采用对1.72、1.76、1.78、1.8、1.83、1.84 g/cm3不同干密度的同一种滑带土进行抗剪性能的探究。

2.3 试验步骤

(1)将从野外取的滑带土在烘箱中烘8 h以上直至完全烘干后，依据剪切盒的净容积和要求的干密度计算出各粒径区间土颗粒的质量，再根据含水率要求计算出水的体积，最后进行充分拌料让水在土中自由渗透，并且使土均匀分布。

(2)用环刀切取4个试样，且按《土工试验规程》制作高为20 mm，直径为61.8 mm，形状为圆柱状的土样。

(3)将含有机钢化玻璃的上下剪切盒对准，插入销钉进行固定，按照常规室内规程在剪切盒中放入透水石、滤纸以及制作好的土样。

(4)使量力环与上剪切盒恰好接触的同时将其百分表读数调至零，然后再对试样施加法向压力(100、200、300、400 kPa)。

(5)以0.6 mm/min的固定速率进行剪切直至试样产生破坏，每转动一圈手轮的同时将剪切位移以及量力环的读数记录下来。把达到峰值或不再变化时的测力计读数作为剪切破坏的评定标准，或当没有出现峰值时以剪切位移为6 mm时的剪力作为发生剪切破坏的评定标准。

(6)绘制τ-Δl的关系曲线：以剪应力τ为纵坐标，剪切位移Δl为横坐标，点绘某一压力下的各点并连成一条曲线。

(7)用高清数字视频录制设备，录制土样开始剪切至发生破坏的全过程，以1 min作为间隔，截取所录制的视频中的图像用于分析。

3 试验结果

3.1 剪应力与剪位移的关系

不同法向应力下，干密度为1.78、1.80、1.83 g/cm3的滑带土的剪应力τ与剪切位移Δl关系曲线如图1所示。

由图1中曲线分析可知随着手轮转数的增加，剪切位移不断增大，同时剪应力不断增大，开始时大致呈现线性关系，在即将发生破坏时剪应力随剪位移增大但增大的不明显或逐渐趋于不变，破坏后剪应力有衰减的倾向。同时在变化规律上各曲线基本相同，均属于剪切硬化型。

在剪应力与剪切位移关系曲线中，曲线斜率随剪切位移增加而不断变小，即累计剪切位移相同时所需剪应力差值随着剪位移的增大逐步减小，剪应力随累计应变的增大而增大，同时随着法向压力的提高，极限剪应力值稳步提高，抗剪强度稳步提高。

3.2 抗剪强度与法向压力的关系

对图1中曲线分析，可知对于相同干密度，法向压应力越大，土抗剪强度越大，剪切破坏时剪应变越大。同时土样的干密度越大，抗剪强度随法向压应力提高而增大的梯度越大，也即随着法向压力的提高，滑带土的抗剪性能受土样干密度的影响增大。

图1 不同法向应力下，不同干密度滑带土剪应力与剪切位移的关系曲线

3.3 内摩擦角变化规律

根据每组土样在不同干密度条件下的τ-σ关系直线的斜率求得滑带土在不同的干密度条件下的内摩擦角(各组干密度与内摩擦角的数值由表1列出)，以干密度值为横坐标，以内摩擦角为纵坐标，绘制出干密度与内摩擦角的关系曲线，如图2所示。

表1 干密度与内摩擦角的关系

图2 干密度与内摩擦角关系曲线

由表1中数据可知，随着滑带土的干密度不断增大，内摩擦角也随之不断增大，且内摩擦角变化梯度随着干密度增大而增大。由试验结果可知，滑带土的内摩擦角受其土样干密度的影响，进而干密度通过改变内摩擦角影响滑带土的抗剪强度。

3.4 粗颗粒的位移分析

本项目研究借助电脑软件Image-Pro Plus(简称IPP，下文均用IPP表述)对粗颗粒的位移进行分析，利用IPP法测量颗粒轮廓形状特点的步骤为。

(1)通过AOI将土样的轮廓从整个实验过程视频中抽取出来，便于软件识别并提取粗颗粒。

(2)由于颗粒色调、饱和度和亮度的非均匀性，通过IPP软件将图片转换为8级灰度图，然后进行反相，突出颗粒轮廓，并便于进行Filter滤镜处理和分色选择工具的识别颗粒轮廓。

(3)调节图像伽马值，加深颗粒的灰度。运用filter滤镜工具处理图像。通过形态学类别的Close选项将颗粒因图像问题轮廓断开处进行连接修正并去除黑色杂点。

(4)最后通过分色选择工具，设置面积的阈值，将颗粒轮廓用黑色轮廓线分选出来。通过宏操作处理多个图像进行对照，可观察出颗粒的运动轨迹和规律。

剪切过程中土样中的粗颗粒随着剪切破坏发生平移、挤压、错动和转动。同时在可视化剪切盒剪切过程中没有观测到颗粒发生明显的较大破碎的现象，由此可推断，直剪试验中的大多数土样破碎以微小破碎为主。剪切过程的初期有部分颗粒在剪切盒的带动下表现出较大的位移，但随着时间的增加，颗粒的位移变化经历了增速较快、增速变缓、基本不变3个阶段。

3.5 土体微观分形特性研究

普遍的自相似和统计的自相似是自然中自相似的两个不同部分。前者是指所观察到的小部分的集合和较大部分的集合具有相似性。后者是指，在某有限的随机集合中，小比例尺集合的分布和大比例尺集合成分的分布为一致的集合土颗粒的结构是自然中复杂的结构物，其性质是结构单元性质的综合表现。而结构的单元性质是由土颗粒的集合体来决定的，他们之间存在着层次性和自相似性。由此，可以通过分形几何来分析土颗粒的结构形态。

实际上，运用分形几何能够用分形维数来将其划分成不同尺度的结构层次，并给予定量的分析和描述。从而通过各层次结构定量描述的指标与宏观力学指标之间相关性的分析，来判断表面看似无规律可循的土颗粒结构中，各层次结构对宏观力学性质的相对影响程度，从而得出关于宏观力学方面的信息。

4 结 论

(1)在土样产生破坏前，剪应力随剪切位移增加而增加，开始时大致呈现线性关系，在即将发生破坏时剪应力随剪位移增大却增大的不明显或逐渐趋于不变，破坏后剪应力有衰减的倾向。

(2)一般来说，在相同干密度条件下，法向压应力越大，土的抗剪强度越大，剪切破坏时最大剪应变越大。土的干密度越大，抗剪强度随法向压应力而提高的梯度越大，也即随着法向压力的增加，滑带土的抗剪强度受土样干密度的影响程度增大。

(3)内摩擦角的大小随着干密度的变大而逐渐变大，且内摩擦角变化梯度随着干密度增大而增大。

(4)剪切过程中粗颗粒随着剪切破坏产生平移、挤压、错动和转动，且大多数破碎皆以微小破碎为主。

(5)通过对滑带土在不同干密度下的分形特性研究得出土样的定向分形维数均较小，说明滑带土土体均匀性较好。