土体剪切试验对工程滑坡防治的意义

谭萃华 刘晶晶

广东省矿产应用研究所 广东 韶关 512026

造成山体滑坡的原因有很多，降水只是一个诱发因素，像地震、火山爆发等都会引发山体滑坡。山体滑坡的发生和地质、地理环境有一定关系。只有有一定坡度的山体菜会出现滑坡现象。滑坡通常是因为坝体上的岩石、岩石风化产物，由于其结构松散，黏聚力与内摩擦角小导致的。岩石及其风化物在水的作用下，改变其原本的物理性质，致使岩土体由于水跟风化作用的影响表面松散，抗剪强度及抗风化能力降低。比如松散覆盖层、黄土、红粘土、页岩、泥岩、煤系地层、凝灰岩、片岩、板岩、千枚岩等及软硬相同的岩层所有构成的坝体或土坡较易发生滑移[1]。

发生滑坡的最本质原因：岩石或岩石风化土由于其抗剪强度降低致滑动面的剪应力，产生了岩土体沿着滑动面下滑的现象。土体抵抗剪切破坏的极限力称为土的抗剪强度，即岩土体发生剪切破坏时滑动面上的剪应力。土的其中一个主要的力学性质是土的抗剪强度，它跟岩土的结构组成，土的塑性指数等土的物理性质有关，这些物理性质又取决于岩土行形成的环境和土的应力历史等因素有关。当然，土体当前所受的应力状态也是影响岩土体物理性质的重要因素。

当下，人们主要通过土的室内试验和原位测试来确定土的抗剪强度。常用的抗剪强度试验方法有以下几种试验：

1 三轴剪切试验

三轴剪切试验又称为三轴压缩试验。适用于土粒粒径小于20mm的样品。根据排水条件的不同，本试验分为不固结不排水剪（UU），固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）3种试验类型。对于无法取得多个试样、灵敏度较低的原状土，可采用一个试样多级加荷试验。

本实验采用的仪器设备为TSZ30-2.0型应变控制式三轴仪：由反压力控制系统，周围压力控制系统、压力室、孔隙水压力量测系统组成。技术条件均符合现行国家标准《岩土工程仪器基本参数及通用技术条件》GB/T 15406规定。

材料：

2021ST0854广东宝氢科技有限公司韶钢产业园焦炉煤气制氢工程岩土工程勘察 （甲级勘察）T10722、T10727两个试样均为不固结不排水剪。试验数据如下：

图1 T10722主应力差与轴向应变关系曲线

图2 T10727主应力差与轴向应变关系曲线

图3 T10722 UU强度包络线

图4 T10727 UU强度包络线

从图3、图4中，我们得到T10722CU=26.02，U =6.98；T10727CU=36.41，U =10.60。

上述的常规三轴试验仪是土工试验中最主要的仪器，主要缺点是试件所受的力是轴对称的，即试件所受的三个主应力中，有两个是相等的。三轴试验是，三轴伸长试验则是增加周围压力使试件伸长，直至破坏，其应力状态应为。为模拟更广泛的应力状态，现代的土工实验室还发展了如下几种新型的三轴剪力设备：平面应变试验仪、真三轴试验仪、空心圆柱扭剪试验仪[2]。

2 直接剪切试验

直接剪切试验主要用的仪器就是直剪仪，设备简单，操作起来也方便，因为广泛应用。当然，直剪试验也是发展较早的一种用于测定土体抗剪强度的方法。直剪试验分为快剪、固结快剪和慢剪三种。其中，快剪和固结快剪的试样宜为渗透系数小于1x10-6cm/s的细粒土。

直剪所用的设备仪器符合下列规定：1.应变控制式直剪仪：包括剪切盒、垂直加压框架、负荷传感器或测力计和推动机构等，其技术条件应符合现行国家标准GB/T 15406的规定。2.位移传感器或位移计（百分表）：量程5mm-10mm，分度值0.01mm。3.天平：称量500g，分度值0.1g。及环刀、钢丝锯等。

快剪试验是在下盒内放不透水板，通常采用0.8mm/min～1.2mm/min的速率剪切，使试样的3min～5min内剪损。直剪快剪试验是土样上下个加了一层不透水的薄膜塑料防止空隙水排出，施加荷载3-5分钟内完成剪切破坏完成。通常用于如深厚的高塑性黏土地基上、施工速度很快，预计施工期排水固结程度小。

固结快剪试样是试样上下两面的不透水板改放湿滤纸和透水板。当试样为饱和样时，在施加垂直压力5min后往剪切盒里注满水；当试样非饱和时，仅在活塞周围包湿棉花，防止水分蒸发。固结快剪是先让土样在竖向荷载下充分排水固结，然后将土样快速剪坏。运用于施工期很长，预计土层能充分排水固结，但竣工后可能有瞬时荷载[3]。

慢剪试验的剪切速率应小于0.02mm/min，是土样在竖向荷载下充分排水固结，然后缓慢的施加剪应力直至破坏。如施工期很长，预计土层能充分排水固结，竣工后无瞬时荷载。

直接剪切试验凭借着仪器简单，操作方便的优势，受到了各工程师的青睐，至今仍然在工程实验中广泛应用。直剪试验的优势非常明显，试样为环刀样，厚度薄，试验过程样品固结快速，试验时间短。对于透水性较差黏性较大的细粒土，用三轴压缩试验方法固结时间长、样品的长度长、剪切速率要求很慢以达到试件孔隙水压力充分均匀分布。因此，对于粘性大的细粒土，用直接剪切试验优势明显。

3 土的抗剪强度机理

土的抗剪强度与压力、含水率有着密不可分的关系。①当法向应力增大时，土的气相变小，空隙体积V减小，土中的摩擦角与黏聚力增大，土的抗剪强大增大。②含水率。当水饱和后，土的黏聚力减小，摩擦角也减小。在天然状态下，抗滑阻力大于滑动力时，滑坡处于稳定状态。当土样饱和后，土体抗滑阻力不断丧失，坡体自重应力增大，滑坡失稳率增大。③土体强度与试验条件有关。土体破坏是沿着土的薄弱面，三轴剪切试验、直剪剪切试验、无侧限压缩试验都只是对土体受破坏状态的一个模型试验，如无侧限压缩试验会由于环刀的影响，测得的结果可能比自然状态下土体的抗剪强度偏大。

4 边坡稳定分析

因我国山区较多，地质条件较差，土的剪切试验为地质灾害提供有力的参数参考。近年来，随着经济的高速发展，人类工程活动及自然因素的影响，滑坡地质灾害也逐年加重，造成了一定的经济损失与大量的人员伤亡。准确的认识滑坡破坏机理与判定土坡的安全稳定性，以及滑坡最有可能的滑坡形式成为待解决的重难点工程问题之一。基于此，通过室内试验、理论分析和数值模拟，对土与结构接触面的剪切强度特征及强度产生机制、土与结构物解除面的剪切变形特性及土体强度力学模型、滑坡的稳定性进行了试验研究。

滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷。地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体的或者分散的顺坡向下滑动的趋势。如果滑面上的下滑力超过抗滑力，或者面上每个点的剪应力都达到土的抗剪强度，若无支撑结构就会发生滑坡。滑坡的稳定性分析基于岩土塑性理论，因为滑坡发展都处于塑形阶段，直至坡体发生失稳破坏、边坡失稳在力学上是一个强度问题，这时计算上可以简化为一个静力平衡和一个岩土屈服条件。传统的边坡稳定性分析方法都属于这种情况。

土的剪切试验对土压力计算、挡土墙设计、地基承载力理论有着至关重要的工程意义。本文着重讲述剪切试验对边坡稳定的影响。

无黏性土坡稳定，其抗滑移力与滑动力之比称为稳定安全系数，即为土的内摩擦角，为坡角，K为稳定安全系数，一般取1.1～1.5。当取K=1时，摩擦角等于坡度角，此时，边坡处于临界状态，当土内摩擦角大于坡度角时，土坡是稳定的，反之，土坡会发生滑移破坏。

黏性土坡的稳定性安全系数K为抗剪力和剪切力对圆心构成的抗滑力矩与滑动力矩之比。计算黏性土坡的方法有整体圆弧滑动法、条分法、瑞典条分法、毕肖甫法、普遍条分法和有限元法。当分析了土坡稳定性之后，我们要辨别最危险滑动面。当地基土层性质比填土软弱，或者坝体不是单一土坡，或者坝体填土种类不一、强度互异，最危险的滑动面不一定从坡脚滑出。

土坡稳定分析成果的可靠性，在很大程度上决定于土的抗剪强度指标的正确选择，因为对于任何一种给定的土来说，试验方法的不同，抗剪强度幅度变大之大远超过静力计算方法间的差别。首先要注意的就是区别有效应力法或总应力。采用总应力法时，根据计算阶段土体孔隙水压力可能发展的状态，分别采用快剪和固结快剪等强度指标[5]。

滑坡通常都发生在雨季，因为在强降雨作用下，雨水渗透到滑梯内，在不透水（滑床：基岩层）行成积水层，使得滑带土在水的作用下强度降低，滑坡的后缘滑面倾角较大，使得滑坡后缘部门发生变形，后缘逐渐产生裂隙，雨水作用更为显著导致滑坡后缘变形增加。当滑面后面部分的变形大于峰值变形后，滑带土进入应力软化阶段，抗滑力较小，下滑力增加，滑坡变形进一步增大，滑面上的各个点相继从滑坡后缘向前缘逐渐进入应变软化阶段，最后画面贯通，滑坡发生整体破坏。滑坡的破坏是一个渐进破坏过程，在整个过程滑面上的各点都都完成了一次应力、应变全过程曲线，每个点在不同的时间是处于不同的应力状态，且也只能处于一种应力状态，峰值剪应力状态或者在峰值剪应力之前、之后的状态。

5 土体滑坡防治措施

工程滑坡治理应考虑滑坡类型成因、滑坡形态、工程地质和水文地质条件、滑坡稳定性、工程重要性、坡上建筑物等因素进行综合治理：

（1）排水：根据工程地质，水文地质、暴雨、洪水和防治方案等，采取有效的地表排水和地下排水等措施；可采用在滑坡后缘外设置截水沟、滑坡土体上设分级排水沟、裂隙封填以及坡面封闭等措施，排放地表水；需要时可采用设置地下横、纵向排水盲沟、廊道和仰斜式孔等措施，疏排滑体及滑带水。（2）支撑：滑坡整治时应根据滑坡稳定性、滑坡推力和岩土性状等因素设置支撑。（3）减载：刷方减载应在滑坡的主滑段实施。（4）反压：反压填方应设置在滑坡前缘抗滑段区域，可采用土石回填或加筋土反压以提高滑坡的稳定性；同时应加强反压区地下水排引。（5）植被绿化。

综上，室内土体剪切试验为滑坡稳定性计算提供了可靠的黏聚力c以及土内摩擦角，当计算的土体滑坡安全系数小于1（或者小于设计值）时，应采取滑坡防治措施。

6 结论与展望

文章通过室内试验、理论分析结合，分析了土的剪切试验、土的剪切强度对滑坡的影响分析。现阶段的剪切试验与滑坡体受破坏时的应力状态有一定的差异。若研制新型的剪应力-位移传感器，其可以真实。准确的测得在剪切过程中土体的应力状态，提高土体剪切试验的准确度。滑坡的破坏时渐进性的，基于滑坡稳定性分析的新位移-抗力条分法。综合下滑力-抗滑力法、综合位移法、主推力法、富余位移法计算滑坡的稳定系数，加强滑坡防治工程的效率与准确度。