刘 茂,赵其华

(成都理工大学 环境与土木工程学院,四川 成都610059)

0 引 言

目前,国内外对滑坡的研究,主要表现在认识滑坡机理,完善滑坡稳定分析理论与方法,开发滑坡治理技术和滑坡预报等方面[1],对土质滑坡来说,其研究重点是滑带土的系统研究,目前对滑带土的研究涉及到滑带土的物理性质、水理性质、抗剪强度、微观结构和变形机理研究等各个方面[2],而研究滑带土其它性质的目的是为滑带土抗剪强度性质服务的。

滑坡是一个开放型系统,坡体状态是随外部条件不断变化的,滑带土抗剪强度值也是随着外部条件进行变化。对滑坡稳定性评价,从某种意义上讲,就是对受外部因素不断影响的滑带土强度特性的研究,特别是滑带土力学强度特性的研究,主要就是c,φ在某种状态条件下的取值问题。

本文主要对滑坡滑带土在不同坡体状态下的抗剪强度方面作简要介绍,包括不同坡体状态下的抗剪强度影响因素和变化规律,并且对滑坡滑带土抗剪强度取值进行讨论。

1 基本概念

本文中探讨的滑带土是针对处于不同状态下的土质滑坡进行研究总结,现行的滑带土抗剪强度研究是把滑带土假定成“二相土”;在现实中,滑体和滑带土的状态特征非常复杂,滑坡的变形发展阶段必须通过详细勘查判断滑坡近期的变形发展阶段,确定对应变形发展阶段的抗剪强度值。

现在对滑坡的几个阶段[3～5]和几个抗剪强度[2,6]进行阐述:

第一,根据滑坡的受力和变形特征将其分为五个阶段,对此进行一一阐述:

(1)蠕动阶段:具有一定地质结构的斜坡,内部没有明显的滑动面,在主滑段的下段滑动面上的剪应力超过该处土体实有的抗剪强度而产生塑性变形,在中部、前缘及两侧均无明显变形迹象,后缘有断续或贯通的主拉裂缝。

(2)挤压阶段:在主滑段和牵引段基本形成滑动面,后缘裂缝为地表水的灌入和下渗提供了有利条件,使主滑段和牵引段向前滑动挤压抗滑段,后缘主拉裂缝随之张开下错,并且向两侧延伸,中上部两侧出现羽状张裂缝,前缘受挤压先出现平行滑动方向的放射状裂缝,再出现垂直滑动方向的鼓胀裂缝的阶段。

(3)滑动阶段:整个坡体滑面形成(抗滑段滑动面形成),整体向下滑动,后缘裂缝进一步加宽、增多,地面下陷,两侧剪切裂缝与后缘拉裂缝和前缘裂缝贯通,两侧壁逐渐形成,羽状裂缝被错断,前缘坍塌明显以及剪出口出现鼓丘的阶段。

(4)剧滑阶段:在匀速滑动阶段中,滑带土强度降低至残余强度时,滑坡即进入加速滑动阶段。

(5)稳定压密阶段:滑坡经滑动稳定后,重心降低,滑动中排除部分地下水减小了滑带的空隙水压力,进而增大了滑坡的阻滑力,此时,滑带和滑体逐渐固结,裂缝闭合,随时间的推移,滑坡壁逐渐剥蚀、坍塌,趋于稳定的阶段。

第二,由于滑带土在滑坡的各个变形阶段所受应力、变形特征和引起的状态特征不同,在评价滑坡稳定性时就要取滑带土的不同强度参数的强度值,这些强度参数的强度值含义如下:

滑带土的峰值抗剪强度是应力-应变曲线上的最高点对应的抗剪强度值;残余抗剪强度指滑带土以缓慢的剪切速度经历足够大的位移后所达到的最小稳定抗剪强度;完全软化强度则指滑带土在水作用下软化,并且发生一定的位移,结构完全破坏后的抗剪强度;滑带土的长期抗剪强度是一个与土的流变性质相关的概念,指长期荷载作用下滑带土抵抗破坏的强度;再生强度是由于泥质物在新的状态特征下发生结构再生而形成新的“峰值强度”所对应的强度。

2 抗剪强度的影响因素和变化规律

2.1 长期强度的影响因素和变化规律

滑带土的长期力学强度特性的时间效应往往是控制滑坡变形的主要因素,以下影响因素都受时间的制约。滑带土的长期力学强度特性主要受含水率、吸力、滑带土的粒度成分、滑带土密度、矿物成分、化学成分以及试验条件的影响[7],在分析滑坡稳定性时,要考虑对长期抗剪强度的影响因素,来确定滑带土的力学参数值。

滑带土的长期强度的影响因素对抗剪强度值有以下变化规律:滑带土随着含水率的增大,c值减小,φ值也有减小[7,8],但 c比φ减小的速率大,并且,在1988年Gan的研究结果表明:土样的饱和度降低、吸力增大时,由吸力引起的摩擦角会减小;由大量试验可知;滑带土中细粒含量越多,则c值越大,c值与细粒含量成正比,而φ与细粒含量成反比,与粗粒含量成正比[7];粘聚力c随粘粒含量的增加而增大,而φ随粘粒含量的增加而减小,在相同粘粒含量增幅比例下,c比φ的变化幅度稍大[7];随着密度的增大,c、φ值都有不同程度的增加,密度对c,φ值的影响程度基本一样[7];滑带土中的矿物分亲水性和非亲水性,滑带土中亲水性矿物物含量较多,如蒙脱石、伊利石及高岭石等含量较多时,遇水后发生胀缩促使滑带土抗剪强度降低[7];化学成分的变化,主要影响风化度从Ⅳ级到Ⅴ级的岩土体,共同特点为碱、碱土金属淋失,低价铁向高价铁转化,还表现出脱硅富铝作用,主要影响矿物成分,进一步影响抗剪强度[9]。

2.2 残余强度的影响因素和变化规律

对土体残余强度的研究,实际上是土体发生大剪切位移后,粘粒的重新定向及逐渐趋于平行排列(即:一方面破坏了土体结构,另一方面降低了颗粒间摩擦和咬合作用),土体内没有产生新结构和基质吸力时强度的研究,即研究它的“瞬时强度”[10],并且与土体密实程度无关[11],对残余强度的研究,其实质主要是研究滑带土体不同状态下的φ值特征规律及其影响因素。

影响φ值的因素主要有粘粒含量、塑性指数、液限和及大气压力[12],土体颗粒比表面积[13],土的矿物成分[13]、孔隙水的化学特性,剪切速率,有效法向应力,砾石含量[14],超固结比,动荷载和颗粒破碎率。

滑带土的残余强度的影响因素对抗剪强度值有以下变化规律:残余强度随粘粒含量、塑性指数的增加而降低,残余强度基本上全部由粘土矿物之间的摩擦力决定,此外,粘粒含量大于50%和液限小于100%:残余摩擦角的经验公式土体颗粒比表面积既能反映土粒的物理化学活性和结构连接特征,又能反映矿物组成和分散度,这些均是残余强度的根本因素,一般情况下,土体中的粗颗粒砂粒含量增多,最大摩擦角也随着增大,最大凝聚力随之减小[15],我国铁科院西北所等单位还研究了粗粒(＞2 mm)含量对残余强度的影响,在大于塑限含水率情况下,粗粒含量＞30%时才对残余强度产生明显影响(成正比)[14];土的矿物成分,孔隙水的化学特性对残余强度有一定的影响,研究发现,扁平或类扁平状的粘土矿物颗粒比次角状或针状颗粒具有更低的残余强度,土的残余强度随孔隙水中盐浓度的升高而增加,单价钠离子能最大限度地降低粘土的残余强度,在纯粘土中孔隙水中盐的浓度对残余强度的影响可达21%;剪切速率对残余强度值的影响较复杂[16],Skempton研究表明,在常规试验的较缓慢剪切速率范围内(0.002～0.01 mm/min),残余强度的变化很小,可以忽略,当剪切速率超过100 mm/min时,强度会出现较大的变化,在100 mm/min的剪切速率下,最小的快剪强度值仅为慢剪残余强度值的60%;残余强度依赖法向应力的大小,并随法向应力的增大而增大,并且,残余强度与有效法向应力在下面两种情况下有一定的关系:当有效法向应力小于150 kPa时,残余强度与有效法向应力间具有明显的非线性关系,当粘土颗粒达到完全定向排列后,残余强度与法向应力表现为线性对应关系[17];在相同法向应力下,超固结粘土的残余强度与超固结比有关,呈现随超固结比增大而增大的趋势[16];施加循环荷载后,试样的残余强度普遍出现了不同程度的降低,最大降幅可达12.2%,当土体剪切面为不规则的剪切带时,残余强度则出现上升现象[16];颗粒破碎会影响抗剪强度,剪切过程中的颗粒破碎率会达到15%,所以考虑颗粒破碎是必要的[17]。

2.3 峰值强度的影响因素和变化规律

对峰值强度的研究,其实质是研究c值特征规律[2],影响c值的因素主要有固结历时、超固结比[18]、法向应力、剪切速率、含水率、粘粒和砂粒含量、粘土矿物和应力状态以及密实度。

滑带土的峰值强度的影响因素对抗剪强度值有以下变化规律:可以看出:随着超固结比的增大,峰值强度也随着增大,并且,超固结度越大,峰值后的强度降低的越多,正常固结的土也有降低[18];峰值强度随着有效法向应力增大而增大[16];峰值强度随剪切速率的增加明显增大,而且增长幅度比较均匀[2,16],从Tika的强度随剪切速度的变化图(图1)上也能看出,快速剪切的峰值强度大于慢剪的峰值强度;具有结构性的土,随着含水率的增多,出现峰值强度的位移量增大;对非饱和土而言,它包括土在饱和状态时的粘聚力cw和由基质吸力产生的吸附强度两部分[2],从Fredlund等的非饱和土的“水一土特征曲线”得知,含水率决定了基质吸力的大小,当土接近饱和时,含水率达临界值,此时基质吸力为0,随着含水率的减少,尤其是吸力在10 kPa～70 kPa区间,基质吸力呈幂级数增长,含水率对基质吸力的影响特别明显,总之,基质吸力的大小随含水率的减少整体趋势增大,峰值抗剪强度也随着增大,但吸力对非饱和土的抗剪强度的贡献不可忽略[19],并且是有限的[20];当粘粒含量没有达到某一值时(使粗颗粒完全隔开),当夹泥粘粒含量大于30%时,摩擦系数受粘粒含量的控制,随着含量的增高,峰值强度有所减小,直到含量达到40%以后,摩擦系数趋于稳定,当粘粒含量小于30%,而砂粒含量超过30%时,其摩擦系数基本上受砂粒含量的控制[10];滑带土中的矿物分亲水性和非亲水性,滑带土中亲水性矿物物含量较多,如蒙脱石、伊利石及高岭石等含量较多时,遇水后发生胀缩,又由于此种胀缩具可逆性和循环性,故不断地降低土的峰值强度[21];试验研究表明,同一种土在不同应力状态下的强度指标并不相同,主要是对φ值的影响,轴对称应力状态和三向应力状态的峰值强度大于平面应变应力状态[22];密度对 c、φ值的影响程度基本一样,随着密实度的增大,c、φ值都有不同程度的增加,其峰值强度也随着增大。

图1 强度随剪切速度的变化[2]

2.4 完全软化强度的影响因素和变化规律

滑带土体发生软化,主要是滑带土体发生结构破坏和土中基质吸力逐渐消失引起的,而土体发生完全软化的必要条件为水的长期作用和一定的剪切位移[2,23],即:c很小或者接近0。

研究土体的软化强度主要是研究土体的粘聚力和土中基质吸力,而研究土体的完全软化强度主要是研究它的饱和“属性强度”,即在土体饱和状态下,研究 φ值的影响因素[2]。

滑带土的软化强度主要与土的矿物成分、粘粒含量[24]、粘粒粒级、有效正应力、粘粒形状、液限、塑性指数以及饱和含水率有关。

随着粘粒粒级的增大,完全软化摩擦角减小[25]。

完全软化摩擦角随着粘粒的片状化发展而减小[25]。

Wright(2005)的液限和完全软化摩擦角的关系表可以看出:随着液限的增大,完全软化摩擦角呈减小的趋势,并且在粘粒含量大于 50%时,

压实土体含水率对内摩擦角的大小有影响,但规律性不强,浸水饱和后低含水率(如13.3%、15.3%)的土体内摩擦角稍有减小,其它土体饱和前后内摩擦角几乎没有变化[22],王丽对粉质粘土的实验得到,含水率的变化对强度的影响主要表现在对粘聚力的影响上,对内摩擦角的影响相对不大[26]。

在饱和土剪切时,体积应变大的地方发生了剪胀,产生负的超孔隙水压力,当压力消散后,有效应力减小,从而导致这部分强度的降低[27]。

2.5 再生强度的影响因素和变化规律

研究滑带土的再生强度,主要是进行滑带土体在发生大位移剪切后,对破坏后的土体结构再生特征的研究,即:物理和化学作用产生的结构强度的增加。产生土体结构的根本原因就是土体在一定压力的情况下,使土颗粒重排列和重联接的结果,形成次生结构[28],影响土体颗粒重排列和重联接的因素就是影响土体再生强度的因素,形成再生强度的前提条件是压应力的存在,其外在影响因素是含水率、时间、固结压力[29],内在影响因素是物质成分[30]。

土的物质成分对结构性的影响是第一位的,粘土中不同的粘土矿物及其含量都影响粘土的结构性,尤其是粘土中存在着膨胀性粘土矿物时,膨胀和收缩会导致土的结构性的消失和减少,粘土其它物质成分亦会影响结构性,李作勤(1982)将影响机理归纳为3种:①结点的变质作用;②盐基交换作用;③胶结作用(如钙质胶结、铁质胶结、泥质胶结、铝氧化物胶结);谭罗荣等对湛江粘土的研究表明:土中游离铁胶结物含量影响土体的结构性(图2)[30],从图分析可知,随着胶结物增多,c、φ值都有不同程度的增加,同时c值比φ值增加速率大。

滑带土再生结构强度的最大值都出现在塑限含水率附近(w=wp),随着含水率的增加(w＞wp)或者减少(w＜wp),滑带土沿早期剪切面的再生结构强度逐渐减小。

在相同压应力作用下的同一物理状况下,随着时间的增加,滑带土的再生结构强度随之增大,且再生结构强度值的大部分发生在较短的时间内[29]。

当压应力与固结压力之比小0.25时,滑带土再生结构强度值都很小,且无论时间多长,再生结构强度值都不可能完全恢复到其初始值;当压应力与固结压力之比等于1.0时,其结构强度也不会完全恢复,但随时间的增加,再生结构强度值将逐渐接近原来的初始结构强度值;当压应力与固结压力之比大于1.0时,滑带土将发生与压应力相适应的压密、固结作用,经一定时间后结构强度显著提高。

图2 胶结物含量对屈服应力的影响[30]

3 讨 论

(1)综合评价滑坡稳定性时,必须要准确区分滑坡时所处的状态,明确外界对滑坡的可能影响因素,尤其是大型或者重要的滑坡,确定滑坡变形阶段后,根据滑坡变形阶段特征分别依据每个抗剪强度取值方法取相应的抗剪强度值,使滑坡稳定性评价更加合理可靠。

(2)对滑带土抗剪强度的取值,不能统统的归结为c、φ的取值,要依据滑坡的变化发展阶段分别确定c、φ的权重,即:对残余强度的研究,其实质是研究土体不同状态下的 φ值特征规律及其影响因素,对峰值强度的研究,其实质是研究c值特征规律,而研究土体的完全软化强度主要是研究它的饱和“属性强度”,即在土体饱和状态下,研究 φ值的影响因素。对这些抗剪强度参数取值的做法是首先确定最危险工况下的c(或φ)值,再通过实验或者相关规范得到某种土体状态的φ(c)值,然后根据滑带土抗剪强度的影响因素和变化规律确定c(φ)值,使滑坡滑带土抗剪强度参数值更加合理化。

(3)对于滑坡滑带土的长期抗剪强度和再生抗剪强度,这两个抗剪强度都与时间密切相关,它们的抗剪强度值往往是两个参数(c、φ)的综合取值,随着滑坡特征状态的变化,抗剪强度c、φ值的变化是复杂的或者呈现不同的变化规律。长期抗剪强度取值方法,当剪应力τ小于某一临界值时,位移-时间曲线表现为衰减蠕变特性,而当剪应力超过这一临界值时,位移-时间曲线即表现为非衰减蠕变,反映到双对数坐标中的应力-变形曲线上就会出现拐点,拐点处对应的剪应力值即为长期抗剪强度值(c、φ)[31],再运用本文的滑带土长期强度抗剪强度的影响因素和变化规律确定最不利工况下的综合c、φ值。对于滑带土的再生强度取值,首先要判断滑坡是处于长期稳定还是间断活动,再运用本文的滑带土长期强度抗剪强度的影响因素和变化规律确定最不利工况下的综合 c、φ值。

4 结 论

滑带土的抗剪强度取值对评价滑坡稳定性起关键性作用,而滑坡是一个开放系统,滑带土抗剪强度随外界条件不断发生变化,据朱维新(1992),林建省(1994),实际上土的抗剪强度指标应属于土性指标中的动态指标,它是某种状态条件下的产物,在天然状态下随着外因的变化而变化的指标[32]。因此,本文针对滑带土抗剪强度的影响因素和变化规律对前人的研究工作进行了总结,并对抗剪强度的取值问题进行了简要讨论,以期对滑坡稳定性评价有一定帮助。

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