黃 斌，傅旭東，譚 凡，吳忠明

（1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072；2.長江科學(xué)院 土工所，武漢 430010；3.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010）

1 引 言

滑帶土是滑坡的重要組成部分，與滑坡的發(fā)展變形、穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系[1]?；瑤恋膹姸扰c變形特性受含水率的影響較大，降雨、水庫蓄水及水位變化等都會引起滑帶土體含水率的變化。大量的分析計算表明，滑帶土強度參數(shù)的微小變化都會帶來滑坡體推力的巨大改變。根據(jù)一大型滑坡的監(jiān)測結(jié)果，滑坡滑動位移曲線在雨季開始時會有突變，位移速率突然加大，且降雨量越大，邊坡位移量越大，因此，研究滑帶土強度及變形隨含水率的變化規(guī)律對滑坡穩(wěn)定性評價及滑坡工程治理具有重要意義。

在現(xiàn)有的非飽和土強度及變形的研究中基本都以吸力作為一個參量，反映吸力對強度及變形的影響[2－3]，這樣更直接，也更嚴(yán)格；但控制吸力的室內(nèi)試驗代價昂貴，試驗周期非常長，吸力的現(xiàn)場測試更加困難。國內(nèi)許多學(xué)者利用常規(guī)儀器開展了一系列非飽和土試驗研究。林峰[4]、林鵬[5]等通過不同含水率的三軸試驗及直剪試驗研究了含水率對滑帶土強度的影響；周永昆等[6]通過三軸UU試驗研究了含水率與強度參數(shù)的關(guān)系，并建立了含水率與強度參數(shù)的二次函數(shù)關(guān)系式；柏永巖等[7]通過不同含水率的滑帶土直剪試驗表明，含水率對凝聚力c的影響較大，而對內(nèi)摩擦角φ的影響很小，參數(shù)c與含水率可以用對數(shù)函數(shù)來擬合。綜上所述，目前的研究主要在含水率對強度的影響上，且進(jìn)行的試驗多為三軸UU、CU或直剪試驗，在含水率對滑帶土體變形方面的研究較少，因此，加強變形性狀的研究非常有必要。

本文在研究含水率對強度與變形的影響時，避開了吸力的測量，采用與文獻(xiàn)[8－9]類似的方法來研究含水率對滑帶土強度及變形的影響。通過對滑帶土進(jìn)行不同初始飽和度的常規(guī)三軸固結(jié)排水（氣）試驗，研究了強度參數(shù)隨飽和度的變化規(guī)律，獲取了不同初始飽和度條件下的 Duncan-Chang模型參數(shù)，并建立了變形參數(shù)與初始飽和度的經(jīng)驗公式。

2 三軸試驗

2.1 試樣制備

試驗土樣取自某水電站下游一大型滑坡滑帶土體，滑帶為灰黑色千枚巖碎屑土，液限為29.7%，塑限為13.5%，土類為黏土質(zhì)礫。從理論上講，重塑樣相對原狀樣結(jié)構(gòu)被破壞了，強度會低些，而滑帶土常年處于蠕滑狀態(tài)，其變形也會對土體的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生損傷，因此，本文采用重塑樣進(jìn)行試驗，得到偏工程安全的強度參數(shù)，重點研究不同含水率下強度變形參數(shù)的影響。

Skempton認(rèn)為，對于已經(jīng)滑動的滑坡，應(yīng)采用殘余強度τfr或殘余強度系數(shù)R＞0.95的平均抗剪強度來進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析。由于τfr與土體的原始受力狀態(tài)、土的結(jié)構(gòu)性無關(guān)，可采用重塑樣求取滑帶土的τfr，不一定采用原狀土，減少取樣難度。

對滑帶土樣進(jìn)行相同干密度、不同初始飽和度的三軸固結(jié)排水（氣）試驗，試樣尺寸為φ101 mm×200 mm。先將土料風(fēng)干過 20 mm的篩，對大于20 mm的顆粒采取等量替代法進(jìn)行處理。由于粒徑大于20 mm的顆粒非常少，僅占總質(zhì)量的0.9%，對強度的影響不大，可采用剔除法或等量替代法對超徑顆粒進(jìn)行處理。本文采用了等量替代法，用粒徑為5～20 mm的土粒按比例等質(zhì)量替換粒徑大于20 mm的顆粒，試驗級配如表1所示。試樣干密度為2.05 g/cm3，孔隙比為0.358。試樣含水率分別為7.2%（Sr=54.5%）、9.3%（Sr=70.5%）、11.2%（Sr=84.8%）和13.2%（Sr=100%）。

為了控制試樣的飽和度，先將土料含水率調(diào)至試驗要求的含水率，再用塑料袋密封24 h，待水分均勻后分3層擊實成型；直接擊實飽和度100%的試樣比較困難，本試驗通過對成型好的試樣進(jìn)行抽真空飽和，再通過反壓飽和及孔隙壓力系數(shù)B值檢測，從而制備飽和度100%的試樣。

表1 滑帶土試驗級配Table 1 Test particle size of slip soils

2.2 試驗方法

對于非飽和試樣，測試其內(nèi)體變（即試樣排水量）是無法反映試樣的體積變化，必須在試驗過程中量測試樣的外體變。針對非飽和土的體變測試，本文提出1種新方法，其儀器簡圖如圖1所示，已申請新型實用專利[10]。在圍壓氣源和壓力室之間添加了一個氣水轉(zhuǎn)換裝置，氣水轉(zhuǎn)換裝置一半為水，底部與壓力室相連。通過測量氣水轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)水的質(zhì)量變化來換算成試樣的體變，當(dāng)試樣體積發(fā)生膨脹時，壓力室的水進(jìn)入氣水轉(zhuǎn)換裝置，反之當(dāng)試樣體積收縮時，氣水轉(zhuǎn)換裝置的水進(jìn)入壓力室，氣水轉(zhuǎn)換裝置通過一個轉(zhuǎn)盤與重物連接，重物放置在電子天平上，天平最小稱量讀數(shù)為0.01 g，最大稱量質(zhì)量為5100 g。通過稱量重物質(zhì)量來測量氣水轉(zhuǎn)換裝置質(zhì)量變化，換算成試樣的體積變化，該外體變測試精度可達(dá)0.01 mL。同時，為了減小壓力室在加壓和溫度變化時的體積體積變化，試驗時采用剛度很大的厚壁金屬壓力室，并在整個試驗過程中用空調(diào)來保持室內(nèi)溫度恒定。

實際工程中的邊坡滑動非常緩慢，滑帶中的氣與水可自由排出，本次試驗采用三軸固結(jié)排水（氣）剪切，試驗過程中保持試樣頂、底與大氣相通。以軸向變形與外體變穩(wěn)定作為固結(jié)完成的標(biāo)準(zhǔn)，按 4個飽和度（54.5%、70.5%、84.8%、100%）進(jìn)行試驗，圍壓σ3分別為300、600、900、1200 kPa，剪切速率取0.016 mm/min。

圖1 帶外體變測試的三軸儀簡圖Fig.1 Triaxial device with external volume measuring

3 試驗成果

不同初始飽和度條件下滑帶土三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變及體變-應(yīng)變關(guān)系分別如圖2、3所示?？梢钥闯觯S著飽和度的提高，相同圍壓條件下滑帶土樣的強度明顯降低，含水率對滑帶土強度的影響很大。

隨著飽和度Sr的提高，試樣在剪切過程中的體變（體縮為正）變小，且當(dāng)初始飽和度由 70.5%提高到 84.8%時，體變降低最為明顯。試樣在排氣通暢的情況下氣壓是可以瞬間消散的[8]，當(dāng)試樣飽和度較低時，土體中的氣體通道相互連通，空氣容易排除；隨著飽和度的提高，部分氣體的通道被水封閉，而水的排出比氣體要慢得多，所以表現(xiàn)為試樣的飽和度越高，其體變越小。不同含水率的試樣在較低圍壓下（σ3≤300 kPa）均表現(xiàn)出剪脹，且飽和度越高，發(fā)生剪脹時的軸向應(yīng)變越小，剪脹現(xiàn)象越明顯。此外，還可以發(fā)現(xiàn)在較高圍壓（σ3≥900 kPa）條件下，非飽和試樣在整個剪切過程中體積一直在減小，而飽和試樣在剪切至一定程度后體變趨于某一穩(wěn)定值，這也反映了氣體的消散比水要容易得多。

4 強度參數(shù)與飽和度關(guān)系

滑帶土三軸試驗強度參數(shù)及與初始飽和度關(guān)系見表 2、圖 4、5。在以往對土體強度與飽和度關(guān)系研究中，得到的強度參數(shù)c與φ和飽和度或含水率的關(guān)系式大部分為直線關(guān)系[4－9]，即黏聚力與內(nèi)摩擦角均隨著飽和度和含水率的提高而線性降低；也有學(xué)者得到的強度參數(shù)與含水率呈半對數(shù)關(guān)系[11－12]。本次獲得的滑帶土三軸試驗強度參數(shù)φ和初始飽和度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，但黏聚力與初始飽和度曲線卻表現(xiàn)為臺階狀陡降關(guān)系，在初始飽和度較低時，黏聚力與初始飽和度關(guān)系曲線較為平緩，黏聚力隨飽和度提高略微減??；達(dá)到一定飽和度后，黏聚力發(fā)生陡降；飽和度增大到一定程度后，黏聚力基本保持不變，接近飽和狀態(tài)的黏聚力，這一點與文獻(xiàn)[13]成果一致。上述成果表明，非飽和土中的吸力對“似黏聚力”的貢獻(xiàn)是有限的，并在飽和度為70%～85%的范圍內(nèi)曲線有突變，按照包承綱[14]提出的非飽和土氣相四形態(tài)劃分，應(yīng)屬于“氣體部分連通”與“氣體內(nèi)部連通”狀態(tài)，是非飽和土研究的重點。對本試驗而言，當(dāng)飽和度超過85%以后，吸力對黏聚力的影響幾乎為0。筆者在研究該工程的紫紅色千枚巖碎屑土滑帶時也得到了類似的結(jié)論，只是對不同的土體其飽和度的門檻值存在差異。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Relationships between stress and strain

圖3 體變-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Relationships between volume strain and l strain

表2 滑帶土三軸試驗強度參數(shù)Table 2 Triaxial strength parameters of slip soils

圖4 黏聚力c 與初始飽和度關(guān)系Fig.4 Relationship between cohesion and initial saturation

圖5 內(nèi)摩擦角φ 與初始飽和度關(guān)系Fig.5 Relationship between internal friction angle and initial saturation

在求取不同飽和度的強度參數(shù)時，內(nèi)摩擦角可以建立與初始飽和度的線性關(guān)系式為

式中:φ為內(nèi)摩擦角；aφ、bφ均為參數(shù)。從圖 5中可以得出，本文中關(guān)系式參數(shù)的取值分別為aφ=-0.16；bφ=36.567。

5 變形參數(shù)與飽和度的關(guān)系

5.1 Duncan-Chang模型

在土的本構(gòu)模型中，Duncan-Chang模型簡單實用且能反映土體變形主要特點，在工程中被廣泛地使用。Duncan-Chang模型可以表示為

式中:Et、μt、Bt分別為切線彈性模量、切線泊松比和切線體積模量；pa為大氣壓力；c、φ、Rf、K、n、Kb、m、G、F、D為Duncan-Chang模型10個參數(shù)。

5.2 Duncan-Chang模型參數(shù)與飽和度的關(guān)系

從圖2、3可以看出，非飽和滑帶土三軸試驗曲線與飽和滑帶土試驗曲線類似，本文運用整理飽和土 Duncan-Chang模型參數(shù)的方法來整理不同初始飽和度的模型參數(shù)，建立模型參數(shù)與初始飽和度的關(guān)系式。

不同飽和度的模型參數(shù)n、m、F、Rf、D如表3所示。由表可以看出，不同初始飽和度下的參數(shù)n、m、F、Rf、D值相差不大，且這5個參數(shù)對滑坡變形計算的敏感性也不強[14]，可取平均值作為不同飽和度下的模型參數(shù)。

表3 不同初始飽和度下的模型參數(shù)Table 3 Parameters of different initial saturations

參數(shù)K、Kb、G對變形數(shù)值計算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響[15]，準(zhǔn)確建立這3個參數(shù)與飽和度的關(guān)系對數(shù)值計算有較大的意義。在凌華[8－9]的研究中，建立了參數(shù)K與含水率的對數(shù)關(guān)系式及G與含水率的線性關(guān)系式。在本文中參數(shù)K、Kb、G均與初始飽和度呈較好的線性關(guān)系，可對其采取線性插值求取不同飽和度下的參數(shù)值。參數(shù)K、Kb、G與飽和度關(guān)系如圖6所示，參數(shù)K、Kb、G與初始飽和度的關(guān)系式分別為

圖6 參數(shù)K、Kb、G與初始飽和度的關(guān)系式Fig.6 Relationships of parameters K、Kb、G and initial saturation

6 結(jié) 論

（1）含水率對滑帶土強度及變形的有較大的影響，初始飽和度越高，土樣強度越低，黏聚力與初始飽和度呈臺階狀陡降關(guān)系，內(nèi)摩擦角與初始飽和度可以用線性關(guān)系式來描述。

（2）含水率對Duncan-Chang模型參數(shù)n、m、F、Rf、D的影響較小，不同初始飽和度下的參數(shù)值相差很小，可取平均值作為不同飽和度下的模型參數(shù)；參數(shù)K、Kb、G對變形數(shù)值計算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，且與初始飽和度呈較好的線性關(guān)系，可以建立K、Kb、G與初始飽和度的線性關(guān)系式。

（3）通過改進(jìn)外體變測試裝置，可以實現(xiàn)在普通三軸儀上進(jìn)行非飽和土強度試驗的功能，有利于非飽和土理論在工程中的普及和應(yīng)用。

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