古滑坡滑带土强度特性及稳定性研究

张磊

摘要： 滑带土强度参数对斜坡岩土体稳定具有重要控制作用，准确描述滑带土强度动态变化规律是进行岩土体稳定性评估前提。本文对一古滑坡滑带土进行了强度特性的试验研究：通过现场大剪和室内快剪试验确定了抗剪强度，通过反复剪切试验，获得了滑带土的残余强度，通过剪应力-应变曲线的分析，揭示了滑带土剪切破坏规律，对多组原状样室内直剪得出了含水率、粗粒含量对抗剪强度指标的影响规律。

Abstract： Slip zone soils strength parameters has an important role in rock and soils stability， the accurately describe of strength of slip soils is a basic of geotechnical stability assessment. In this paper， an ancient landslide was taken as an example， large cut through the field and laboratory testing to determine the regeneration of fast shear strength， according to repeated shear test， slip zone soils residual strength were got， through the analysis of test results of shear stress-strain curve， revealed the shear failure law of slip zone soils.

关键词： 滑带土；现场直剪试验；强度参数；残余强度

Key words： slide zone soil；shear test on site；strength parameters；residual strength

中图分类号：P642.22 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0162-03

0 引言

大量工程实例和理论分析表明滑坡的孕育和启动与滑带土的抗剪强度和剪切过程有着密切的关系。斜坡岩土体特别是滑带土剪切特性的研究是斜坡稳定性问题研究的关键[1-4]，尤其是在斜坡蠕变过程中抗剪强度的衰减规律，以及残余抗剪强度和再生强度的变化规律与影响因素，对于斜坡稳定分析和评价具有重要意义。

滑带土埋置于斜坡一定深度处，赋存环境复杂而且多变，其自身的物质组成、含水率状况、粒度特征、结构形态等也具有多样性，受多种条件限制，强度参数的获取及准确性的保证难度颇大，室内实验局限性明显，所以本文采用现场大型直剪实验，对研究区滑带土强度特性做了深入研究，并结合大量室内试验探讨了滑带土强度的影响因素。

1 研究区概况及滑带土特性参数

研究区属亚热带东南季风气候区，春季温暖，夏季炎热多雨，秋季凉爽，冬季潮湿。根据滑坡预警点多年的降雨观测成果，研究区多年平均降雨量1100mm～1400mm，历年最大降雨量1641.9mm，降雨多集中在5～10月，约占每年降雨总量的70%。

研究区滑坡（群）范围及边界的确定，根据民访及地表工程地质测绘，并结合前人资料，综合分析确定滑坡体变形边界线在此范围内，根据现状变形表象和强度，结合基岩出露情况，监测位移情况，划分出几个变形强度大于其它区域的变形体，剖面如图1所示。

根据工程地质测绘和钻探揭露，研究区古滑坡体的物质组成主要为第四系坡积成因块石土，局部为粉质粘土及粉土。滑带土既有土岩接触带上的薄层残坡积粉质粘土（或粉土）及含碎石粉质粘土，也有块、碎石土体中的粉质粘土（粉土）、含碎石粉质粘土夹层。经实验测定，粘土矿物成分主要为水云母与石英，粗粒组含量（d >0.075 mm）占27.1%，其中砂粒含量（d=0.075～2.0 mm）占20.7%。渗透系数k在2.78×10-4～1.33×10-6cm/s 之间变化，压缩系数均值av1～2=237 kPa。室内试验测得基本物理性质指标见表1。

2 大型直剪实验

2.1 第一次剪切

在研究区选择地表变形特征明显的古滑坡体前缘，在详勘探槽中进行现场原位大型直接剪切试验，推力方向与滑坡主滑方向一致。

试验严格依据岩土工程勘察规范GB50021-2001进行，试体长宽高分别为50cm，50cm，35cm。试验点基本物理性质指标见表2。

现场剪切试验结果表明：不同固结压力下剪应力-应变关系曲线基本呈现应变硬化型特征，即随着剪应变的增加剪应力持续增大。但这一规律也并不尽然，很明显上覆固结压力的大小对曲线形态的影响显著，如图2、图3所示，当上覆固结压力相对较大时（如P=500kPa），基本为应变硬化型，并未出现明显屈服现象，但是，当上覆固结压力相对较小（如P=125kPa）时，剪应力会出现峰值，然而峰值后降幅小而缓慢。

滑带土在其上覆滑体自重产生的压应力作用下，土颗粒沿滑面发生粘结、嵌合，形成新的强度，所以，在其抗剪强度参数中显著存在一定量值的结构再生强度，并且上覆压力越大，强度再生越容易。

2.2 反复剪切

大量工程试验表明：对于含有较多粗粒的细粒土进行反复剪切试验时，需要严格控制上覆固结压力。这是因为当上覆固结压力较低（如P=50kPa、100kPa）时，剪应力-剪切位移关系曲线基本规律是明显的，但当上覆固结压力过大（P>200kPa）时，剪应力-剪切位移关系曲线的规律性就会很差，很难获得反复剪切破坏的客观规律。故而选择对研究区1#、2#点上覆固结压力为125kPa的试体进行4次反复剪试验。具体地，待第一次剪切完成后，保持上部荷载（125kPa）大小不变，将试体以2～3mm/min的速率推回原位，并继续固结，待固结稳定后再进行反复剪切实验。四次反复剪切实验剪应力-剪切位移关系曲线如图4、图5所示，获得的残余抗剪强度见表4。

观察图4、图5，尽管试体被反复剪切，但是剪应力-剪切位移曲线并未出现明显的应变软化特征，这主要是由于在重新固结压力下滑带土土颗粒重组、压密而粘结、嵌合产生了强度再生，然而试体的粘聚力在反复剪切后就基本丧失，数据见表3，这表明：在良好的排水条件下，反复剪切造成粘聚力基本丧失，此时，剪切面上的摩擦力强度实质上就是滑带土残余抗剪强度的全部[5-8]。

3 影响滑带土强度参数的因素

实际上，滑带土自身及环境条件综合作用会严重影响其抗剪强度参数。而自身条件诸如含水率状况、矿物成分及粒度组成特征、结构特征等受赋存环境影响显著。滑带土的物理性状直接与其抗剪强度参数密切相关。一般地，含水率、重度、孔隙比、干密度、稠度等是常用的表征细粒土物理性状的指标，实际上，滑带土抗剪强度参数与上述指标呈复杂的非线性关系，然而单项指标对抗剪强度的影响可以通过控制条件实验研究得到。通常含水率、粗粒含量（>0.075mm）的影响较为典型[9-12]。现就含水率和粒度特征对滑带土强度影响做室内试验分析。

在研究区试验点取原状样（双份取样，便于同条件控制含水率），对不同含水率原状试样进行固结快剪，统计含水率与强度指标如图6示。

观察图6，粘聚力随含水率增大显示上升趋势，需要特别指出的是，大量试验和理论研究表明：这一上升趋势在含水率达到一定值之后会转为下降，直至粘聚力基本消失。很明显内摩擦角随含水率的增大是减小的，这说明水的润滑作用对抗剪强度的降低是显著的。

同样在研究区试验点取原状样，对固结快剪后的试样做粒度分析并对应于强度参数做统计如图7。

观察图7可知：随着粗粒（>0.075mm）含量的增加粘聚力有下降趋势，而内摩擦角随着粗粒含量的上升呈现增大趋势。

粗粒含量的变化会影响到土体颗粒级配特征，进而会改变滑带土的基本物理特性，粗粒的棱角特征对抗剪强度的贡献是显著的，即在剪切过程中会增大摩擦阻力，但同时粗粒含量也会改变土体粘聚力，即粗粒含量越多，粘聚力越小，然而较之于摩擦强度对抗剪强度的贡献，粗粒对粘聚力的影响可以基本忽略。

4 结论

本文通过现场大剪和室内快剪试验确定了滑带土抗剪强度，通过反复剪切试验，获得了滑带土的残余抗剪强度，室内试验研究了含水率和粗粒含量对抗剪强度参数的影响，分析试验结果及参数变化规律主要得到以下结论：

①研究区滑带土的剪应力-应变关系曲线呈应变硬化型特征，说明再生强度比较稳定。并且固结压力越大时剪应力随应变增大维持甚至缓增趋势越明显，反之，剪应力随着应变增加略有降低现象。

②在理想的排水条件下，随着剪切位移的增加，粘聚力基本丧失，滑带土的残余强度实质上是剪切面上的摩擦强度。

③内摩擦角随含水率的增大而减小的规律是很明显的。粘聚力随含水率增大并非单调上升，在含水率达到一定值之后会转为下降，直至基本消失。

④随着粗颗粒含量的增加，粘聚力呈现下降趋势，内摩擦角呈现上升趋势。然而较之于粗粒产生的摩擦强度对抗剪强度的贡献，粗粒含量对粘聚力的影响可以基本忽略。

参考文献：

[1]BISHOP A W， GREEN G E， GARGA V K， et al. A new ring shear apparatus and its application to the measurement of residual strength[J]. Geotechnique， 1971，21（4）： 273-328.

[2]TOWNSEND F C， GILBERT P A. Tests to measure residual strength of some clay shales[J]. Geotechnique， 1973， 23（2）： 267-271.

[3]LUPINI J F， SKINNER A E， VAUGHAN P R. Drained residual strength of cohesive soils[J]. Geotechnique，1981， 31（2）： 181-213.

[4]WESLEY L D. Residual strength of clays and correlations using Atterberg limits[J]. Geotechnique， 2003， 23（7）：669-672.

[5]李妥德.滑坡滑带土抗剪强度的确定方法[J].山地学报， 1984（1）：27-32.

[6]GIBO S， EGASHIRA K， OHTSUBO M. Residual strength of steatite-dominated soils from the Kimonos landslide in Japan[J]. Canadian Geotechnical Journal，1987， （24）： 456-461.

[7]任光明，聂德新.大型滑坡滑带土结构强度再生特征及其机理探讨[J].水文地质工程地质，1997（3）：28-31.

[8]SKEMPTON A W. Residual strength of clays in landslides folded strata and the laboratory[J]. Geotechnique， 1985， 35（1）： 3-18.

[9]吴迪，简文彬，徐超.残积土抗剪强度的环剪试验研究[J]. 岩土力学，2011，32（7）：2045-2050.

[10]TIKA T E， VAUGHAN P R， LEMOS L. Fast shearing of pre-existing shear zones in soil[J]. Geotechnique， 1996，46（2）： 197-233.

[11]戴福初，王思敬，李焯芬.香港大屿山残坡积土的残余强度试验研究[J].工程地质学报，1998，6（3）：223-229.

[12]MANDAR M， DEWOOLKAR A M， ROBERT J， et al. Drained residual shear strength of some clay stones from front range， Colorado[J]. Journal of Geotechnical and Geo-environmental Engineering， 2005， 131（12）： 1543-1551.