贵州公路旁边坡滑带土抗剪强度特性研究.pdf
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1、第32 卷第3期2023年6 月文章编号:16 7 1-1947(2 0 2 3)0 3-0 36 6-0 7D0I:10.13686/ki.dzyzy.2023.03.014地质与资源GEOLOGYANDRESOURCES中图分类号:P642.2文献标志码:AVol.32No.3Jun.2023开放科学标志码(OSID):贵州公路旁边坡滑带土抗剪强度特性研究黄宗葆,代张音,高威挺,罗庆丽贵州大学矿业学院,贵州贵阳550 0 2 5摘要:为了探究公路旁边坡滑带土的强度性质和法向变形性质的变化规律,以贵州山区公路为例,利用环剪仪研究了滑带土在不同含水率和不同法向应力下的抗剪强度特性.结果表明:不
2、同含水率滑带土的峰值强度和残余强度与法向应力间具有良好的线性关系;法向应力越大,试样达到峰值强度所需要的剪切位移也会越大;含水率较高的条件下,滑带土从峰值强度下降到达残余强度期间内,剪应力有增加的趋势;随着含水率的增加,黏聚力呈现增大的趋势,内摩擦角在塑限附近达到峰值,之后逐渐减小。滑带土性质的研究可为公路旁滑坡识别与预防提供科学依据.关键词:滑坡;环剪试验;滑带土;含水率;法向应力;抗剪强度;贵州省SHEAR STRENGTH CHARACTERISTICS OF SOIL IN THE SLIDING ZONE ONHIGHWAY SLOPE IN GUIZHOU PROVINCEHUAN
3、G Cong-bao,DAI Zhang-yin,GAO Wei-ting,LUO Qing-liMining college,Guizhou University,Guiyang 550025,ChinaAbstract:To explore the change rule of strength and normal deformation properties of soil in the sliding zone onhighway slopes,taking the mountainous highway in Guizhou Province as an example,the p
4、aper studies the shearstrength characteristics of sliding zone soil under different water content and normal stress by ring shear apparatus.Theresults show that there is a good linear relation between the peak strength and residual strength of sliding zone soil withdifferent water content and the no
5、rmal stress.The larger the normal stress is,the larger the shear displacement requiredfor the specimen to reach the peak strength will be.Under the condition of high water content,the shear stress tends toincrease when the sliding zone soil decreases from peak strength to residual strength.With the
6、increase of watercontent,the cohesion shows an increasing trend,and the internal friction angle reaches the peak near the plastic limitand then gradually decreases.The study on the properties of sliding zone soil will provide scientific basis for theidentification and prevention of highway landslide
7、s.Key words:landslide;ring shear test;sliding zone soil;moisture content;normal stress;shear strength;Guizhou Province0引言我国是世界上地质灾害最频繁、受灾最严重的国收稿日期:2 0 2 2-0 4-18;修回日期:2 0 2 2-0 6-0 6.编辑:张哲。基金项目:贵州大学引进人才科研项目“采动顺层岩质斜坡变形破坏演化机理及稳定性分析”(贵大人基合字2 0 19 42 号).作者简介:黄综葆(1999一),男,硕士研究生,资源与环境专业滑坡治理研究方向,通信地址贵州省贵阳市
8、花溪区贵州大学矿业学院,E-mail/通信作者:代张音(198 1一),女,土家族,博士,讲师,从事矿山灾害预测理论及控制、采动滑坡研究,通信地址贵州省贵阳市花溪区贵州大学矿业学院,E-mail/家之一,近年来,我国地质灾害数量中滑坡灾害占比最大,高达6 0%以上1.贵州地区属于喀斯特地貌,降雨第3期会加剧坡面产流、侵蚀过程及养分流失,高强度降雨使得雨水更容易渗人土壤中,坡面土壤承雨量增大而使得滑带土含水率增大2 .水是滑坡发生的最大诱因3,贵州地区滑坡黄土因降雨周期长从而其含水率普遍偏高,因此有必要对滑带土的抗剪强度特性进行分析.目前,在地下水、降雨等外部水条件对滑坡发生影响研究方面,国内外
9、学者通过环剪试验对滑带土力学特性的研究已经取得了一定的进展.孙萍萍等4 研究发现不同坡型的黄土斜坡对降雨条件具有明显不同的响应;Shriwanth等5 对5种滑坡土开展了排水直接剪切试验和5种滑坡土的未切割以及再成型试样的排水环剪切试验研究;Wang等6 研究了融雪引起的滑坡灾害,并对该滑坡进行了破坏力学分析.雨水的化学性质会使滑带土的物理性质受到影响,相应的力学性质也会改变7-8 .黄土是一种土颗粒间黏结作用力易受外界因素影响的粉质土-粉质黏土,具有大孔隙、遇水湿陷等特点,在降雨或灌溉等水的作用下易发生滑坡9.赵晓铭等10 提出通过实时降雨量计算滑坡实时概率的方法,发现降雨入渗增加了边坡的失
10、效概率;任三绍等1、张怡颖等12 指出强降雨作用使滑坡稳定性接近临界状态,渠水人渗和冻融作用直接诱发滑坡,强降雨增加了滑带土的含水率,高含水率会使滑带土抗剪强度显著降低.通过上述研究得出,水对滑坡的影响主要是增大土样的含水率,从而改变滑带土强度参数.对此现象,Bao等13 采用环剪试验模拟了某断层泥在不同应力状态和含水量下的剪切滑动行为,指出滑动划痕比与含水率、法向应力呈负相关;刘虎虎等14通过研究滑坡地下水环境的变化,发现滑带土的含水率和离子浓度对滑坡的滑带土强度和变形参数具有很大影响;范志强等15 开展环剪试验,分析了滑带土剪切力学由法向应力区间而呈现的分区特性;谢强等16 通过单级剪切试
11、验,拟合出了同时考虑法向应力和剪切速率的重塑饱和粉质黏土残余强度速率效应的经验公式及通用表达式;陈洁等17 对不同含水率的土体进行了不同加载方式下的多级环剪试验;谢辉辉等18 利用环剪仪研究了滑带土重塑样在不同法向应力与剪切速率下的抗剪强度特性;李姝等19 探究了不同饱水时间下重塑黄土的强度特性,进一步研究了地下水对黄土强度的作用;王炜等2 0 利用环剪仪对重塑黄土进行大剪切位移下的剪切试验,指出了不同正应力及剪切黄宗葆等:贵州公路旁边坡滑带土抗剪强度特性研究形性质的变化规律.1研究区滑坡概况1.1滑坡地质贵州省大部分地区降水充沛,且6 一9月间多暴雨和连阴雨天,其中取样地毕节市大方县是多雨区
12、且降雨范围最大.所研究的滑坡位于大方县某公路旁,滑坡取样地点后壁大致呈矩形,主滑方向为自东向西,最大滑动距离约为3m.滑坡全长约4m,宽约2 m,平均厚度约0.8 m,总体积约48.9m3.滑坡堆积部分平均厚度约1m,堆积体长3m,宽约2 m,体积35m.滑坡堆积体占据附近公路约一半位置,占公路宽为1.5m.在坡面流侵蚀下,表面滑带土部分被冲蚀.堆积体处形成一个二级坡面平台,上覆1 1.5m黄土层,表面分布少量砾岩.滑坡上覆植被矮小,黄土层附着力弱,易产生不稳定状态,引发滑坡.因有关部门已对滑坡现场进行清理,故本次试验土样取自清理后的现场,滑坡位置及取样地点如图1所示.1.2滑带土基本物理性质
13、采样时,试样主要提取滑带土堆积部分,在滑坡不同部位分别采集,采集面长0.3m,宽0.2 m,厚0.1m.经LP-100数显式土壤液塑限联合测定仪、电子天平、比重瓶和MT-1数显恒温电砂浴等实验仪器测得所取滑带土天然密度、液限等物理参数,如表1所示.2环剪试验2.1试样制备在试样的制备过程中,首先把采集到的黄土样品放入温度为10 5的烘箱中,进行持续2 4h以上的烘干,再将烘干后的土样碾磨过2 mm筛,取筛下后的土样.本次试验采取分层击实法制作土样,具体方法:根据环刀的容积和土样的干密度及含水率称取所需质量367方式对不同含水率的重塑黄土其残余强度的影响.综上所述,国内外关于含水率对滑带土的研究
14、已经取得了诸多成果,但对于含水率偏高条件下滑带土的研究较少。贵州地区的边坡滑带土塑限含水率较高.本文以贵州省大方县滑坡滑带土为研究对象,开展不同含水率和不同法向应力作用下滑坡滑带土的峰值强度和残余强度特性环剪试验,分析滑带土强度性质和法向变368地质与资源2023年诚样内壁产生空脚图2 环剪试样Fig.2Sample of ring shear test为0 12 0 0 MPa,加载过程为微机控制自动加载,扭矩为30 0 Nm;下剪切盒转速为2.7 8 10-1r/min.环剪仪配套采集、控制和处理软件,不仅采集实验过程各种参数,还可以根据实验需要,设置不同的全自动轴向控制及扭转控制,并进行
15、后处理分析.根据库伦定律,土的图1大方县公路滑坡发生地点Fig.1 Highway landslide site in Dafang Countya滑坡平面位置图(planviewof landslidelocation));b 取样地点表1滑带土基本物理性质Table 1 Basic physical properties of sliding zone soil密度/液限/天然含水率/比重塑限/塑性指数/干密度/gcm-3%1.3052.89的土样,并分别配置成含水率为36%、40%、44%的试样;三等分把土样分层装人击实筒中,用击锤依次锤击土样,直至土样充满击实筒,用刮刀修平顶部试样,放
16、人环形剪切盒中去除中间部分得到环形试样.最后采取固结法,将环形土样放人环剪仪中,在10 0 kPa 的静载下固结1h,制得的环剪试样(如图2).环剪试样的内径 6 0 mm,外径 10 0 mm,高度 2 0 mm.2.2试验方案实验仪器采用HJ-2型全自动环剪仪,实验装置配套液晶微机控制器,实时伺服控制.法向加载范围内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比.剪切试验将同一种黄土分别制备成不同含水率的土样,分别在不同的法向压力下,沿固定的剪切面直接施加水平剪力,(sampling position)从而得到剪坏时的抗剪强度等参数值,剪切试验原理如图3所示.%(Gs)40.052.57%38.74%g
17、cm-314.150.77图3剪切试验原理Fig.3Principle of shear test第3期根据自然含水率、饱和含水率、塑限液限等物性参数,开展9组固结不排水试验.具体实验方案如表2所示.表2 滑带土环剪试验方案Table 2Ring shear test scheme of sliding zone soil含水率0/%法向应力/kPa3620,50,804020,50,804420,50,80试样含水率分别为36%、40%、44%,法向应力选取2 0、50、8 0 kPa,选定剪切速率均为0.1mm/min,本文采取的是单级剪的试验方法.3试验结果及分析3.1试样剪切面形态特征
18、分析剪切试验后,试样出现了不同程度的剪切破坏,如图4所示.从图4a可以看出,剪切面处出现溢出现象,法向应力作用下,试样出现轴向压缩现象,形成剪切缝.试样出现溢出现象和轴向压缩现象与试样孔隙率及含水率有关,这是因为黄土较疏松,孔隙率大,在法向应力作用下,土颗粒重新发生排列且间隙变小;试样含水率较高,在剪应力作用下,试样剪切面处发生明显剪切破坏,剪切面的上下部分土颗粒发生相对位移,相互摩擦下土颗粒发生破碎,由于破碎的细粒与其他土层颗粒间的黏性很小,从而溢出表面.图4b中,试样剪切后,在试样内壁产生孔隙,这与土样的物理成分有关,试样中含有碳酸类等矿物,这些矿物小颗粒硬度较大,在剪切面附近,这些矿物颗
19、粒较周围土粒发生相对位移产生孔隙,在与水分共同作用下,加剧土样剪切渗出,从而降低滑面的抗剪强度.在充分降水后,会加剧液化现象,这是贵州山区公路在强降雨后易发生滑坡灾害的主要原因.3.2抗剪强度特性分析3种不同含水率重塑黄土在不同法向应力下的剪应力与剪切位移的曲线如图5所示.由图5可见,随着剪切位移的增加,土样的抗剪强度逐渐增加,在达到各自的最大值即峰值强度(mx)后,剪应力开始降低,最后稳定在残余强度,此时土体黄宗葆等:贵州公路旁边坡滑带土抗剪强度特性研究试样编号A-1,A-2,A-3B-1,B-2,B-3C-1,C-2,C-3369图4剪切面及其形态Fig.4Shear plane and
20、its morphologya一试样剪切渗出现象(over-flow of shear specimen);b 一剪切面孔隙(pores on shear plane)已经被破坏.从含水率36%试样的试验(图5a)结果中发现,法向压力2 0 kPa时,试样达到峰值强度(即Omx=155.36kPa)所需要的剪切位移为1.5m;法向压力50 kPa时,试样达到峰值强度(omx=210.98kPa)时的剪切位移为9.34mm;法向压力8 0 kPa时,试样达到峰值强度(mx=232.63kPa)时的剪切位移为14.83mm;滑带土的峰值强度和残余强度均随着法向应力的增大而增大,这说明同一级含水率情
21、况下,抗剪强度大小与法向应力大小存在一定的正相关性.在含水率40%试验(图5b)中,法向应力50 kPa下相较于法向应力2 0 kPa下,剪应力达到峰值时的剪切位移增加了19.15mm;法向应力8 0 kPa时,其峰值位移相比于法向应力50 kPa时增加了4.8 2 mm.滑带土受到的法向应力增大的同时,其达到峰值剪应力所需370的位移也在不断增加,这一规律同样在另外两组含水率试验结果中得到证明.这是因为在法向应力的加载下,试样中的黄土颗粒间的咬合度增加,使得试样的剪切难度更高,需要足够多的位移来克服.地质与资源图5c与图5a、b 不同的是,试样剪应力在达到峰值后,下降幅度较小,随着剪切位移增
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