含水率对滑带土强度参数的影响_陈小龙.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-08-10 基金项目 国家自然科学基金项目（41272306；40972184） 作者简介 陈小龙（1988）， 男， 湖北宜城人， 硕士研究生， 从事地质灾害监测与治理研究. E-mail 1838303908 引用格式 陈小龙，丁建锋，简文星. 含水率对滑带土强度参数的影响［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（1）58-61. 文章编号 1001-1986（2015）01-0058-04 含水率对滑带土强度参数的影响 陈小龙 1，丁建锋2，简文星1 （1. 中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074； 2. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300071） 摘要 滑带土是滑坡体的重要组成部分，滑带土的强度特征对于边坡稳定具有重要的控制作用。 三峡库区的黄土坡滑坡因常年经受库水位变化与降雨的影响，滑带土的含水率总是处于不断变化 的过程中，因而对其强度参数产生了较大的影响。针对这一问题，在三峡库区黄土坡临江二号滑 坡上采集了滑带土样，对不同含水率下的滑带土进行了不排水快剪试验。试验结果显示含水率 的变化对滑带土的抗剪强度影响较为敏感；试验数据拟合发现，滑带土的黏聚力 C 及内摩擦角 φ 均随含水率增大近似呈线性减小，且 φ 值降低的线性规律更趋明显。 关 键 词滑带土；含水率；剪切强度 中图分类号P642.22 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.012 The influence of water content on the strength parameter of soil in slip zone CHEN Xiaolong1， DING Jianfeng2， JIAN Wenxing1 （1. Department of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China ； 2. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300071， China） Abstract The soil in slip zone is the vital section of the landslide， the strength characteristic has important effect on the stability of slope. Because Huangtupo landslide in Three Gorges Reservoir area has been affected by varia- tion of reservoir water level and rainfall， water content of soil in slip zone is always in the process of changing， this produces much influence on the strength parameter of soil in slip zone. According to this thought， some soil sam- ples in slip zone of Huangtupos second landslide near river were taken， undrained quick direct shear test for the soil in slip zone with different water content was conducted. The parameters of internal friction angle（φ） and cohe- sion（C） influenced by water content of soil in slip zone were acquired through test. Key words soil in slip zone； water content； shear strength 影响滑带土强度参数的因素有很多，陈晓平等［1］ 在滑带土强度特性的试验研究中对试验数据进行统 计分析，探讨了土体含水率、塑性指数及粗粒含量 对剪切强度指标的影响，并得出如下结论滑带土 随着含水率的增加，黏聚力（C）增加、内摩擦角（φ） 降低，当含水率增加到某一界限值后，随着含水率 增加，黏聚力会呈下降趋势直至消失；随着土体塑 性指数的增加，强度指标的变化趋势如含水率的影 响，但黏聚力更趋线性关系，内摩擦角下降更明显； 滑带土随着粗粒含量的变化黏聚力和内摩擦角也呈 现出一定的规律性。李维树等［2］在三峡库区滑带土 抗剪强度参数的影响因素研究中对试点的地质代表 性、试验尺寸、试验数量、应力大小、含水率及剪 切面的形态及性状不均匀的粉质黏土和碎石土等因 素进行了试验研究。刘茂等［3］在滑带土抗剪强度影 响因素及其变化规律综述中对含水率、吸力、滑带 土的粒度成分、滑带土密度、矿物成分、化学成分 以及试验条件等因素进行了研究。可见影响滑带土 强度的影响因素很多［4-8］，也很复杂。本文以三峡库 区黄土坡滑坡临江二号崩滑体为例，重点探讨含水 率对滑带土强度的影响。 1 滑坡概况与临江崩滑堆积体特征 1.1 黄土坡滑坡概况 黄土坡滑坡是三峡库区重大滑坡［9-11］之一，位 于巴东城区中的黄土坡小区。详细勘查研究表明， ChaoXing 第 1 期 陈小龙等 含水率对滑带土强度参数的影响 59 该滑坡由临江崩滑堆积体、变电站滑坡、园艺场滑 坡及近期发生的小滑坡组成， 统称为“黄土坡滑坡”。 前缘高程 50～70 m，后缘高程 580～600 m，总面积 135104 m2，体积 6 934104 m3。临江崩滑堆积体分 布于高程 210～260 m 以下，三道沟将其分割为东西 2 个崩滑堆积体，以西为Ⅰ号崩滑堆积体，以东为 Ⅱ号崩滑堆积体。 依据滑坡体物质组成及其叠置关系、滑带特征 及其形成的年代学研究（邓清禄和王学平，2000；杨 世松等，2001；唐辉明和邓清禄，2005） ，临江崩 滑堆积体［12-13］是斜坡在重力作用下， 经历长期变形、 倾倒、剪切破坏、崩滑堆积的产物，园艺场滑坡和 变电站滑坡是在前缘崩滑的基础上先后引发后部叠 加形成的顺层岩质滑坡。 1.2 临江崩滑堆积体结构特征 临江崩滑堆积体物质组构成层性差，物质成分 以碎块石夹黏性土、粉质黏土夹碎石、黏土为主。 碎石、块石大小悬殊，大部分由黄灰、绿灰色的泥 灰岩、泥质灰岩组成。碎块石土上层结构松散，下 层结构稍密至密实。 临江崩滑堆积体内不同部位、不同高程分布有 众多不连续的软弱层， 据统计， 共分布有 114 层（次）。 许多地段下卧基岩面上分布有粉质黏土夹碎石、碎 石土软弱层。 临江崩滑堆积体渗透系数因物质成分不同具有 一定的差异，其中碎石夹黏性土为 0.76～1.20 m/d， 黏性土夹碎石为 0.24～0.44 m/d，碎块石夹黏性土为 2.35 m/d，均属微弱透水岩类。据长观资料，临江崩 滑堆积体内无统一地下水位。 2 滑带土取样及物理化学特性 2.1 滑带土野外取样 2010 年 46 月对黄土坡滑坡区及邻近区域进 行野外调研，并对滑带土进行取样。本次滑带土样 品取自黄土坡临江Ⅱ号崩滑体上的 TP4 平硐，硐深 200.5～208.9 m。该平硐位于临江Ⅱ号崩滑体前缘二 道沟西侧林业局邮电局一带，硐口高程 180 m， 主硐长 214.7 m，方位角为 220～240。 在平硐内基岩滑床上部可清晰地看到滑带土 （图 1），滑动方向约为 55。滑带土成分为褐黄色、 浅黄绿色粉质黏土含碎石，潮湿至饱水，稍密，可 见擦痕和磨光面。碎石成分为灰绿色泥灰岩，次圆 状，磨圆度较好，粒径为 2～200 mm，含量较高，达 20％～40％。 图 1 TP4 平硐内滑带与滑床接触情况 Fig.1 The contact between sliding zone and sliding bed 2.2 天然含水率和密度 通过现场采集原状土样运回室内进行天然含水 率和密度试验。结果显示，所测得滑带土的天然含 水率为 13.0％～14.5％，平均含水率为 13.7％。密度 为 2.107～2.394 g/ cm3，变化幅度较大，平均密度为 2.277 g/ cm3。这也充分说明了滑带土的不均一性。 2.3 滑带土的矿物成分 土的矿物成分决定土的工程性质等基本性质， 也是决定土颗粒尺寸、形状和物理、化学性质的主 要因素。为了认识该滑带土的矿物成分，试验共选 取了褐黄色、浅黄绿色两种不同颜色的滑带土以及滑 带土中的黏粒部分进行 X 射线粉晶衍射分析试验［14］， 每种样品各备 2 个平行试样， 样品编号及说明见表 1。 由表 1 可以看出该滑带土的的矿物成分按相 对含量从多到少大致为方解石、蒙脱石、石英、绿 泥石、伊利石和长石。而滑带土的黏粒部分主要矿 物为蒙脱石和伊利石，含量约占黏粒部分的 70％左 右，其次为绿泥石和石英，还含有少量的长石和方 解石。 表 1 样品说明及 X 射线衍射分析结果 Table 1 The description of samples and the analysis results of X-ray diffraction 样品矿物成分的质量分数/％ 样品编号 样品类别 蒙脱石 绿泥石 伊利石石英方解石长石 样品说明 FJ1-1 TP4-TY1 15 15 10 15 43 2 褐黄色粉质黏土 FJ1-2 TP4-TY1 15 15 10 15 43 2 褐黄色粉质黏土 FJ2-1 AnalysisTP4-TY2 20 15 10 17 36 2 浅黄绿色粉质黏土 FJ2-2 TP4-TY2 20 15 10 23 30 2 浅黄绿色粉质黏土 FJ4-1 滑带土中黏粒 47 10 25 10 5 3 灰黄色 FJ4-2 滑带土中黏粒 47 10 25 10 5 3 红褐色 ChaoXing 60 煤田地质与勘探 第 43 卷 3 不同含水率滑带土的抗剪试验 3.1 样品的制备 试验样品采用滑带土重塑样， 具体操作过程为 首先将 TP4平硐所取的黄绿色滑带样 TP4-TY2自然 风干，然后采用橡胶锤对其进行锤碎（尽量不破坏滑 带土中的粗颗粒）。将锤碎后的样品过 2 mm 筛，除 去大于 2 mm 的粗颗粒，测定土样的风干含水量。 取一定量的风干土样（＜2 mm），按不同含水量需求 进行喷水，然后用保鲜膜密封静置12 h，让土中水分分 布均匀，然后再进行拌匀，实测其含水量。将充分均匀 的土样，控制干密度 ρd1.916 g/cm3，进行环刀制样，将 所需质量的土样放入击样器中进行环刀样的制备。 3.2 试验方法 为研究滑坡发生快速变形情况下滑带土的抗剪 强度，且保证在试验过程中土样含水率不发生变化［15］， 本次试验采用不固结快速剪切法来测定不同含水率 下的抗剪强度，剪切速率为 0.8 mm/min，根据试样 状态及试验规范，选择垂向压力分别为 100 kPa、 200 kPa、300 kPa 和 400 kPa。抗剪强度的取值标准 为若剪切位移在 4 mm 范围内出现峰值强度则取该 峰值强度作为该级垂直压力下的抗剪强度，否则则 取剪切位移 4 mm 所对应的剪应力作为该级垂直压 力下的抗剪强度。 3.3 试验结果及分析 本次试验按 10.5％、 11.9％、 13.7％、 14％、 16％、 18.1％六个不同含水率进行配样， 每个含水率各制作 10～12 个环刀样进行峰值强度的测定，各环刀样的 干密度在 1.912 ～1.915 g/cm3。试验过程中各级压力 下均未出现峰值强度， 故抗剪强度取剪切位移 4 mm 所对应的剪应力作为该级垂直压力下的抗剪强度。 由各级压力下的抗剪强度值，可以求得各级压力 下的抗剪强度平均值，根据不同含水率下的各级压力 下的平均抗剪强度，可以得出相同压力下不同含水率 滑带土样的抗剪强度指标值的变化趋势， 如图 2 所示。 由图 2 可以看出，在各级压力下，随着含水率 的增高， 滑带土的抗剪强度有近似线性降低的趋势， 图 2 相同垂直压力下不同含水率的滑带土的抗剪 强度变化曲线 Fig. 2 Shear strength curves of the soil in slide zone with different water content under the same vertical pressure 且随着含水量的增大，线性降低幅度明显减缓。且含 水率的变化对滑带土的抗剪强度的影响较为敏感。 由表 2 可以看出， 根据 10 个数据直接进行直线 拟合所得的值与取均值后再进行直线拟合所得的 C、φ 值相差不大。取表 2 中所得的值可以得出不同 含水量下的 C、φ 值的变化规律，并分别对 C、φ 值 随含水量的变化趋势进行直线拟合，φ 值的拟合度 较高。如图 3、图 4 所示。 由图 3 和图 4 可以看出a. 该滑带土的抗剪强 度明显受控于含水率的变化，以统计值为例，该滑 带土的黏聚力 C 在 89.7～12.3 kPa 之间变化， 对应的 内摩擦角 φ 在 23.2～2.3 kPa 之间变化；b. 滑带土的 抗剪强度指标值 C、φ 值均随含水量的增大而降低； c. C、φ 值随含水率线性降低较为明显，且 φ 值线性 图 3 C 值随含水率的变化趋势 Fig.3 Trend of C value change with moisture content 表 2 不同含水率下滑带土的抗剪强度指标 Table 2 Shear strength parameters of the soil in slip zone with different water content 均值 统计值 实测含水率 /％ C/kPa φ/（） R2 C/kPa φ/（） R2 10.5 88.5 23.6 0.993 2 89.7 23.2 0.957 9 11.9 66.7 17.8 0.955 1 68.9 17.6 0.913 1 14.0 39.2 11.0 0.991 6 39.6 10.9 0.931 2 16.0 13.5 4.8 0.975 1 14.1 4.7 0.961 9 18.1 12.3 2.3 0.990 5 12.3 2.3 0.934 9 注 均值为将各级压力下的抗剪强度平均后再进行拟合所得的强度指标值； 统计值为将所有数据直接进行拟合所得的强度指标值。 ChaoXing 第 1 期 陈小龙等 含水率对滑带土强度参数的影响 61 图 4 φ值随含水率的变化趋势 Fig.4 Trend of φ value change with moisture content 降低比 C 值随含水率线性降低更明显。 4 含水率对滑带土强度影响的机理分析 含水率对滑带土的抗剪强度的影响实质可以用 非饱和土力学理论对其进行解释。 非饱和土力学认为 在岩土体中，土颗粒之间存在着基质吸力，而基质吸 力受含水率控制并呈一定的函数关系。 基质吸力会对 土体抗剪强度产生较大的影响， Fredlund 等［16］为探讨 抗剪强度随基质吸力增加而增加的本质， 通过相关抗 剪试验研究，提出了一个扩展莫尔-库伦准则来表示 非饱和土的抗剪强度特征。 传统饱和土体的摩尔库伦强度准则 n （）tancτσμφ- （1） 式中 τ为剪切强度； c为有效黏聚力；φ′为有效内 摩擦角；σn为总的正应力；μ 为孔隙水压力。 考虑含水率影响的 Fredlund 非饱和土体的扩展 莫尔-库伦破坏准则 b naw （）tan （）tancτσμφμμφ-- （2） 式中 μa为孔隙气压力；μw为孔隙水压力；φ b为定义角， 表示抗剪强度随基质吸力（μa－μw）而增加的速率。 基质吸力与含水率存在着对应关系， 这一关系可 用土水特征曲线（SWCC）函数来进行描述。所以式（2） 即可表示为含水率与抗剪强度关系式 b n （）tan（ ）tancf wτσμφφ- （3） 式中 f（w）是以含水量为自变量的土水特征曲线表 达式。 由式（3）可以看出岩土体抗剪强度τ是受含水率 变化影响的，而这也将对试验结果拟合产生影响，从 而影响到其强度参数内摩擦角 φ 和黏聚力 C。 5 结 论 a. 剪切试验表明，滑带土的抗剪强度随着含水 率的增加迅速减小，且随着含水率的增大，线性降低 幅度明显减缓，近似呈上凹直线关系。 b. 通过试验数据拟合发现，滑带土的黏聚力 C 及内摩擦角 φ 均随含水率增大近似呈线性减小的趋 势，且 φ 值降低的线性规律更趋明显。 c. 通过对非饱和抗剪强度理论进行分析和公式推 导，得出受含水率影响下的非饱和抗剪强度理论公式。 d. 将该研究成果与降雨入渗的研究相结合具有重 要意义。通过降雨入渗研究分析滑带的含水率分布状 况， 从而发现滑带抗剪强度的分布规律， 这将对滑坡稳 定性研究及滑坡的治理、设计提供参考依据。 参考文献 ［1］ 陈晓平，黄井武，尹赛华，等. 滑带土强度特性的试验研究［J］. 岩土力学，2011，32（11）3212-3218. ［2］ 李维树，邬爱清，丁秀丽，等. 三峡库区滑带土抗剪强度参数 的影响因素研究［J］. 岩土力学，2006，27（1）56-60. ［3］ 刘茂， 赵其华. 滑带土抗剪强度影响因素及其变化规律综 述［J］. 水利与建筑工程学报，2010，8（6）123-126. ［4］ 李险峰. 含水率对滑带土力学特性的影响研究［J］. 四川理工学 院学报自然科学版，2012，25（1）83-85. ［5］ 韩爱果，聂德新，任光明，等. 大型滑坡滑带土剪切流变特性 研究［J］. 工程地质学报，2001，9（4）345-348. ［6］ 李晓，梁收运，郑国东，等. 滑带土的研究进展［J］. 地球科学 进展，2010，25（5）484-491. ［7］ 周永昆，魏作安，朱彬，等. 滑带土厚度及含水率对其强度参 数的影响［J］. 中国地质灾害与防治学报，2010，21（2）25-29. ［8］ 赵翔，康景文，蒋进，等. 滑坡勘察中滑带土强度指标确定方 法的探讨［J］. 地质灾害与环境保护，2009，20（1）43-49. ［9］ 龙建辉，李同录，雷晓锋，等. 黄土滑坡滑带土的物理特性研 究［J］. 岩土工程学报，2007，29（2）289-293. ［10］ 汪斌，朱杰兵，唐辉明，等. 黄土坡滑坡滑带土的蠕变特性研 究［J］. 长江科学院院报，2008，25（1）49-52. ［11］ 陈松，陈国金，徐光黎，等. 黄土坡滑坡形成与变形的地质过程机 制［J］. 地球科学中国地质大学学报，2008，33（3）411-415. ［12］ 晏鄂川，朱大鹏，宋琨，等. 基于数值模拟的三峡库区典型堆 积层滑坡变形预测方法［J］. 吉林大学学报地球科学版，2012， 42（2）422-429. ［13］ 杨金，简文星，杨虎锋，等. 三峡库区黄土坡滑坡浸润线动态 变化规律研究［J］. 岩土力学，2012，33（3）853-857. ［14］ 江洎洧，项伟，张雪杨，等. 基于 CT 扫描和仿真试验研究黄 土坡滑坡原状滑带土力学参数［J］. 岩石力学与工程学报， 2011， 30（5）1025-1033. ［15］ 聂良佐，项伟. 土工试验指导书［M］. 武汉中国地质大学出版 社，2009. ［16］ FREDLUND D G，RAHARDJO H. 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