陳 鋮 吳傳云 韓中會

(1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411105; 2.高鐵運(yùn)行安全保障湖南省工程技術(shù)研究中心，湖南株洲 412006)

花崗巖殘積土在我國湖南地區(qū)廣泛分布，該類土具有各向異性、不均勻性、浸水后易崩解軟化等工程特性[1-2]。在湖南濕潤多雨的氣候條件下，花崗巖殘積土邊坡土體經(jīng)常遭受脫濕、增濕及干濕交替循環(huán)作用，容易出現(xiàn)淺層土體滑移、崩解、水毀等常見地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民的生命安全[3]。著眼于工程地質(zhì)災(zāi)害的防護(hù)及工程建設(shè)的需要，研究非飽和花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度特性具有重要的工程意義。

20世紀(jì)80年代初期，國內(nèi)學(xué)者把風(fēng)化花崗巖殘積土視為紅土的一種并進(jìn)行相關(guān)研究。隨著研究的深入，研究者逐漸把風(fēng)化花崗巖殘積土當(dāng)作一種具有特殊工程性質(zhì)的土體進(jìn)行單獨(dú)研究。在花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度特性及邊坡失穩(wěn)方面，范沖[4]等通過三軸試驗(yàn)與壓縮試驗(yàn)，分別對結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土的原狀土和重塑土進(jìn)行對比分析，研究花崗巖殘積土剪切破壞的表現(xiàn)形式；吳迪[5]等通過環(huán)剪試驗(yàn)，總結(jié)出花崗巖殘積土在不同剪切位移條件下的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，并證明了花崗巖殘積土具有浸水崩解軟化的特性；趙建軍[6]等通過三軸剪切試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)，開展了花崗巖殘積土強(qiáng)度方面的研究，歸納不同顆粒成分對花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，土體具有剪脹剪縮的特性。許旭堂[7]等在閩東南地區(qū)花崗巖殘積土物理力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上，對非飽和土的含水率和干密度與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，建立了含水率和干密度與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的經(jīng)驗(yàn)公式。唐煒業(yè)[8]等通過對不同含水率和干密度狀態(tài)下花崗巖殘積土的直剪試驗(yàn)，總結(jié)了花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率和干密度的變化規(guī)律。李凱[9]等通過對風(fēng)化花崗巖邊坡淺層滑坡土體的物理力學(xué)試驗(yàn)，研究了飽和度對土質(zhì)邊坡抗剪強(qiáng)度的影響。陳東霞等[10]對非飽和殘積土進(jìn)行常規(guī)直剪試驗(yàn)，得到殘積砂質(zhì)黏性土總強(qiáng)度指標(biāo)與含水率公式。鄧署冬[11]等采用常規(guī)三軸試驗(yàn)并結(jié)合非飽和花崗巖殘積土的土-水特征曲線(考慮吸力和含水率的影響)，建立了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水量的經(jīng)驗(yàn)公式。

為探究花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度特性及分析花崗巖殘積土邊坡失穩(wěn)的誘導(dǎo)因素，以湘潭市潭市鎮(zhèn)某地區(qū)花崗巖殘積土滑坡土體為研究對象，從定量的角度建立殘積土體干密度、飽和度與土體抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，開展花崗巖殘積土基本物理特性和顆粒分析試驗(yàn)，并進(jìn)行了不同干密度、飽和度和垂直壓力下的60組直剪試驗(yàn)，分析干密度和飽和度對花崗巖殘積土強(qiáng)度的影響，并建立抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式。

1 試驗(yàn)土樣及其基本物理特性

試驗(yàn)用土取自湘潭市潭市鎮(zhèn)某花崗巖滑坡殘積土體，通過現(xiàn)場取樣及基本物理特性試驗(yàn)，得到花崗巖滑坡殘積土體基本物理指標(biāo)：

天然密度ρ=1.82 g/cm3，孔隙比e0=0.54，干密度ρd=1.58 g/cm3，比重Gs=2.44，液限wL=50.0 %，塑限wP=26.0%，塑性指數(shù)IP=22.08，液性指數(shù)IL< 0，最大干密度ρdmax=1.84 g/cm3，最佳含水率wopt=15.96%。

使用篩分法和密度計(jì)法進(jìn)行顆粒級配分析，得到顆粒級配曲線(如圖1所示)，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237—1999中的《土的工程分類》，可確定該土樣為非飽和的含砂高液限黏土。

圖1 顆粒級配曲線

2 試樣制備及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試樣制備

采用靜壓法制樣，求出花崗巖殘積土在不同干密度和飽和度下的含水率。烘干土樣，配制所需的含水率，在密閉的容器中放置24 h，測定密閉后土樣的含水率。當(dāng)實(shí)測含水率與目標(biāo)含水率相差不超過1%時，滿足試驗(yàn)要求，否則需要重新配制。配制好試驗(yàn)含水率后，把試樣分層放入擊實(shí)器中擊實(shí)。

2.2 試驗(yàn)方案

采用ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，在不同干密度的條件下，控制飽和度及正應(yīng)力，對風(fēng)化花崗巖殘積土重塑土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到不同干密度、飽和度及正應(yīng)力條件下花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)方案如表1所示。

試驗(yàn)中，干密度控制為1.58 g/cm3、1.71 g/cm3、1.84 g/cm3，并分別對應(yīng)5種不同飽和度試樣(30%、50%、70%、90%、100%)。試驗(yàn)中，分別對花崗巖殘積土施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的正應(yīng)力，控制剪切速率為0.8 mm/min。每組試樣應(yīng)進(jìn)行兩次平行試驗(yàn)，取平行試驗(yàn)的平均值做為試驗(yàn)最終結(jié)果。

表1 60組不同干密度、飽和度及正應(yīng)力條件下的試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干密度對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

不同飽和度的條件下，風(fēng)化花崗巖殘積土黏聚力和內(nèi)摩擦角隨干密度的變化關(guān)系如圖2、圖3所示。

圖2 黏聚力與干密度關(guān)系曲線

圖3 內(nèi)摩擦角與干密度關(guān)系曲線

其變化曲線擬合關(guān)系式分別為

C(ρd)=A+Bρd，φ(ρd)=A+Bρd

其中，A，B為參數(shù)，ρd為干密度。當(dāng)飽和度一定時，黏聚力隨著干密度的增大呈線性正相關(guān)變化；當(dāng)干密度不斷增大，土體越密實(shí)，土顆粒之間的咬合作用越強(qiáng)，黏結(jié)力不斷增加，土體整體性越好，土體黏聚力越大。不同飽和度下，內(nèi)摩擦角與干密度呈線性正相關(guān)變化，當(dāng)飽和度較小的情況下，內(nèi)摩擦角隨干密度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，干密度對內(nèi)摩擦角的影響較小，主要通過影響?zhàn)ぞ哿碛绊懲馏w抗剪強(qiáng)度的變化。

3.2 飽和度對抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力的影響

風(fēng)化花崗巖殘積土在不同干密度條件下，黏聚力隨飽和度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 黏聚力與飽和度關(guān)系曲線

在干密度相同的條件下，黏聚力隨著飽和度的增大呈曲線變化，且具有明顯的峰值效應(yīng)。在低飽和度的條件下，黏聚力與飽和度呈正相關(guān)。隨著干密度的增大，風(fēng)化花崗巖殘積土的黏聚力峰值強(qiáng)度不斷增大，且不同干密度條件下，黏聚力達(dá)到峰值強(qiáng)度的飽和度不斷增大。不同干密度的條件下，黏聚力取得峰值強(qiáng)度下的含水率接近最優(yōu)含水率。對不同干密度下，風(fēng)化花崗巖殘積土黏聚力隨飽和度的變化關(guān)系進(jìn)行線性擬合，其擬合關(guān)系曲線公式為

(1)

其中A，B，C，D為待定系數(shù)，飽和度擬合參數(shù)如表2所示，擬合精度均在0.9以上。

表2 內(nèi)摩擦角與飽和度的關(guān)系曲線擬合參數(shù)

在飽和度較低的情況下，隨著土顆粒毛細(xì)水表面張力的增大，黏聚力不斷增加，當(dāng)飽和度達(dá)到最優(yōu)時，土顆粒之間的毛細(xì)水基本消失，形成強(qiáng)結(jié)合水膜，導(dǎo)致基質(zhì)吸力不斷減小，黏聚力降低；當(dāng)干密度增大時，土顆粒之間的黏結(jié)更緊密，黏聚力不斷增加。

3.3 飽和度對抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角的影響

不同干密度條件下，風(fēng)化花崗巖殘積土內(nèi)摩擦角隨飽和度的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 內(nèi)摩擦角與飽和度關(guān)系曲線

表3 黏聚力與飽和度的關(guān)系曲線擬合參數(shù)

3.4 分別考慮干密度、飽和度的抗剪強(qiáng)度公式建立

為了研究干密度、飽和度對風(fēng)化花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的具體影響，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合飽和土抗剪強(qiáng)度公式[12-15]，分別建立風(fēng)化花崗巖殘積土含有干密度、飽和度的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式。

在低干密度條件下，考慮飽和度的抗剪強(qiáng)度公式

τf=c(sr)+σtanφ(sr)

(2)

式中：

(3)

(4)

在最大干密度條件下，考慮飽和度的抗剪強(qiáng)度公式

τf=c(sr)+σtanφ(sr)

(5)

式中：

(6)

(7)

在不同的干密度條件下，飽和度對抗剪強(qiáng)度的影響不同，建立不同密度下的抗剪強(qiáng)度公式能更好地滿足工程精度的要求。

考慮干密度的抗剪強(qiáng)度公式為

τf=c(ρd)+σtanφ(ρd)

(8)

式中：

C(ρd)=A+Bρd，φ(ρd)=A+Bρd

(9)

4 不同正應(yīng)力條件下抗剪強(qiáng)度隨飽和度的變化規(guī)律

不同正應(yīng)力條件下，風(fēng)化花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度隨飽和度的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 抗剪強(qiáng)度與飽和度關(guān)系曲線

當(dāng)飽和度一定的情況下，抗剪強(qiáng)度隨正應(yīng)力增加而增大，當(dāng)正應(yīng)力一定時，抗剪強(qiáng)度隨飽和度增大呈曲線變化，并具有明顯的峰值點(diǎn)；當(dāng)抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值時，隨著飽和度的增加，抗剪強(qiáng)度不斷減小，最大的抗剪強(qiáng)度值接近400 kPa，且不同正應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度時對應(yīng)的飽和度近似為80%。此飽和度值可以作為風(fēng)化花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度的最優(yōu)飽和度參考值。

5 結(jié)論

(1)風(fēng)化花崗巖殘積土的黏聚力、內(nèi)摩擦角與干密度均呈線性正相關(guān)。干密度越大，土體越密實(shí)，機(jī)械咬合作用越強(qiáng)，黏聚力越大；干密度越大，土顆粒滑動需要克服的摩擦力越大，內(nèi)摩擦角也越大.干密度對黏聚力的線性影響較干密度對內(nèi)摩擦角的影響更大。

(2)風(fēng)化花崗巖殘積土的黏聚力隨飽和度的變化近似呈二次曲線變化，且具有明顯的峰值效應(yīng)。不同的干密度條件下，黏聚力隨飽和度的變化先增大后減??；當(dāng)飽和度較小時，花崗巖殘積土的黏結(jié)性差；隨著飽和度的增加，黏結(jié)性增大；當(dāng)達(dá)到最優(yōu)飽和度時，花崗巖殘積土的黏聚力開始減小。在不同的飽和度下，黏聚力隨著干密度的增加而增大。可建立黏聚力、內(nèi)摩擦角與飽和度之間的關(guān)系式并進(jìn)行線性擬合。

(3)分別建立了考慮干密度、飽和度的風(fēng)化花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，可為工程建設(shè)提供參考。

(4) 在不同正應(yīng)力下，風(fēng)化花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度隨飽和度變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。給出了抗剪強(qiáng)度最大時的最優(yōu)飽和度，此經(jīng)驗(yàn)值可為風(fēng)化花崗巖殘積土滑坡防治提供參考。